Plateforme pour l’eau, le gaz et la chaleur
Munich, la chanceuse! À env. 2000 à 3500 mètres sous la capitale bavaroise se trouve une couche de calcaire (couche du Malm) dans laquelle circule de l’eau entre 70 et 130 degrés (fig. 1). Les services techniques de Munich encouragent le recours à la géothermie avec six installations et l’utilisent dans le réseau de chaleur à distance pour chauffer des bâtiments ainsi que pour produire de l’électricité. Jusqu’en 2040, plus de 60% des besoins en chaleur de la ville de Munich devraient être couverts par la chaleur à distance, principalement par la géothermie profonde (voir encadré 1).
«Depuis la Suisse, nous regardons presque avec envie ce modèle qui recours à une géothermie profonde, déclare Martin Saar, professeur pour l’énergie géothermique et les géofluides à l’ETH Zurich. Malheureusement, la Suisse ne possède pas la même géologie que Munich.» La couche du Malm est certes présente dans des parties du sous-sol suisse. On la trouve cependant souvent à de grandes profondeurs, elle est compacte à de nombreux endroits et largement imperméable à l’eau. Les zones suffisamment perméables (appelées réservoirs) n’existent que de manière sporadique, là où la roche présente des pores et surtout des fissures qui n’ont pas encore été obturées par la forte pression exercée par la roche située au-dessus.
Un concept de forage spécial pourrait aider à trouver des couches aquifères en Suisse. Pour cela, on fore d’abord en profondeur, avant de prolonger le forage horizontalement dans différentes directions sur plusieurs centaines de mètres. Ce système incluant plusieurs forages horizontaux augmente les chances de tomber sur des zones aquifères. Les forages horizontaux sont coûteux. Il est donc important d’utiliser des techniques de forage moins onéreuses. L’une de ces techniques de forage est le «Directional Steel Shot Drilling» (DSSD). On utilise ici de la grenaille d’acier (cf. encadré 2). Cette technique de forage, actuellement développée par l’entreprise néerlandaise Canopus Drilling Solutions B.V., est au cœur du projet de recherche «DEPLOI the HEAT». Des partenaires internationaux collaborent à ce projet sous la direction de Canopus. La partie suisse a été réalisée par l’ETH Zurich et financée par l’OFEN dans le cadre du programme P+D. Le projet fait partie de GEOTHERMICA, une initiative européenne de recherche, qui examine différentes questions liées à l’utilisation de la géothermie. Dans le cadre de «DEPLOI the HEAT», la technologie DSSD a été testée par des chercheurs de l’ETH dans la galerie d’essai de Hagerbach, au sud-est de Flums (SG).
Deux forages horizontaux de 125 mètres de long ont été réalisés dans le calcaire de la galerie d’essai avec cette technologie de forage (fig. 4). «Ces tests de forage nous ont permis de montrer que la technologie DSSD peut être intégrée sans problème dans les opérations de forage traditionnelles», explique Andreas Reinicke, qui a dirigé le projet de l’ETH et travaille désormais pour l’institut de recherche néerlandais TNO. De plus, de nouvelles connaissances ont été acquises concernant le fonctionnement stable et optimal de la circulation de la grenaille d’acier lors des opérations de forage. Grâce à la technologie DSSD, la vitesse de forage a été multipliée par 3 à 4. La technologie DSSD perce ainsi la roche dure (par ex. le calcaire, voire le granit) à 20 m/h, contre 5 m/h pour une méthode de forage classique (fig. 5). Le système DSSD est entre-temps disponible dans le commerce pour des forages horizontaux jusqu’à 500 m environ. La technique de forage à la grenaille d’acier doit encore être améliorée afin de pouvoir être utilisée à des fins commerciales dans des forages profonds. Un fluide de forage avec 0,5% en volume de grenaille d’acier a été utilisé dans la galerie d’essai. Une augmentation de 2% en volume permettrait d’accroître encore la vitesse de forage et de forer efficacement dans de la roche particulièrement dure. Le système spécial de forage à la grenaille d’acier permet en outre de contrôler le trépan, ce qui a fait l’objet d’une démonstration dans la galerie d’essai de Hagerbach. Dans la galerie d’essai, une déviation pouvant atteindre 20 degrés pour 100 mètres de forage a été obtenue; à l’avenir, elle pourrait atteindre 45 degrés pour 100 mètres. Des paramètres ont par ailleurs été optimisés pendant les essais afin de garantir un nettoyage suffisant du trou de forage (expulsion des déblais de forage et de la grenaille d’acier).
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Une étude partielle menée dans le cadre de «DEPLOI the HEAT» a évalué dans quelle mesure la technologie DSSD permettrait d’améliorer à l’avenir les quantités de chaleur géothermique produites. Dans cette perspective, la chercheuse Paromita Deb, qui faisait alors partie du groupe «Énergie géothermique et géofluides» de l’ETH Zurich, a développé une technique de modélisation numérique. Elle a utilisé des données géologiques provenant de Genève et de Lausanne pour générer près de 1000 variantes virtuelles d’informations sur du calcaire fracturé, puis a simulé l’impact potentiel des forages horizontaux DSSD sur les débits, la puissance thermique et la rentabilité dans ces différents scénarios géologiques.
Selon les modélisations, les configurations comprenant jusqu’à trois forages horizontaux permettent de très nettes augmentations de la production de chaleur (rendement thermique pouvant être multiplié par deux; fig. 6). Par rapport aux méthodes de forage traditionnelles, la technologie DSSD permet également une réduction nette des coûts de forage, les économies augmentant avec le nombre de forages horizontaux. Cependant, le nombre de forages horizontaux ne peut pas être augmenté sans limite, car les avantages ne justifient alors plus les coûts. Au total, les résultats confirment que la technologie DSSD constitue une solution prometteuse pour améliorer non seulement la performance, mais aussi l’efficacité économique des forages géothermiques.
Le projet de recherche de l’ETH a été soutenu financièrement par les Services Industriels de Genève (SIG) et les Services Industriels de Lausanne (SIL), qui ont également fourni des données. «Des progrès notables ont été réalisés dans le cadre du projet de recherche, et nous sommes convaincus que nous pourrons exploiter la technologie DSSD d’ici quelques années», déclare Michel Meyer, responsable des solutions de chaleur et de la géothermie au sein des SIG.
À court terme, SIG mise toutefois sur les forages traditionnels. La raison: selon l’expert de SIG, M. Meyer, la technologie de forage DSSD n’est pas encore prête à être utilisée dans un environnement géologique complexe comportant du calcaire fortement fracturé avec de nombreuses zones karstiques et de forts écoulements artésiens, comme on en trouve dans la région de Genève. À moyen terme, la technologie DSSD présente toutefois un fort potentiel (voir encadré 3).
Paromota Deb, l’ancienne chercheuse de l’ETH, travaille depuis chez Swiss Geo Energy, une société de géothermie fondée en 2019, dont le siège se situe à Payerne. De son point de vue également, la technologie DSSD sera intéressante à moyen terme pour toute la Suisse en tant que solution de forage: «Même si la Suisse romande est actuellement particulièrement active dans le domaine de la géothermie, cette technologie présente un potentiel similaire pour l’ensemble de la Suisse, notamment pour des solutions de production de chaleur.»
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Informations complémentairesRapport finalLe rapport final, rédigé en anglais, du projet «Demonstrate production enhancement through low cost directional steel shot drilling for district heating – CH» (DEPLOI the HEAT – CH) OFEN: renseignements sur le projet et autres projets liés à la géothermiePour tout renseignement sur le projet, veuillez contacter Stefano Benato, directeur externe du programme de recherche Géoénergie de l’OFEN. D’autres articles spécialisés sur des projets de recherche, de démonstration, des projets pilotes et des projets phares dans le secteur de la géothermie. ETH: projets de recherche sur la géothermieD’autres projets de recherche du groupe «Énergie géothermique et géofluides» (GEG) de l’ETH Zurich sont disponibles sur. |
Encadré 1
D’un point de vue géologique, nous, les humains, vivons sur une boule de feu: 99% du volume du sol affiche une température supérieure à 1000 °C. La surface de la Terre n’est pas aussi chaude: à 1000 m de profondeur, la température de la Terre est d’env. 40 °C, à 2000 m, d’env. 70 °C et à 5000 m, d’env. 150 °C. Pour exploiter la géothermie profonde, les principales approches suivantes sont envisagées:
La géothermie hydrothermale vise les couches rocheuses chaudes et perméables à l’eau (réservoirs). Lorsque ces réservoirs sont forés et traversés par de l’eau, la chaleur géothermique peut être acheminée à la surface et utilisée pour le chauffage ou pour la production d’électricité (par le biais d’une turbine à vapeur et d’un générateur). La technologie de forage DSSD pourrait être utilisée à l’avenir pour exploiter les réservoirs. Défi clé: plus le forage est profond, plus la probabilité de trouver des réservoirs suffisamment perméables est faible.
La géothermie pétrothermale vise les couches rocheuses très profondes (jusqu’à 6 km) et imperméables. La perméabilité de la roche est obtenue par stimulation hydraulique (injection d’eau). De l’eau circule dans les fissures ainsi créées, acheminant ainsi la chaleur géothermique à la surface. Défis clés: La stimulation ne doit déclencher aucun séisme significatif. En outre, les fissures créées artificiellement ont tendance à se boucher sous l’effet des dépôts minéraux.
Comme les systèmes pétrothermaux, les AGS visent les roches imperméables, sans recourir toutefois à la stimulation hydraulique. Au lieu de cela, plusieurs trous de forage (verticaux) à grande profondeur (de 5000 à 8000 m) sont reliés par des forages horizontaux (loops). Lorsque l’eau circule dans ces boucles, elle absorbe la chaleur géothermique et l’achemine à la surface. Défi clé: coûts de forage très élevés.
Encadré 2
Pour forer dans le sol, on utilise habituellement, pour simplifier, un trépan qui creuse la roche, et un fluide de forage (eau et additifs) qui évacue les débris de roche. Cela vaut également pour le «Directional Steel Shot Drilling» (DSSD), ou forage directionnel à la grenaille d’acier en français. Avec la technologie DSSD, de la grenaille d’acier d’env. 1 mm de diamètre est ajoutée au fluide de forage, acheminée vers la tête de forage et renvoyée à la surface avec les déblais de forage (fig. 2 et 3). Dans la tête de forage, la grenaille percute la roche à grande vitesse et la brise ou la fragilise pour que le trépan puisse ensuite l’enlever plus facilement. La grenaille représente 0,5 à 2% en volume du fluide de forage, soit env. 6 millions de billes par minute pour un débit de 400 l/min et 1% en volume. Le fluide de forage s’écoule dans un circuit fermé et les pertes de grenaille sont minimes.
Les premiers essais de forage avec la grenaille d’acier ont été menés dès les années 1970, à l’époque dans le but de percer des roches très dures. Le procédé a ensuite été perfectionné par le groupe énergétique Shell pour réaliser des forages de petit diamètre (de 4 à 8 pouces, soit 10 à 20 cm). L’entreprise néerlandaise Canopus a adopté cette technologie il y a près de six ans afin de pouvoir réaliser à moindre coût des forages géothermiques directionnels de petits (4 à 6 pouces) et moyens diamètres (8 à 10 pouces). L’aspect innovant de la technologie Canopus réside non seulement dans l’utilisation de grenaille d’acier, mais aussi dans la nouvelle commande par capteur de la tête de forage (directional control): la concentration de la grenaille d’acier est ajustée en fonction de la rotation du trépan; le puits de forage est plus profond d’un côté que de l’autre, et le trépan se déplace dans la direction où la profondeur est la plus importante. Ce système est très efficace et permet de changer rapidement de direction. Un système de mesure commande et contrôle la direction du forage.
Encadré 3
Les forages géothermiques dans la couche du Malm offrent une approche permettant d’exploiter le potentiel géothermique de la Suisse. Il existe également d’autres approches prometteuses pour utiliser l’énergie géothermique provenant d’autres couches rocheuses. Certaines installations géothermiques sont déjà en service et fournissent aujourd’hui de la chaleur avec succès, apportant ainsi une contribution importante à l’approvisionnement énergétique durable. Lorsque la technologie DSSD sera arrivée à maturité, elle pourrait aussi être utilisée pour d’autres types de roches que la couche du Malm.
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