La Suisse compte environ 2200 communes. Chacune d’entre elles dispose d’une infrastructure locale nécessitant de l’électricité, du gaz naturel, du pétrole et d’autres sources d’énergie. Les décisions des politiciens locaux ont ainsi une grande influence sur la consommation énergétique nationale. Weiterlesen
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2 Vote(s), Durchschnitt: 5,00Loading...L’exploitation de notre sous-sol, notamment par des opérations d’injection dans le cadre de projets de géothermie ou stockage du CO2, semble prometteuse. Mais comment limiter la menace de séismes provoqués par ces activités? Des chercheurs de l’EPFL et de l’Office fédéral de l’énergie se sont penchés sur le sujet.
Tous les tremblements de terre ne sont pas d’origine naturelle. Certaines secousses sont directement ou indirectement déclenchées par des activités humaines. Ces «séismes induits» font partie des plus grands défis liés aux opérations d’injection de fluides (liquides ou gazeux) dans les sous-sols, telles que les projets de géothermie profonde ou le stockage du CO2.
Des chercheurs du Laboratoire de mécanique des sols (LMS) de l’EPFL et de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) ont uni leurs forces pour proposer de nouvelles stratégies qui permettraient de réduire les risques de séismicité induite liés à ces activités. Leur travail est publié dans la revue Geophysical Journal International.
Un entraînement personnalisé pour la géothermie profonde
Suite aux séismes de Bâle en 2006 et de Saint-Gall en 2013, la géothermie profonde, et plus particulièrement le Système Géothermique Stimulé (SGS), fait débat en Suisse. Durable, renouvelable et neutre en carbone, l’énergie géothermique est pourtant une piste à explorer en vue des ambitions zéro carbone et de la stratégie énergétique 2050 de la Suisse.
Le principe du SGS est de créer artificiellement un réservoir géothermique dans des roches chaudes sèches et imperméables à 3 kilomètres ou plus de profondeur. Pour ceci, on a recours à des injections hydrauliques sous pression, appelées «stimulations». Le problème est que celles-ci peuvent s’accompagner d’une activité microsismique.
En effet, lorsque l’on injecte un fluide dans un réservoir géothermique, la pression interstitielle (pression exercée par l’eau contenue dans les pores de la roche) augmente. «On pense souvent que c’est uniquement ce phénomène qui est à l’origine des séismes induits. Or, ce n’est pas si simple», explique Barnaby Fryer, assistant-doctorant au LMS et premier auteur de l’étude. «Le régime de contraintes tectoniques, c’est-à-dire la géométrie et le sens de mouvement de la faille, entre également dans l’équation».
Un numéro d’équilibriste
Il existe trois types de régimes de contraintes: extensif (les deux blocs sont tirés dans des directions opposées), compressif (les deux blocs sont comprimés l’un contre l’autre) et coulissant (les deux blocs coulissent horizontalement). Ces régimes sont la conséquence des forces exercées verticalement et horizontalement sur les blocs rocheux.
Images: Barnaby Fryer, LMS/EPFL
De gauche à droite: régime extensif, régime compressif, régime coulissant
Les scientifiques de l’EPFL et de l’Office fédéral de l’énergie sont partis du constat que plus la contrainte différentielle est faible (c’est-à-dire que les contraintes maximales et minimales sont proches en amplitude), plus la faille est stabilisée et, par conséquent, plus le risque de tremblement de terre est faible. «La question qui se pose donc est: quel est le régime de contrainte auquel est soumis le réservoir et de quelle manière peut-on l’influencer afin de limiter les événements mouvements sismiques de grande ampleur?», souligne Gunter Siddiqi, chef adjoint de la section Recherche énergétique de l’OFEN et deuxième auteur de l’étude.
Les chercheurs proposent donc une sorte d’entraînement du réservoir géothermique en amont des stimulations. Dans le cas d’une faille inversée, où la contrainte horizontale domine, un fluide froid est injecté dans le sous-sol pendant une longue période (un an au minimum). «Le refroidissement du réservoir va entraîner une contraction de la roche et donc permettre de diminuer la force horizontale exercée sur elle», détaille Barnaby Fryer. «La contrainte différentielle étant moins importante, les risques de tremblement de terre seront moindres».
Mettre la pression
Contrairement à ce que l’on peut penser, l’injection à haute pression n’est pas toujours synonyme de sismicité. «Dans presque tous les réservoirs, seule la contrainte horizontale change de manière significative», décrit Barnaby Fryer. «Dans un régime extensif, la contrainte verticale est plus importante que la contrainte horizontale. De ce fait, si on augmente la pression interstitielle en injectant un liquide, la contrainte horizontale va augmenter et se rapprocher de la valeur de la contrainte verticale, diminuant ainsi la différence entre les deux.»
Cette opération va stabiliser la faille, à condition de la réaliser dans un réservoir où les contraintes réagissent de manière significative au changement de pression interstitielle. «C’est pourquoi il est important de connaitre les propriétés d’un réservoir avant toute opération d’injection», précise le chercheur.
Des enjeux importants
Selon Gunter Siddiqi, cette étude met en place des modèles qui donnent aux industriels les outils pour minimiser les risques de séismes induits. «Être capable de prendre en compte tous les scénarios et d’agir en fonction pourrait permettre de développer des projets prometteurs», conclut le scientifique.
Julie Haffner, EPFL Mediacom
Cet article a déjà été publié sur le site internet de l’EPFL.
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Noch keine BewertungenLoading...«Le thème de la récupération de la chaleur des sols avait été abordé dans le numéro 5/14 (page 12) du magazine energeia. Le professeur Lyesse Laloui présentait alors son programme de recherche. Cet article de l’EPFL présente l’évolution de cette technologie depuis celui paru dans energeia.»
Des chercheurs de l’EPFL sont parvenus à quantifier avec précision les échanges de chaleur dans un tunnel. En appliquant leurs calculs à la future ligne de métro M3 de Lausanne, ils ont estimé l’économie d’énergie que ferait la ville en équipant le tunnel d’un système géothermique. Il s’agirait d’une première mondiale.
Dans un tunnel abritant un train ou un métro, les échanges de chaleur sont nombreux. Lorsque le métro freine et accélère, par exemple, le tunnel connaît un pic de chaleur. Cet air chaud se mélange à l’air naturellement présent dans le tunnel et à la chaleur émanant du sol.
Le calcul de la chaleur provenant de l’air était jusqu’ici effectué de manière imprécise par les ingénieurs. Les chercheurs du Laboratoire de mécaniques des sols (LMS) de l’EPFL viennent de corriger ceci dans une étude parue dans la revue Applied Thermal Engineering. Les ingénieurs sont en effet parvenus à donner une estimation précise de ce coefficient-clé, appelé le coefficient de convection thermique.
Cette découverte ouvre la voie à l’exploitation d’un tunnel géothermique au bénéfice des bâtiments situés en surface. Les chercheurs ont d’ailleurs testé leurs calculs sur le cas du tunnel du futur métro lausannois, le M3, amené à relier la gare centrale au nord de la ville (quartier de la Blécherette).
Alimentation de 1500 appartements
«Nos recherches montrent qu’en utilisant 50 à 60% du tracé planifié, 60’000 m2 du tunnel pourraient être activés avec ce système géothermique et alimenter en chaleur 1500 appartements standards d’une taille moyenne de 80m2 et 4000 appartements Minergie», explique Margaux Peltier, assistante scientifique au LMS dont le projet de Master est à l’origine de la publication. Ce système a l’avantage de pouvoir stocker de la chaleur et la diffuser en temps voulu dans les logements. «La ville éviterait l’émission de 2 millions de tonnes de CO2 par an, comparé à un système de chauffage au gaz», ajoute la chercheuse dont le calcul n’a pas tenu compte des gares du métro ni du dépôt des rames, prévu au nord de la ville, qui pourraient aussi bénéficier de cette énergie.
Dans les infrastructures souterraines, la température de l’air tend à retrouver sa stabilité et à rejetter en surface la chaleur et la fraîcheur excédentaires. Ce rejet se traduit par des mouvements d’air chaud que l’on ressent parfois en passant près d’une bouche de métro. C’est ce phénomène physique que comptent exploiter les ingénieurs, en complément de la chaleur naturellement présente dans le terrain.
Concrètement, les chercheurs proposent d’introduire des tubes de plastique dans la structure en béton du tunnel du métro à intervalles réguliers et de les relier à une pompe à chaleur. Un fluide calorifique ou, tout simplement, de l’eau, serait ensuite introduit dans les tubes, à l’image d’un frigo. En introduisant de l’eau froide dans les tubes du tunnel durant l’hiver, c’est de l’eau chaude que le système rejettera en surface, et inversément durant l’été. L’équipement géothermique du tunnel présenterait un investissement et une énergie grise négligeables, précisent les chercheurs, pour une durée de vie allant de 50 à 100 ans. Seules les pompes à chaleur devraient être remplacées toutes les 25 ans.
Chauffage et climatisation
Une fois équipé, le tunnel aurait l’avantage de chauffer les appartements alentours en hiver, en assurant jusqu’à 80% des besoins énergétiques. Les besoins restants seraient complétés, idéalement, par une autre énergie renouvelable. En été, et c’est là la singularité de ces géostructures, les appartements pourraient aussi être refroidis par le système géothermique: «Le tunnel offrirait un système de chauffage et de climatisation très fiable toute l’année», indique Margaux Peltier, qui souligne que le cas lausannois offre un grand potentiel de climatisation. Le système pourrait notamment servir à refroidir la patinoire prévue dans le futur écoquartier «Métamorphose».
«Cette publication montre que la technologie des tunnels énergétiques est mature et que nous pourrions l’exploiter au niveau d’un quartier», précise Lyesse Laloui, directeur du LMS. «Reste à savoir si l’industrie suisse est prête à jouer le rôle de pionnière en la matière car seuls des tronçons-tests ont été exploités à ce jour dans le monde.» A noter que les chercheurs ont présenté les résultats de leur étude aux Services industriels de Lausanne, aux Transports Lausannois (TL), au Canton de Vaud, le maître d’œuvre du futur métro, et à la Ville de Lausanne.
Sandrine Perroud, Mediacom EPFL
L’article a été publié dans les actualités de l’EPFL en juin 2019
Image: EPFL
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