UTILISATION DE L'ÉNERGIE GÉOTHERMIQUE DES NAPPES D'EAUX SOUTERRAINES PROFONDES
ÉTUDE DES POSSIBILITÉS GÉOTHERMIQUES DE LA RÉGION CLERMONT-FERRAND - RIOM
(Puy-de-Dôme)
par Ph. DAGUE
Service G É O T H E R M I E
Avenue du Complexe aérospatial, 31400 Toulouse - Tél.: (61) 52.12.14
72 SGN 288 GTH
28 septembre 1972RESUME
L'énergie géothermique est connue essentiellement sous son aspect le plus spectaculaire, à savoir la production de vapeur apte à alimenter des centrales électriques.
Le recours aux eaux thermales, définies ici par leur température supé- rieure à 35°C, est peu développé en France alors qu'il connait une expansion considérable dans des pays comme la Hongrie.
Les principaux usages retenus sont : - le chauffage urbain,
- l'alimentation en eau chaude sanitaire,
- le chauffage agricole, élevages industriels, serres, chauffage des sols,
- l'alimentation des piscines en eau climatisée, - la balnéologie thérapeutique classique,
- l'irrigation et la pisculture en eau tempérée.
L'utilisation complexe en cascade des calories pour des besoins exigeant des températures de moins en moins élevées permet d'envisager une exploitation présentant un intérêt économique certain.
Le caractère peu polluant de l'énergie géothermique est un facteur
des possibilités géothermiques de la région Clermont Ferrand - Riom.
1.1 Gradient géothermique 1.2 Réservoirs aquifères 1.3 Conséquence
2 - Utilisation de l'eau chaude 2
2.1 Puissance disponible
2.2 Enthalpie de l'eau et plan de charge de l'installation 2.3 Applications
3 - Problèmes annexes 5
4 - Climatisation 5
5 - Conclusion 6
6 - Etude des possibilités géothermiques de la région Clermond Ferrand-Riom 6
6.1 But 6.2 Moyens
6.2.1 Etude de la documentation existante 6.2.2 Etude géophysique
6.2.3 Forages thermométriques
6.2.4 Intervention G.T.H. au cours des travaux
7 - Bibliographie 10
8 - Annexes : exemples d'utilisation de l'eau chaude géothermale en Hongrie 11
1 - Les nappes d'eaux souterraines chaudes
Pour qu'un gisement d'eau thermale exploitable existe, il faut que deux conditions soient réunies, à savoir la présence d'une température élevée et d'une nappe aquifère.
1.1 Gradient géothermique
L'augmentation de la température avec la profondeur est un phénomène bien connu et le gradient géothermique est la grandeur qui le caractérise.
On constate en général que la température du sous-sol croît de 1 degré pour 33 m. Compte tenu d'une température moyenne du sol de 10°C environ en France, on peut espérer obtenir des températures de l'ordre de 75 à 80°C vers 1800 ou 2000 m de profondeur. C'est ce que l'on observe en fait dans la région parisienne.
L'expérience montre que la valeur de 1°C pour 33 m constitue un
minimum et que des valeurs de l'ordre de 1°C pour 18 m ou plus sont connues, en particulier en Limagne.
1.2 Réservoirs_aquifères_
L'hydrogéologie classique s'intéresse traditionnellement aux nappes superficielles ou peu profondes, seules capables de fournir une eau dont la minéralisation soit compatible avec les normes fixées pour les réseaux d'adduction d'eau potable.
D'autres nappes plus profondes et souvent plus minéralisées existent, mais leur étude a été généralement négligée dans la mesure où elles n'offrent aucun intérêt économique, hormis le cas où elles peuvent servir de réservoirs destinés à l'injection d'eaux résiduaires industrielles fortement polluées.
On peut citer la nappe du Dogger dans le Bassin de Paris. La nappe infra- mollassique dans le Sud Ouest de la France et la nappe des grès du Trias
inférieur dans l'Est font exceptions puisqu'elles alimentent à la fois des réseaux d'A E P et des piscines climatisées.
L'expérience montre que le débit moyen des forages implantés dans ces horizons à des profondeurs variant de 1500 à 2000 m est de l'ordre de
3
100 m /h et que, dans certains cas, il s'agit d'un débit naturel, artésien, c'est à dire ne nécessitant pas de pompage.
1.3 Conséquence
La plupart des grands bassins sédimentaires français bien connus du fait des travaux de recherche d'hydrocarbures renferment des nappes souter- raines profondes susceptibles de fournir, par l'intermédiaire de forages de 1500 à 2000 m de profondeur, un débit d'eau chaude, dont la température sera comprise en général entre 60 et 100°C.
2 - Utilisations de l'eau chaude
2.1 Puissance disponible
3
Soit un forage fournissant un débit moyen de 100 m /h à une tempéra- ture de l'ordre de 75°C, supposons que l'eau soit rejetée après utilisation à une température de 25°C, dans ces conditions, la puissance dégagée par le forage est de 5 000 000 kcal/h, ce qui correspond en valeur absolue à la puissance requise en période de pointe pour le chauffage d'environ 1000 logements collectifs situés dans la région parisienne.
2.2 Enthalpie de_l^eau et_plan de charge de l'installation
II est bien évident que la calorie associée à une eau de 25°C n'a pas la même valeur que celle qui est attribuée à une calorie associée à une eau à 75°C. Ce paramètre se mesure et s'appelle l'enthalpie ; l'enthalpie d'une eau à 75°C est supérieure à celle d'une eau à 25°C. En d'autres termes, l'eau à 75°C convient parfaitement pour alimenter un dispositif de chauffage urbain,
elle cédera des calories et reviendra des radiateurs à une température de l'ordre de 45 à 50°C et il ne sera pas possible d'utiliser dans le même but l'énergie correspondant à la chute de température comprise entre 45°C et 25°C. Dans ces conditions, si l'on rejette définitivement l'eau à 45°C, la puissance disponible pour un forage n'est plus que de 3 000 000 kcal. De plus, le chauffage étant, par nature, une activité saisonnière, l'utilisation to- tale du débit de forage n'occupera qu'une faible partie de l'année.
On est donc conduit, en vue d'optimiser l'utilisation de l'ouvrage, à rechercher d'autres applications, les unes complémentaires dans le temps, les autres susceptibles de se contenter d'une eau à plus basse enthalpie, c'est à dire à plus faible température.
2.3. Applications
En fonction de la température, les utilisations que l'on peut faire de l'eau produite par un puits thermal sont les suivantes :
- ~y* 55°C chauffage urbain, séchage (industries chimiques, céréa- les, fourrage, etc.) ;
6O°C-45°C eau chaude sanitaire, industries alimentaires, conserve- ries, etc. ;
55°C-45°C chauffage des élevages industriels ;
5O°C-4O°C chauffage des serres ;
- 4O°C-3O°C chauffage des sols agricoles ;
- 35°C-25°C piscines et balnéothérapie ;
<C 25°C pisculture, irrigation en eau tempérée, etc.
Cette liste n'est pas limitative, mais représente environ 90 % des installations en fonctionnement dans le monde.
En Hongrie, le dispositif le plus souvent adopté est le suivant :
Forage
75°C
Chauffage urbain et eau chaude sanitaire
45°C
Chauffage agricole, serres, horticulture
30°C
Piscines, chauffage des sols de culture
20°C
Irrigation - Pisciculture
On trouve en annexe des exemples illustrant ce schéma.
En Hongrie, compte tenu de l'amortissement normal des installations, le coût de la calorie géothermique est d'environ la moitié de celui de la calorie classique (charbon, fuel ou électricité). Mais il faut remarquer que la répartition des dépenses est essentiellement différente dans la mesure où, au contraire des sources d'énergie habituelles, l'énergie géothermique
demande des investissements importants, à l'origine du projet, compensés par des charges d'exploitation très réduites.
En France, l'installation qui fonctionne à Melun permet d'économiser
environ 3 500 tonnes de fuel par an. Cette économie est à comparer au prix des deux forages d'exploitation qui est de l'ordre de 2 000 000 F.
3 - Problèmes annexes
Ils sont la conséquence normale de la minéralisation généralement élevée des eaux rencontrées dans les nappes profondes. Ils peuvent en géné- ral être résolus par un traitement approprié de l'eau, mécanique (dégazage, décantation) ou chimique (par exemple, addition de polyphosphates), mais chaque installation doit faire l'objet d'une étude particulière.
Dans les cas les plus difficiles, il faut se résoudre à mettre en place des échangeurs de chaleur où l'eau chaude minéralisée vient céder ses calories à l'eau de réseau de distribution d'eau publique. La lutte contre l'entartrage des circuits peut se faire par acidification régulière des sys- tèmes de circulation d'eau et d'échangeurs de chaleur qui devront, de ce fait, être réalisés avec des matériaux résistants aux acides.
Enfin, la réinjection dans le sous sol des eaux peut s'avérer néces- saire d'une part, pour assurer la pérennité du débit de la nappe, d'autre part, pour ne pas envoyer une eau minéralisée polluée dans un cours d'eau de faible débit.
4 - Climatisation
La production de chaleur ou celle de froid sont intimement liées dans la mesure où toute machine frigorifique est à la fois une source de froid à 1'évaporateur et une source de chaleur au condenseur.
Si l'on envoie l'eau thermale à 25°C à l'issue de son circuit sur 1'évaporateur d'une machine thermodynamique, elle peut se refroidir encore d'une vingtaine de degrés moyennant une faible dépense d'énergie électrique, tandis que les calories ainsi récupérées sont transférées par la machine ther- modynamique au condenseur avec une enthalpie plus élevée puisque la tempéra-
ture atteinte sur les machines classiques est de l'ordre de 45°C.
Dans ces conditions, moyennant une faible dépense d'énergie électrique, il est possible de disposer, d'une part d'eau glacée à 5°C ou moins qui peut être le point de départ d'un réseau de conditionnement d'air, d'autre part, d'eau chaude qui pourra trouver une utilisation complémentaire.
5 - Conclusion
La mise en exploitation de l'énergie géothermique contenue dans les nappes d'eaux souterraines profondes du territoire métropolitain peut être envisagée de manière économique dans la mesure où l'utilisation de l'eau chaude produite peut être diversifiée, permettant ainsi d'assurer à l'instal- lation un plan de charge maximal et une utilisation rationnelle des calories en fonction de la température de l'eau.
Le programme présenté ci dessous vise à mettre en évidence les ressour- ces géothermiques de la Limagne qui semblent se présenter dans des conditions particulièrement favorables.
6 - Etude des possibilités géothermiques de la région Clermont Ferrand-Riom (Puy de Dome)
6.1 But
Définir à l'aide de la documentation existante et de travaux complé- mentaires sur le terrain, les caractéristiques géothermiques des nappes d'eaux souterraines profondes de la Limagne sur une superficie d'environ 200 km entre Clermont Ferrand et Riom.2
Le document de synthèse final présentera, autant que faire se pourra, - la profondeur de la nappe d'eau exploitable et sa température,
- une estimation provisoire du prix du mètre cube d'eau chaude produite.
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LIMITES APPROXIMATIVES DE LA ZONE PROSPECTEE
Un programme de réalisation d'un forage de reconnaissance profond destiné à mettre en production la nappe reconnue, à en préciser les carac- téristiques géochimiques et hydrodynamiques sera établi.
6.2. Moyens
L'étude devra être menée en associant les moyens du service géologi- que régional Massif Central (SGR/MCE) du B.R.G.M. à ceux du service géother- mie (GTH). Le recours à l'expérience de l'Université pourra s'avérer néces- saire, d'une part lors de la recherche documentaire, d'autre part, lors de la présentation de la synthèse finale.
6.2.1 Etude de la documentation existante
- Recherche de la documentation concernant les forages profonds dans un périmètre dépassant largement la zone étudiée et pouvant atteindre la région de Vichy où les indices géothermiques sont importants : ce travail devrait permettre de réunir et de synthétiser des données recueillies en général de manière accessoire ou indirecte lors des forages et concernant la température, la perméabilité des terrains rencontrés, la qualité et le débit des eaux rencontrées.
- Traduction structurale des données recueillies au cours du lever de la carte géologique
30 jours technicien 12 000 F 8 jours ingénieur 5 000 F
6.2.2 Etude géophysique
A l'aide de sondages électriques ou de sondages Melos, on précisera la structure de la zone étudiée, la profondeur de l'aquifère supposé et celle du substratum.
45 jours géophysique 170 000 F
6.2.3 Forages thermométriques
15 forages de 50 à 100 m de profondeur, diamètre au fond 60 mm, pas de carottage.
1000 m à 200 F/m 200 000 F
Surveillance des sondages et mesures thermométriques.
45 jours technicien 18 000 F
Matériel G.T.H. (sondes température) 5 000 F
6.2.4. Intervention G.T^H. au cours des travaux.
Interprétation et rapport 50 000 F
Total Hors Taxes 460 000 F
Les prix présentés dans ce devis ne sont donnés qu'à titre indicatif et devront être précisés, notamment en ce qui concerne les forages, travaux d'entreprise devant faire l'objet d'un appel d'offres.
BIBLIOGRAPHIE
Thermal Water wells of Hungary, publication of the Research Institute of Water Resources Development - Budapest, 1965.
Idem - Budapest, 19 71.
Les Pompes à chaleur - Applications industrielles de l'électricité.
E.D.F. - Direction de la distribution.
Les Pompes de chaleur - Chauffage, ventilation. Conditionnement - 45e année, n° 4, avril/mai 1969.
L'Energie géothermique - Annales des Mines - Mai 1971.
A N N E X E
Exemples
Utilisation de l'eau chaude des nappes profondes
en Hongrie
S Z E G E D
Chauffage urbain
Mille logements (appartements standardisés de 53 m de superficie), répartis en petits blocs de 3 à 4 étages, sont alimentés depuis 10 ans par un forage de 1 900 m de profondeur, débitant 1 400 1/mn d'eau à 90°C.
(
La composition chimique de l'eau produite est la suivante :
Résidu sec : Na K : Ca : Mg : Fe :
2 556 680,8
9,6 8,4 0,23
mg/1 mg/1 mg/1 mg/1 mg/1
Cl SO HCO3
: 26,7 : 12 : 1818
mg/1 mg/1 mg/1
L'eau, après décantation et aération, dans un réservoir qui sert aussi au stockage, est envoyée directement dans les radiateurs ou aux robinets.
L'eau refroidie revient à la station de pompage et peut servir à d'autres usages (piscines ou chauffage agricole).
En période de grand froid, un chauffage d'appoint est nécessaire.
Il est assuré par des chaudières conventionnelles fonctionnant au gaz na- turel. Il n'est pas nécessaire de l'utiliser tous les ans.
TETE DE PUITS GEOTHERMAL AVEC DEUX CANALISATIONS ISOTHERMES ET RESERVOIR DE STOCKAGE
STATTON DE POMPAGE DES EAUX CHAUDES
COOPERATIVE D'ELEVAGE AVICOLE
L'élevage industriel des volailles se prête parfaitement à l'utili- sation d'un puits géothermal.
Si l'eau sert évidemment au chauffage des salles d'élevage, elle trouve une utilisation complémentaire efficace :
- d'une part, dans les incubations, couveuses artificielles dont le chauffage est assuré par l'énergie géothermale ;
- d'autre part, au stade du conditionnement du produit fini, qui, comme toute industrie alimentaire, demande beaucoup d'eau chaude.
Enfin, il faut noter l'intégration au circuit d'eau géothermal de la machine frigorifique nécessaire à la congélation des volailles pour l'expédition a été étudiée et fera l'objet d'une expérimentation en vraie grandeur.
SALLE D'ELEVAGE CLIMATISEE PAR CHAUFFAGE GEOTHERMIQUE
r
INCUBATEURS CHAUFFES PAR L'ENERGIE GEOTHERMIQUE
COOPERATIVE AGRICOLE DE LIPOT
La Coopérative agricole de Lipot, en pleine expansion, est actuel- lement équipée d'un puits géothermal, réalisé en 1968. Sa profondeur est de 2 212 m, le débit de 1 350 1/mn et la température de 88°C. Le gradient géothermique observé sur ce si'te n'est pas élevé : 1°C pour 30 mètres seu- lement .
Les serres vitrées classiques sont utilisées essentiellement pour des cultures florales, oeillets en particulier, qui sont produits de septembre à mai.
Le sol des chassis destinés à la production des replants est chauffé par des conduites d'eau chaude enterrées.
Le paprika est également une production importante de la coopérative.
Il est cultivé de préférence sous des serres en polyvinyle.
En fin de circuit, l'eau refroidie vers 25 ou 30°C alimente une piscine, et un bassin d'élevage piscicole où la vitesse de croissance du poisson est accrue grâce au maintien d'une température supérieure à la normale en hiver.
PAPRIKA
OEILLETS
Piscine de plein air, ouverte de Mai à Septembre.
Un puits thermal assure l'alimentation en eau de toute l'installation sa profondeur est de 1 009 m et il débite 1 700 1/mn d'eau à une température de 56°C.
La composition chimique de l'eau produite est la suivante :
Résidu sec : 1161,0 mg/1 Cl : 51 mg/1
Na K Ca
86,2 mg/1 13 7,7 mg/1
Br
0,2 mg/13 mg/1
Mg
Fe
53,6 mg/1
0,6 mg/1
: 138 mg/1
HCO : 646,6 mg/1
•3
Le coût du forage représente environ 5 % du coût total des installations (piscine proprement dite, vestiaires, etc).
NB : On notera la conception hongroise en matière de piscines : absent; o quasi-grin' de bassins olympiques et baignades aménagées, peu profondes, api es à rer.>\oir majorité du public.
