Simulation d'un réservoir de sédimentation appliqué à un système géothermique ouvert

Les systèmes géothermiques ouverts de basse température font partie des sources d’énergie renouvelable utilisant directement l’eau souterraine comme fluide caloporteur. Parmi eux, les systèmes de puits à colonne permanente et puits d’injection, couplés à une pompe à chaleur, peuvent subvenir de façon efficace aux besoins en chauffage et en climatisation de bâtiments, notamment en période de pointe. De par la présence de matière organique et inorganique dans l’eau souterraine opérée par un système ouvert, l’utilisation du puits d’injection est délicate et sujette dans certains cas à des phénomènes de colmatage. En partie provoqué par la présence de particules solides provenant du roc entourant le puits à colonne permanente, le colmatage des puits d’injection peut induire des pertes de performance du système global non désirable et des besoins de maintenance supplémentaires. De ce fait, ce mémoire présente l’étude d’un réservoir de sédimentation, considéré comme une potentielle solution passive permettant de réduire la quantité de particules solides allant au puits d’injection d’un système géothermique ouvert, afin de prévenir d’éventuels phénomènes de colmatage. Suite à une revue exhaustive des différents types de réservoirs de sédimentation, des principaux comportements de ces derniers et des différentes approches de modélisations existantes, un modèle numérique 3D d’un réservoir de sédimentation a ainsi été réalisé sur la base de données expérimentales typiques de puits à colonne permanente et de puits d’injection. Il s’agit alors d’un modèle multiphasique à phases dispersées capable de prédire l’écoulement turbulent, le transport de sédiments, ainsi que le processus de sédimentation dans un réservoir. Validé sur la base de données expérimentales provenant de la littérature et se rapprochant des conditions de fonctionnements attendues, le comportement du modèle a par la suite été analysé pour différentes géométries potentielles de réservoirs de sédimentation et pour différentes données expérimentales typiques de puits à colonne permanente et de puits d’injection. Les impacts du débit d’entrée et de la taille des particules sur le processus de sédimentation et sur l’efficacité du réservoir ont notamment été analysés. De même que l’impact de la longueur du réservoir et de l’ajout de déflecteurs. Les résultats obtenus mettent en avant la capacité d’un réservoir de sédimentation à réduire la quantité de particules solides allant au puits d’injection, permettant ainsi de réduire l’apparition des phénomènes de colmatage. En effet, avec des efficacités de réservoir variant de 46.8% à 85% et une capacité à récupérer 100% des classes de particules de plus gros diamètre, il existe un réel potentiel de réduction des phénomènes de colmatage.

Abstract

Ground heat exchanger used with heat pumps has the potential to lower energy consumption and greenhouse gas emissions. In particular, the standing column well, which is a category of ground heat exchanger that uses directly the groundwater as the heat transfer medium. Standing column wells are usually coupled with an injection well to enhance the advection process and the overall efficiency of the geothermal system during peak power periods. Due to the sediment load present in groundwater, water reinjection tends to clog the aquifer, making it less permeable, and in the worst case, leading to undesirable overflows. To avoid this problem, the use of a sedimentation tank placed before the injection well is investigated. To assess the feasibility of this solution, a fully coupled numerical model has been developed based on standard standing column wells conditions and on laboratory analysis performed on sediments. The model is capable to predict the fluid dynamics and settling processes inside a tank. A validation of the numerical model has been done based on experimental data from the literature. After that, the behavior of the tank and the capacity of the tank to collect sediments have been investigated for different flow rates and different geometries. Results show that a conventional sedimentation tank can reduce the sediment concentration in the groundwater returned to the aquifer for different flow rate conditions. Indeed, with tank efficiencies ranging from 46.8% to 85% and a capacity to recover 100% of the largest particles, there is real potential for reducing clogging phenomena. The tank behavior is also consistent with the literature. At a higher flow rate, the efficiency of the tank is lesser than a low flow rate. Bigger particles are more likely to settle. Also, an increase of the efficiency appears with an increase of the length of the tank. Results also show that for the typical inlet hydraulics and sediments properties used, inlet baffles seem to enhance tank efficiency, reducing the inlet kinetic energy of the flow and keeping a low footprint. Finally, a practical conclusion on the capacity of a sedimentation tank to reduce the sediments going to an injection well of an open-loop geothermal system is presented. Also, advice on the use and the limits of the model for future experimental validations are given.