Le stockage d`énergie thermique en aquifère au Canada

Bill Wong
SAIC Canada
Aart Snijders
IF Technology (Pays-Bas)
Le stockage d’énergie thermique
en aquifère au Canada
Introduction
Les immeubles commerciaux et résidentiels
à forte densité subissent typiquement
une forte charge de refroidissement durant
la période estivale. La forte charge de
refroidissement atteint un sommet dans
l’après-midi et contribue aux pointes élevées
de la demande d’électricité à l’occasion
des chaudes journées d’été. La pointe de
demande d’électricité au cours de l’été a été
généralement reconnue dans plusieurs
régions du Canada comme étant l’élément
clé de notre stratégie de conservation et
de gestion de la demande.
Une possibilité qui nous est offerte par
la terre consiste à l’utiliser pour stocker du
froid au cours d’une saison pour ensuite
utiliser cette énergie thermique de refroidissement pendant la saison suivante. Une
telle énergie (de refroidissement) peut être
stockée dans les couches de sable souterrain
(aquifère) ou dans le sol et la roche au moyen
de puits. Grâce au stockage d’une énergie de
refroidissement, il est possible de procurer
du refroidissement durant les mois d’été
avec du « froid hivernal ». Cette énergie de
refroidissement peut être captée pendant
l’hiver en recourant à des échangeurs de
chaleur utilisant l’air froid ou les eaux de
surface. À l’inverse, le stockage saisonnier de
chaleur en sous-sol permet le chauffage des
locaux en hiver avec de la chaleur estivale.
Il existe deux principaux types de systèmes
de stockage thermique souterrain (STS) :
le stockage d’énergie thermique en puits
(SETP) et le stockage d’énergie thermique
en aquifère (SETA). De grands réservoirs
d’entreposage souterrains ont été utilisés dans
des projets, mais les coûts de tels systèmes
sont considérés comme plus élevés que
ceux associés aux systèmes SETP et SETA,
ce dernier étant l’option à meilleur coût.
Là où les ressources des aquifères sont
insuffisantes, un système SETP devrait
toujours être considéré.
Plusieurs premiers systèmes SETA avaient
été installés au Canada. Une quantité appréciable d’études ont été publiées et ce travail
pionnier dans le domaine de la technologie
des systèmes SETA a pavé la voie au développement des applications de ces systèmes
au Canada. Ces premiers projets ont permis
aux milieux techniques de surmonter
plusieurs difficultés tout en procurant de
nombreuses occasions d’apprentissage et
d’évolution de la technologie des systèmes
SETA.
Parmi les premiers projets SETA, il y a
eu celui du Scarborough Canada Centre
(superficie de 30 000 m2) dont l’opération
a été amorcée en 1986 et qui étudiait
l’utilisation du SETA pour le refroidissement d’immeubles à bureaux (Hickling,
1989 ; Mirza, 1993). Par la suite, d’autres
thermopompes ont été ajoutées en vue
d’augmenter le refroidissement en période
de pointe et procurer un peu de chauffage.
Le Centre de santé de Sussex (superficie de
plus de 8 000 m2) était un autre projet important mettant en présence un système SETA à
des fins et de chauffage et de refroidissement
(Cruickshanks, 1994). Le système à l’université Carleton est en activité depuis 1990.
Conçu pour procurer du chauffage et du refroidissement, il comporte une thermopompe
fonctionnant à basse température. En 2002, le
système SETA au Pacific Agriculture Research
Centre (superficie d’environ 7 000 m2) a été
mis en place pour le refroidissement et le
chauffage et dont les charges de demande de
pointe sont satisfaites par une thermopompe
(Allen, 2000). Ces installations ont aidé
les communautés des scientifiques et des
ingénieurs à mieux comprendre le fonctionnement des systèmes SETA dans divers types
d’immeubles.
GeoConneXion Magazine 34 Winter / Hiver 2010
Quant aux systèmes SETP, leur développement est plus récent au Canada. L’Institut
universitaire de technologie de l’Ontario
(IUTO) a récemment installé un système
SETP et de thermopompe pour le chauffage
et le refroidissement de plusieurs immeubles
sur son campus. Le système comporte
384 puits et fonctionne à une température
relativement basse. Un projet de système
SETP à énergie solaire comptant 144 puits,
conçu pour atteindre une part solaire de plus
de 90 pour cent, a été commandé en 2007 à
Okotoks en Alberta.
Le présent article porte sur la technologie du
système SETA et en examinera les possibles
bienfaits tout en discutant des questions liées
aux impacts sur les eaux souterraines.
Stockage d’énergie thermique
en aquifère (SETA)
Les figures 1 et 2 illustrent le principe
d’un système SETA typique. Durant l’été,
l’eau froide est pompée du puits (en bleu)
et acheminée au système de ventilation de
l’immeuble pour procurer un refroidissement
direct. En refroidissant l’air, l’eau accumule
de l’énergie thermique et devient plus chaude.
Cette eau chaude est amenée jusqu’au puits
d’eau chaude (en rouge) à un autre emplacement. L’eau chaude est ensuite pompée
du puits afin de circuler dans le système de
chauffage afin de préchauffer l’air d’admission
de l’immeuble. (Dans certains cas, une
thermopompe est ajoutée afin de fournir une
plus grande quantité d’énergie thermique à
l’air.) En transférant de son énergie thermique
à l’air, l’eau refroidit. Cette eau plus froide
est alors retournée au puits d’eau froide.
Le cycle se répète ensuite l’année suivante.
Figure 1 :
Principe du refroidissement par énergie
thermique en aquifère en été avec
l’eau froide stockée durant l’hiver.
Figure 2 : Principe du refroidissement
par énergie thermique en aquifère
en été et du chauffage assisté
par thermopompe en hiver.
Avec un système SETA, l’énergie de
refroidissement accumulée en hiver est
stockée dans la masse d’eau souterraine pour
être utilisée l’été aux fins de refroidissement ;
il est possible de satisfaire en grande partie
aux demandes de refroidissement au cours de
l’été par refroidissement direct en utilisant
l’eau froide stockée au cours de l’hiver
précédent. Cela pourrait se traduire par une
réduction de 75 à 85 pour cent des charges
de pointe comparativement aux technologies
de refroidissement traditionnelles.
Données du système CVCA
du projet pilote :
La chaleur recueillie au cours de l’été au
cours du processus de refroidissement est
stockée également dans l’aquifère pour être
utilisée comme énergie de chauffage pendant
l’hiver. En hiver, les thermopompes à alimentation électrique, lesquelles affichent un
coefficient élevé de performance, assurent
le chauffage des locaux. Cela aura pour effet
de réduire notre dépendance aux énergies
fossiles pour le chauffage des locaux tout en
confiant cette charge de chauffage à l’énergie
électrique dont la production pourrait être
plus propre.
On trouvera ci-après un exemple de projet
SETA dans un immeuble commercial d’une
superficie entre 10 000 m² et 12 000 m².
Les hypothèses de charge et de demande
annuelle de chauffage et de refroidissement
sont les suivantes :
Charge de chauffage
(pointe)
Demande annuelle
de chauffage
Température de calcul –
chauffage
Charge de refroidissement
(pointe)
Demande annuelle
de refroidissement
Température de calcul –
refroidissement
1 800 kW
(6,1 MBtu/h)
2 700 MWh/an
(9 720 GJ/an)
60 – 40ºC
1 100 kW
(310 tonnes)
1 100 MWh/an
10 – 18 ºC
Le système traditionnel typique pour le
chauffage et le refroidissement d’un
immeuble de ces dimensions comporte
des chaudières au gaz pour le chauffage
(3 chaudières de 600 kW chacune) et des
refroidisseurs à compression (deux unités
de 550 kW installées sur le toit). Ce système
traditionnel servira de système de référence
aux fins de comparaison.
Le système SETA fournira une capacité de
refroidissement de base – sans l’apport de la
thermopompe dans le mode refroidissement
– d’environ 500 kW (140 tonnes). Dans
les conditions de charge de refroidissement
de pointe, le système recourra à une thermopompe géothermique de type eau-eau d’une
capacité totale de refroidissement d’environ
600 kW (170 tonnes). Selon les conditions
climatiques, il est estimé que le refroidissement direct procurera jusqu’à 90 pour cent
de la demande annuelle de refroidissement.
Ainsi, la plus grande part de la demande de
refroidissement est satisfaite par le système
SETA, lequel requiert une capacité totale
du puits relativement petite de 50 m³/h
(220 gpm).
GeoConneXion Magazine 35 Winter / Hiver 2010
La méthode de construction des puits pour
un système SETA est similaire aux méthodes
utilisées pour les puits d’eau. Les puits seront
munis d’un écran-filtre en acier inoxydable,
en maille de fils enroulés ou en plastique à la
hauteur de l’aquifère de stockage. L’espace
autour de cet écran est comblé de gravillon.
On installera successivement, entre le haut de
l’écran et le sol, une conduite ascensionnelle
et une chambre de pompage. La chambre de
pompage est constituée d’un tuyau d ainsi
que l’équipement requis pour l’injection. La
construction des puits d’un système SETA
doit respecter ATES les règlements applicables
en matière de forage de puits et être adéquatement documentée.
En raison des conditions climatiques au
Canada, une très grande part de notre consommation d’énergie est vouée à maintenir
une température confortable dans les locaux
habités. Le principe du système SETA
fournit aux professionnels de la gestion de
l’énergie dans les bâtiments une occasion
d’avoir un important impact environnemental
positif.
Répercussions sur les eaux
souterraines
Afin d’optimiser la conception d’un système
SETA, il est nécessaire de bien faire ses
devoirs. Il convient en effet de procéder
à un essai de pompage sur le terrain (qui
doit être conçu en fonction du site) et à une
rigoureuse évaluation des impacts sur les
eaux souterraines.
Parmi les facteurs de succès d’un projet de
mise en place d’un système SETA, mentionnons : une estimation précise des charges
de chauffage et de refroidissement des bâtiments, une bonne connaissance du système
des eaux souterraines et de l’équilibre entre
les puits d’eau chaude et ceux d’eau froide
au fil des saisons. Au sein de cette opération
équilibrée, il ne doit avoir aucun changement
net de la température des eaux souterraines
dans le voisinage des puits du système SETA.
Une autre considération importante est le
fait que, idéalement, l’aquifère devrait être
un aquifère captif de manière que l’énergie
qui y est stockée ne soit pas perdue. De plus,
le débit des eaux souterraines doit être relativement faible de sorte que l’énergie stockée
puisse être récupérée la saison suivante. Par
conséquent, les caractéristiques de l’aquifère
sont un des éléments clés de la faisabilité
d’un système SETA. Bien que des examens
documentaires puissent combler le besoin
initial d’évaluer la probabilité de trouver
un aquifère approprié, le design final et les
spécifications du système SETA ne peuvent
être définis tant qu’un essai sur le terrain n’a
pas été effectué. En règle générale, un essai
de pompage dans l’aquifère, la mesure de la
déclivité et une analyse de la qualité de l’eau
sont requis pour déterminer la conception
d’un système SETA.
Le projet ne doit aller de l’avant que si
l’aquifère est approprié à une application
SETA. Cela exige des essais appropriés
sur le site en vue de réduire les risques à long
terme du projet.
Il faut aussi savoir que l’écoulement,
produit par pompage, des eaux souterraines
d’un ensemble de puits vers l’autre groupe
de puits (et inversé la saison suivante) est
effectué dans des conditions de pressurisation sans exposition à l’atmosphère. Au sein
d’un système SETA bien conçu, aucune contamination des eaux souterraines en raison
d’un écoulement en surface n’est possible.
Une bonne étude hydrogéologique, appuyée
par un essai de pompage et une évaluation
des impacts bien menés, ne sert pas qu’à
satisfaire aux exigences réglementaires et
apaiser les préoccupations environnementales.
Ce niveau de diligence due et de connaissance
du système des eaux souterraines s’impose
pour assurer le succès à long terme d’un
système SETA et sa viabilité financière. Nous
avons ici de cas de figure où les intérêts de la
mise en œuvre de la technologie coïncident
parfaitement avec les exigences existantes en
matière environnementale et réglementaire.
Un exemple de cadre
réglementaire international
Comptant environ 500 systèmes SETA en
activité, les Pays-Bas représentent le mieux,
sans doute, la mise en œuvre de la technologie SETA. Il existe de nombreux autres
projets SETA en Europe, mais aux fins de
cette discussion, nous nous concentrerons
sur le cadre réglementaire dans les Pays-Bas.
Au plan légal, les systèmes SETA installés aux
Pays-Bas doivent respecter deux réglementations. Il y a d’abord la Loi sur la gestion de
l’environnement de 1993 (de nature générale).
Cette loi est la loi fondamentale en matière
de protection de l’environnement ; elle réglemente la pollution de l’air, de l’eau et du sol,
et fixe des objectifs en matière d’efficacité
énergétique et de systèmes énergétiques
durables. La seconde est la Loi sur les eaux
souterraines qui encadre l’extraction et la
qualité (y compris la qualité des réserves
d’eau potable) des eaux souterraines.
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Bienvenue aux nouveaux membres
de la CCÉG
Alberta
Geothermal Utilities
Lakeland College
British Columbia
Island Energy Inc.
Hemmera
Advanced Energy Systems
Integrity Installations Ltd.
Florida, USA
EarthLinked Technologies Inc.
Manitoba
Graph Mechanical Advice Contractor
Ontario
Hanlon Well Drilling Ltd
New Energy Developments Inc.
Abram Sheet Metal Inc.
Encore Geothermal Inc.
Markle Heating & Cooling Inc.
Redmond Williams Distributing
Empire Geothermal Drilling Ltd.
Cool-Aid Mechanical
Enviro Mechanical Ltd.
Pro Trades Mechanical Inc.
BRC Mechanical Inc.
Eco Home Comfort
Ameresco Canada Inc.
MacKinnon Well Drilling Ltd.
New Brunswick
Al Refrigeration
Eastern Well Drillers Ltd.
Collège Communautaire
du Nouveau-Brunswick
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Québec
Climatisation Roul-Air Inc.
Enviroair
Therm-Air Confort
Les Consultants S.M. Inc.
Air-Max Géothermie
Saskatchewan
Regina Geothermal & Solar Inc.
La Loi sur les eaux souterraines est la plus
importante des deux. La Loi confie aux
provinces (12) des Pays-Bas la responsabilité
de veiller à son application. Le problème
c’est que chaque province peut – et, en pratique, c’est bel et bien le cas – appliquer ses
propres exigences spéciales selon la situation
hydrogéologique locale. Il pourrait en être
de même au Canada puisque les compétences
en matière d’eaux souterraines et de gestion
de l’eau relèvent des provinces. (Par contre,
les répercussions sur les eaux navigables
avec de possibles impacts sur la ressource
halieutique sont de compétence fédérale au
Canada.
Les règles générales concernant les systèmes
SETA sont les mêmes partout aux Pays-Bas :
• Réduction des répercussions
sur l’environnement
• Bilan énergétique annuel équilibré
• Imposition de limites sur les quantités
d’eau pouvant être extraites et réinjectées
• Le droit de pomper de l’eau est octroyé
au premier demandeur/détenteur de
permis
• Exigences en matière de surveillance
• Règlements portant sur l’opération
et le rinçage des puits
La taille de l’installation en termes de
capacité de production d’eau est déterminante sur le plan réglementaire. Les installations plus petites (capacité < 10 m3/h) ne
requièrent généralement qu’un simple enregistrement. Pour les volumes plus importants,
un permis en vertu de la Loi sur les eaux
souterraines est nécessaire (exige une
évaluation des impacts).
La demande de permis doit contenir
les renseignements suivants :
• Description du système, nombre de puits
et leur emplacement, matériaux utilisés
pour les puits, débit, quantité d’eau
pompée par année
• Impact hydraulique
• Impact thermique
• Répercussions possibles sur :
Qualité de l’eau
Habitat
Contaminations présentes
Autres utilisateurs (eau potable
ou autres systèmes SETA)
Réserves naturelles
• Économies d’énergie et effets sur
les émissions de CO2
Dans le cas d’installations dont la capacité
atteint ou excède 1 500 000 m3 par année,
la Loi sur la protection de l’environnement
impose de vérifier si une procédure formelle
d’évaluation des impacts environnementaux
(EIE) est nécessaire. Dans le d’installations
d’une capacité égale ou supérieure à
3 000 000 m3, une EIE est obligatoire.
Bien que certaines conditions aux Pays-Bas
et au Canada soient différentes, il n’en
demeure pas moins utile de savoir comment
d’autres compétences ont mis en place un
cadre réglementaire afin de gérer l’exploitation avantageuse de la technologie SETA.
Au Canada, il faudra déployer d’importants
efforts pour que les parties intéressées se
concertent dans le but d’établir des normes
encadrant la mise en œuvre de la technologie
SETA.
Conclusion
Au Canada, les technologies de stockage
souterrain d’énergie thermique sont encore
vues comme nouvelles. Pourtant, elles
promettent de contribuer de manière importante à la réduction des émissions de gaz
à effet de serre. Comme c’est le cas pour
d’autres technologies qui n’en sont qu’au
début de leur commercialisation, il convient
de porter une grande attention aux risques
postulés et aux impacts associés. De
nouveaux projets SETA procureraient aux
professionnels dans le domaine de l’énergie
l’occasion d’en savoir plus sur l’opération
et les capacités de la technologie et, aux
scientifiques, de mieux comprendre les
répercussions de la technologie. L’expérience que nous permettrons d’acquérir
les prochains projets SETA nous donnera
la possibilité de définir un cadre pour
le développement de cette technologie
prometteuse.
GeoConneXion Magazine 37 Winter / Hiver 2010
L’atténuation du changement climatique
est un problème complexe. Il n’existe pas
de solution unique. Il faudra développer et
rendre disponible une multitude de solutions.
Les professionnels de la gestion énergétique
ont un rôle de premier plan à jouer dans la
promotion de solutions innovatrices, telle la
technologie SETA, dans le secteur des systèmes de gestion de l’énergie des bâtiments.
Cela aidera à réduire notre dépendance
envers les énergies fossiles et à nous rapprocher de l’atteinte de nos objectifs en matière
de réduction des émissions de gaz à effet
de serre. ■
Références
Hickling Management Consultants Limited,
« Monitoring and Evaluation of the Aquifer
Thermal Energy Storage Field Trials at
the Scarborough Canada Centre Building ».
Rapport présenté à Travaux publics Canada,
1989.
Mirza, C., Case History of Aquifer Thermal
Energy Storage (ATES). Third International
Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, 1993.
Cruickshanks, F., Sussex Hospital Aquifer
Thermal Energy Storage. Calorstock’94,
6th International Conference on Thermal
Energy Storage, 1994.
Allen, D. M., The Current Status of
Geothermal Exploration and Development
in Canada. World Geothermal Congress,
2000.