Réseaux de chaleur/froid urbains de rive de Seine. Mise à jour du schéma minier.

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Réseaux de chaleur/froid urbains de rive de Seine. Mise à jour du schéma minier.

Objectif

Redimensionnement du schéma minier à la lumière des essais et observations piézométriques de la nappe de la Craie, des variations de niveau de la Seine, des nouvelles implantations puits et centrale ainsi que des impacts thermodynamiques de l’injection, en premier lieu les risques de percée thermique et, enfin, la capacité de résilience thermique de la nappe consécutive à l’arrêt de l’exploitation.

Contexte

A partir des relevés de niveaux et températures enregistrés sur les 4 piézomètres d’observation de la nappe de la Craie implantés sur le périmètre de la zone d’étude (Figures 1 à 4) il a été possible d’établir le constat suivant :

  • – En dehors de l’épisode de « crue », observée en décembre, le niveau stabilisé de la nappe sur l’Ile Seguin est proche de 27 mNGF.
  • – La Seine est une limite de recharge de la nappe, la piézométrie diminuant dès que l’on s’écarte du fleuve.
  • – La différence de niveau piézométrique entre l’Ile Seguin et le Nord du Trapèze est inférieure à 1 m en période stabilisée.
  • – La température mesurée dans les alluvions (10 m/sol) aux piézomètres PZ2, PZ3 et PZ4, proches du fleuve, montre un déphasage compris entre 3 et 4 mois par rapport à la température du fleuve (minima atteints en janvier février et maxima en août).

Demande énergétique

Débit maximum

Le débit maximal objet est voisin de 1 400 m3/h, atteint en été à partir de 2019/2020. Il correspond à une production de froid supérieure à 20 MWth environ. L’impact piézométrique maximal sera simulé, à ce débit d’exploitation, à l’état stationnaire.

Bilan énergétique

Le bilan des quantités d’énergies prélevées ou évacuées sur l’eau de nappe est calculé suivant un pas de temps mensuel, pour la période courant du 1er janvier 2013 au 31 décembre 2030. L’augmentation progressive des appels de froid et de chaud sur les réseaux aboutira à partir de 2020, à une évacuation d’environ 32 000 MWh dans la nappe en été de froid, et un prélèvement d’environ 16 000 MWh en hiver soit la moitié du prélèvement (Figure 6) de froid. Les températures d’injection s’abaissent à 5 °C en hiver et s’élèvent à 24 °C en été, cette dernière fixée par la température de consigne au condenseur. La température initiale de la nappe est de 15°C. Le débit est assigné à être maintenu continu et constant sur l’espace de temps mensuel des simulations.

Nombre de forage

Conformément aux débits limites et compte tenu du débit maximal annoncé, proche de 1 500 m3/h, le nombre de forages a été fixé à :

Production : 4 forages, Quai de Seine
Réinjection :5 forages, en aval hydraulique
TOTAL9 forages

Des débits moyens pour la simulation de l’exploitation thermique de la nappe ont été calculés prenant en compte appels de puissances instantanées (Figure 5) et températures de nappe variables (Figure 4). La séquence des débits moyens est représentée dans la Figure 6.

Modélisation

La grille de discrétisation, consignée en Figure 7, inclut une couche supplémentaire représentative des alluvions sous jacentes au fleuve et connectées à la Craie. Son épaisseur a été fixée à 8,5 m.

De nombreuses parois moulées ont été réalisées lors de l’aménagement du Trapèze. Elles atteignent la Craie saine non fracturée à la profondeur d’environ 40 m/sol et agissent comme des barrières imperméables à l’écoulement (Figure 7).

Par défaut, pour la simulation, elles sont implantées pour chaque ilot du trapèze. Si des informations relatives à l’absence de parois moulées sont disponibles, les parois sont retirées sur les ilots correspondants.

Simulations numériques

Le calage du simulateur a consisté à recalculer le niveau piézomètrique initial de la nappe représenté en Figure 8 établie à partir des relevés des 4 piézomètres d’observation.

L’impact hydraulique maximal correspond au niveau dynamique stationnaire dans la nappe de la Craie au moment du pic de débit en été, d’environ 1 500 m3/h. On représente l’impact en termes de rabattement, calculés par rapport à l’état initial (Figure 9).

Dans un rayon de 100 mètres environ autour des forages de réinjection, une remontée du niveau piézométrique supérieure à 1 m pourra être observée.

Les impacts thermiques à la fin des cycles de chauffage et de climatisation sont représentés à différentes périodes suivant la mise en exploitation en Figure 10. Elles illustrent les états de plus grande propagation des bulles chaudes et froides en direction des puits de production..

La Figure 11 image l’extension du panache thermique dans le sens d’écoulement de la nappe. On peut y constater une variation de température de +7°C à 550 m et de +3,5°C à 1 km en aval des puits injecteurs. Cette situation illustre le déséquilibre entre production de chaud et de froid qui n’est que partiellement compensé par la dilution induite par l’hydrodynamique de la nappe.

Arrêt de l’exploitation

La dispersion du panache thermique à l’issue de la phase d’exploitation est également simulée. On y constate que l’écart de température s’estompe à moins de 2°C au dessus de la température initiale après 16 mois. L’écart est inférieur à 1°C après 2 années d’arrêt de l’exploitation (Figure 13).

Conclusion

Le dimensionnement de l’exploitation géothermique de la nappe de la présente les caractéristiques suivantes :

Débit maximal d'exploitation : 1370 m3/h (à partir de 2019)
Nombre de forages de pompage :4
Nombre de forages de réinjection : 5
Température de pompage :15°C
Température de réinjection – été : 30°C
Température de réinjection – hiver : 5°C
Chaleur évacuée par été : 32 000 MWh à partir de 2020
Chaleur prélevée par hiver : 16 000 MWh à partir de 2020

les simulations mises à jour, ont permis de déterminer l’évaluation des impacts hydrauliques et thermiques. L’impact du panache thermique est peu important du fait d’une augmentation de débits compensée par la diminution de température de réinjection en été.

En conclusion de la conclusion l’impact de l’exploitation sur la nappe s’établit comme suit :

Remontée du niveau piézométrique :moins d'1 m à plus de 100 m des forages d'injection
Rabattement :inférieur à 1 m autour des forages de production
Extension du panache thermique :Extension du panache thermique : +7 °C à 550 m
+3,5°C à 1 km
+1°C à 2 km
-Durée de retour à la température initiale :environ 3 années
Figure 1 : Emplacement des piézomètres (source : ANTEA, 2010)
Figure 3 : Variations relatives des niveaux dans la nappe de la Craie et de la Seine - côte au pont de la Tournelle (données Service Navigation de la Seine)
Figure 2 : Variations du niveau de la nappe mesurées aux piézomètres
Figure 4 : Evolution de la température à 10 m/sol dans les piézomètres
Figure 5 : Evolution des rejets mensuels (source : IDEX)
Figure 6 : Variation du débit moyen mensuel d'exploitation (source : IDEX)
Figure 7 : Grille de discrétisation du domaine aquifère
Figure 8 : Niveau piézométrique de la nappe de la Craie, hors pompage et injection
Figure 9 : Modification du niveau piézométrique dans la nappe de la Craie au débit d'exploitation maximal de 1 500m3/h

Figure 10 : Température dans la nappe de la Craie en 2016, 2021, 2026 et 2035 (à la fin des cycles de chauffage et climatisation)

Figure 11 : Extension du panache thermique en amont des forages d'injection au 1er juin 2035
Figure 12 : Profil de température le long du panache thermique en aval des forages d’injection
Figure 13 : Evolution du panache thermique après arrêt de l’exploitation
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