Roches naturelles

On distingue à la surface du globe trois types de roches : les roches ignées (magmatiques ou endogènes), les roches métamorphiques et les roches sédimentaires (Foster, 1985; Allen

et al., 2014).

— Roches métamorphiques : Elles proviennent des roches sédimentaires ou ignées qui ont subi des modifications minéralogiques à cause de l’augmentation de la tem- pérature, de la pression et de la déformation de la croute terrestre sous l’effet du métamorphisme (Foster, 1985). L’augmentation de la température entraine une re- cristallisation et une formation de nouveaux minéraux à partir d’un processus de dif- fusion entre les grains (Foster, 1985). On distingue deux types de métamorphismes, le métamorphisme de contact et le métamorphisme régional. Le métamorphisme de contact se passe autour de l’intrusion magmatique entrainant une augmentation de la température et une modification de la texture. Quant au métamorphisme régio- nal, il est lié aux déformations tectoniques au coeur des chaines de montagne sous l’effet des hautes pressions et des hautes températures (Hoffmann, 2015). Comme exemples de roches appartenant à ce groupe on peut citer le gneiss, le marbre, le schiste et le quartzite (Iosif Stylianou et al., 2016).

— Roches sédimentaires : Ces roches couvre approximativement 66% de la surface terrestre et proviennent d’une sédimentation qui se dépose sous forme de couches (Foster, 1985). Les roches sédimentaires existent sous trois formes différentes en fonction de la provenance des sédiments : les roches détritiques, chimiques et bio-

logiques (Tarbuck et Lutgens, 2005). Les roches détritiques sont issues de la des- truction des roches ignées, métamorphiques ou sédimentaires existantes telles que le grès, le schiste etc. Les roches sédimentaires chimiques sont formées lorsque des minéraux solubles sont dissous dans l’eau entrainant la précipitation d’une solution de sels minéraux (Allen et al., 2014). Quant aux roches sédimentaires biologiques, elles sont formées à partir de sédiments d’origines organiques provenant de l’activité humaine, des animaux ou des plantes. Tous ces sédiments sont transportés par le vent et l’eau et déposés sous forme de couches de manière irrégulière formant les roches sédimentaires. Le caractère variable du processus de transport et de dépôt a un impact non négligeable sur les propriétés de ces roches. En effet, il existe une variation de taille de grain et de composition dans les différentes couches. Aussi, les roches peuvent être poreuses, entre 1 et 5,7% (Vosteen et Schellschmidt, 2003) ; souvent jusqu’à 30% (Foster, 1985).

— Roches ignées : Ce type de roche est formé quand le magma ou de la lave se re- froidit et devient solide (Allen et al., 2014). On distingue deux grands groupes : les roches intrusives ou plutoniques et les roches extrusives ou volcaniques. Les roches ignées de types intrusives sont des roches de profondeurs résultants du refroidisse- ment lent et de la cristallisation du magma. Les roches volcaniques sont issues d’un refroidissement rapide en surface (Allen et al., 2014; Foster, 1985). Globalement, les roches ignées proviennent toutes de la cristallisation de roches fondues. Le granite est la roche ignée de type plutonique la plus connue et le basalt la roche volcanique la plus fréquente (Tarbuck et Lutgens, 1984). D’une manière générale, les roches plu- toniques et volcaniques peuvent être de compositions similaires mais leurs textures varient (Hoffmann, 2015) à cause de la différence de vitesse de cristallisation.

Propriétés des roches naturelles pour le stockage de la chaleur sensible et leurs limites

Les roches naturelles constituent une piste intéressante pour le stockage thermique par chaleur sensible compte tenu des critères établis par l’AIE. Comme les bétons, les roches naturelles offrent l’avantage d’une disponibilité en quantité industrielle. En plus, elles possèdent des propriétés thermophysiques (conductivité thermique, chaleur spécifique, densité énergétique) et mécaniques intéressantes (Allen et al., 2014).

Le tableau 1.11 présente quelques roches naturelles potentielles pour le stockage de la chaleur sensible avec leurs familles, leurs densités, conductivités thermiques et chaleurs spécifiques ainsi que leurs résistances en compression maximales (Tiskatine et al., 2017; Iosif Stylianou et al., 2016; Allen et al., 2014; Robertson, 1988; Waples et Waples, 2004).

Roche Famille ρ Cp ρ.Cp λ σ kg/m3 kJ/(kg.K) M J/(m3.K) W/(m.K) MPa Andesite Ignée 2600-2700 0,815 2,12-2,16 2,8 183-400 Basalt Ignée (extrusif) 2300-300 0,700-1,230 1,60-3,71 1,2-2,3 67-400 Calcaire Sédimentaire 2300-2800 0,683-0,908 1,58-2,50 2,0-3,0 30-250 Diabase Ignée (intrusive) 2790 0,731-0,860 2,04-2,4 2,1 - Dolérite Ignée (intrusive) 2700-2900 0,870-0,900 2,30-2,61 2,2-3,0 100-350 Gabbro Ignée (intrusive) 2900-3000 0,600-1 1,72-3,03 1,5-2,6 150-350 Gneiss Métamorphique 2700 0,770-0,979 2,08-2,64 2,7-3,1 48-300 Granite Ignée 2600-2700 0,600-0,950 1,56-2,517 2,6-3,1 100-350 Grès Sédimentaire 2200-2600 0,694-0,950 1,49-2,50 1,7-2,9 20-260 Marbre Métamorphique 2600-2700 0,800-0,883 2,08-2,36 2,3-3,2 50-200 Quartzite Métamorphique 2500-2600 0,623-0,830 1,55-2,19 2,9-5,7 150-300 Schiste Métamorphique 2600-2800 0,790-1,100 2,08-3,08 2,1-3,0 60-400 Silex Sédimentaire 2600 0,740 1,92 3,5 - Stéatite Métamorphique 2700-3000 0,980-1,068 2,62-3,18 2,5 10,1

Table 1.11 – Propriétés thermiques et mécaniques de quelques roches naturelles (Tiska- tine et al., 2017)

La composition minérale, les impuretés, la différence d’âge géologique et l’origine sont des paramètres qui influencent les propriétés thermophysiques et mécaniques comme on peut le remarquer dans le tableau 1.11 (Iosif Stylianou et al., 2016). On peut voir que pour chaque roche appartenant à une famille donnée, il y a des écarts assez considérables de densité énergétique, de conductivité thermique et de résistance mécanique. Cela constitue un problème majeur pour une utilisation dans le stockage thermique.

La conductivité thermique des roches selon le tableau 1.11 varie entre 1,2 et 5,7 W/(m.K) à la température ambiante et selon certains auteurs ce paramètre peut varier entre 0,2 et 10 W/(m.K) (Iosif Stylianou et al., 2016; Robertson, 1988). Aussi, la conductivité ther- mique de la grande majorité des roches naturelles diminue avec la température toujours en relation avec la composition minéralogique. Des recherches ont prouvé que les roches à faible teneur en silice (SiO2) présentent des valeurs de conductivité thermique faibles

(Allen et al., 2014). Le quartzite et le silex par exemple sont essentiellement composés de silice. Ils ont une conductivité thermique élevé (respectivement 5,7 et 3,5 W/(m.K)) tandis que le basalt, riche en calcium et magnésium et pauvre en silice, a une conductivité thermique entre 1,2 et 2,3 W/(m.K).

MPa. Cette différence en terme de résistance mécanique est due à la granulométrie de la matière ainsi qu’à la composition minéralogique (Brace, 1961). Les roches présentant des grains fins ont une microstructure apte à l’obtention d’une résistance mécanique élevée. Aussi, la résistance mécanique augmente habituellement avec la teneur en quartz et les roches composées de quartz sont les plus rigides (Ozkahraman et al., 2004). Toutefois, la résistance mécanique est aussi liée à la porosité des roches et au coefficient d’expan- sion thermique (Price, 1960; Smorodinov et al., 1970). La contrainte de rupture diminue avec l’augmentation de la température par l’apparition de fissures due à une différence d’expansion des cristaux constituant la structure globale (Wong, 1982).

La principale limite des roches naturelles réside dans leurs mauvais comportements à haute température (>600). Tiskatine et al. ont étudié une large variété de roches naturelles et ont pu conclure que toutes les roches ne sont pas adaptées pour un fonctionnement à haute température (600°C) (Tiskatine et al., 2017). Des roches comme le schiste, le granite et le calcaire se décomposent tandis que les roches volcaniques comme le basalt, l’andésite et la rhyolite résistent à ces températures mais ne pourraient pas résister à long terme. D’autres études (Jemmal et al., 2017, 2016) limitent la température d’utilisation des roches métamorphiques comme le quartzite et le gneiss à moins de 600°C pour assurer un bon fonctionnement.

L’utilisation des roches naturelles dans le stockage à haute température semble être un challenge. Egalement, même si elles sont assez disponibles, leurs utilisations adéquates dans un système de stockage de type thermocline demande une forme particulière et homogène ce qui n’est pas souvent facile à obtenir. Aussi, l’obtention d’une composition minéralogique homogène pourrait être un challenge vu les grandes quantités nécessaires.