Les interférences géochimiques dans les projets de géothermie en système ouvert

Abstract

La transition énergétique impose une diminution de la consommation d’énergies fossiles. La géothermie fait partie des formes d’énergie envisagées pour atteindre cet objectif. Elle permet d’exploiter la chaleur présente dans le sous-sol. Deux principaux types de systèmes géothermiques existent : les systèmes fermés et les systèmes ouverts. Ces derniers reposent sur le pompage et la réinjection d’eau souterraine. Cependant, leur développement peut présenter certaines limites, notamment l’apparition d’interférences géochimiques. Elles peuvent impacter le fonctionnement et la durabilité des installations mises en place, principalement via des problèmes de colmatage des installations. L’étude des interférences géochimiques dans les projets de géothermie en système ouvert constitue l’objectif principal de ce travail de fin d’études. Dans un premier temps, des recherches bibliographiques ont permis d’identifier différents problèmes rencontrés dans les systèmes géothermiques ouverts. Le principal est le colmatage des installations par précipitation de minéraux carbonatés ou de minéraux de fer et de manganèse. Ce phénomène résulte de la variation des paramètres de base de l’eau souterraine. En effet, lorsque l’eau est chauffée pour les besoins énergétiques, sa température varie. De la même façon, lors du pompage, l’eau entre en contact avec l’atmosphère, entrainant la perte de dioxyde de carbone et la dissolution d’oxygène. Ces variations modifient l’équilibre chimique et favorisent la précipitation de certains minéraux. Dans un second temps, le travail se base sur des cas concrets afin d’évaluer l’influence de la composition de l’eau sur le fonctionnement des systèmes géothermiques ouverts. Les sites d’étude correspondent à des projets développés par l’entreprise Artesia. Des échantillons y ont été prélevés et analysés à l’aide du logiciel de modélisation hydrochimique PHREEQC. Cette étude a permis de mettre en évidence l’impact de la variation de plusieurs paramètres sur le risque de colmatage. Les minéraux carbonatés, sensibles aux variations de température, précipitent plus facilement lorsque l’eau se réchauffe. Un pH acide réduit significativement ce risque de précipitation. En ce qui concerne le fer et le manganèse, leur précipitation dépend des conditions rédox du milieu. Les conditions oxydantes ne sont pas uniquement liées à la présence d’oxygène dissous, mais également à la présence d’autres couples rédox comme NH4^+/NO_3^- . Si les conditions oxydantes suffisent à oxyder les métaux avant l’introduction d’oxygène dans le système, le fer et le manganèse seront déjà sous forme de phases minérales dans l’encaissant géologique et ils ne précipiteront pas pendant le pompage. Dans le cas contraire, l’oxygénation de l’eau au cours des opérations de pompage peut entrainer la précipitation des minéraux secondaires associés à ces éléments au sein des équipements géothermiques. Pour finir, ce travail propose plusieurs recommandations pour des futures études. Divers paramètres, tels que la température, le pH et l’oxygène dissous, doivent être mesurés sur le terrain lors du prélèvement des échantillons d’eau. La mesure de ces paramètres est nécessaire pour connaître les conditions du milieu et prédire le risque de colmatage. De plus, il est important que les concentrations totales et dissoutes de fer et de manganèse soient analysées en laboratoire. Ces mesures rendent compte de l’état d’oxydation du milieu naturel.