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Le potentiel inexploité des puits géothermiques désaffectés
L'énergie géothermique est depuis longtemps une source fiable de faible intensité de carbone et de chaleur, mais chaque champ géothermique finit par se retrouver face à une réalité : les puits doivent être désaffectés. Des dizaines de milliers de puits géothermiques ont été forés dans le monde entier, des champs à haute température de l'Islande aux ressources modérées de l'ouest des États-Unis et des bassins sédimentaires de l'Europe. Ces puits atteignent la fin de leur vie productive, ils deviennent des responsabilités environnementales.
Le déclassement traditionnel, qui se rattache au ciment et abandonne l'équipement de surface, est coûteux et laisse souvent intacte l'infrastructure souterraine.Cette approche gaspille les investissements considérables dans le forage et les connaissances thermiques, hydrauliques et géologiques uniques acquis au cours de l'exploitation. Aujourd'hui, les chercheurs et les ingénieurs explorent des méthodes pour réutiliser ces puits pour le stockage de l'énergie, la surveillance, l'injection de fluides, voire l'extraction minérale.
Comprendre les puits géothermiques désaffectés
Les puits géothermiques sont généralement forés à des profondeurs de 1 à 4 kilomètres, puisés dans des réservoirs d'eau chaude ou de vapeur pour produire de l'électricité ou pour le chauffage direct. Un puits standard est constitué d'un caisson en acier cimenté dans le forage, avec une gaine de production dans la section du réservoir. Au cours de sa vie opérationnelle, le puits subit des cycles thermiques, des écailles chimiques et des contraintes mécaniques.
Le processus de déclassement classique consiste à enlever l'équipement de forage, à nettoyer le puits et à le remplir à plusieurs intervalles de connexion avec le ciment. Les installations de surface sont démontées et le site est restauré. Ce processus peut coûter entre 100 000 $ et 500 000 $ par puits, selon la profondeur et l'emplacement. À l'échelle mondiale, des milliers de puits ont été désaffectés et des centaines d'autres sont en fin de vie chaque décennie.
Techniques de valorisation innovantes
Au lieu de sceller les puits de façon permanente, de nouvelles approches visent à les transformer en actifs productifs. Ci-dessous sont les techniques les plus prometteuses, chacune avec des exigences techniques uniques et des domaines d'application.
Réparer pour le stockage d'énergie géothermique
Dans un système typique de stockage de l'énergie géothermique, l'eau ou un autre fluide circule par l'échangeur de chaleur du puits pour absorber la chaleur pendant les périodes de faible demande et la retourner pendant les périodes de pointe. Par exemple, un puits qui, une fois produit, peut être utilisé pour stocker l'énergie thermique solaire ou la chaleur résiduelle des processus industriels. Le puits lui-même devient le support de stockage, en tirant parti de l'isolation naturelle de la Terre.
Les principaux défis sont d'assurer l'intégrité des caissons et de gérer les réactions géochimiques entre les fluides stockés et les minéraux de formation. Néanmoins, plusieurs projets pilotes en Europe et en Amérique du Nord ont démontré leur faisabilité.
Conversion en stations de surveillance
Les puits désaffectés offrent un point d'accès facile et profond à la surface souterraine, parfait pour installer des capteurs pour surveiller la qualité des eaux souterraines, la pression, la température et même l'activité sismique. Ces stations de surveillance peuvent recueillir des données pendant des décennies, aider les exploitants à gérer des champs géothermiques actifs, détecter les signes précoces d'épuisement des réservoirs ou suivre les risques sismiques dans des systèmes géothermiques améliorés.
En Californie, les vieux puits de production ont été équipés de câbles à fibres optiques et de manomètres pour surveiller le comportement des réservoirs de vapeur. Les données recueillies améliorent la modélisation des réservoirs et permettent une utilisation plus efficace de la vapeur. De même, en Islande, les puits désaffectés près de Reykjavik ont été équipés de sismomètres et de tableaux de température[ pour étudier le flux thermique sous-marin.
Utilisation comme puits d'injection pour les systèmes géothermiques améliorés et la séquestration du carbone
De nombreux puits désaffectés conservent une bonne connectivité hydraulique avec la roche environnante. Ils peuvent être réutilisés comme puits d'injection pour retourner la saumure géothermique refroidie dans le réservoir (un processus important pour l'entretien de la pression et la durabilité) ou pour injecter des fluides pour des systèmes géothermiques améliorés (EGS) qui fracturent la roche sèche chaude.
Au-delà de la GSE conventionnelle, on s'intéresse de plus en plus à l'utilisation de puits désaffectés pour la séquestration du carbone[. L'infrastructure du puits peut être adaptée pour injecter du CO2 capté dans des aquifères salins profonds ou des formations de basaltes. Une étude publiée dans Géothermiques suggère que la réutilisation de vieux puits géothermiques pour le stockage du CO2 pourrait réduire les coûts d'injection de 30 à 50 % par rapport aux puits de séquestration dédiés, tout en fournissant des données de surveillance provenant du boîtier existant du puits.
Extraction de lithium de brinnes géothermiques
De nombreuses brillances géothermiques contiennent des concentrations élevées de lithium et d'autres minéraux précieux. Les puits désaffectés peuvent être utilisés comme forages de production pour l'extraction directe du lithium (DLE)[ des brinces qui continuent à circuler naturellement ou sont pompés du réservoir. Cette approche transforme un puits désaffecté en un actif minier, générant des revenus provenant d'une ressource précédemment ignorée.
Dans la région de Salton Sea, en Californie, des dizaines de puits géothermiques désaffectés sont évalués pour la production de lithium. Le département américain de l'énergie estime que ces puits pourraient fournir suffisamment de lithium pour des centaines de milliers de batteries électriques par an. Bien que la chimie varie selon les champs, la réutilisation des puits existants réduit considérablement les coûts d'empreinte de surface et de forage associés aux nouveaux puits d'extraction de saumure.
Études de cas et exemples de réussite
Islande : des puits désaffectés aux systèmes géothermiques améliorés
Californie: Surveillance environnementale aux Geysers
Au champ géothermique de Geysers en Californie, les exploitants ont transformé plus d'une douzaine de puits désaffectés en stations permanentes de surveillance de l'environnement. Ces stations suivent la chimie des eaux souterraines, les changements de déformation et le compactage des réservoirs. Les données ont été essentielles pour comprendre la sismicité induite liée à l'extraction de la vapeur.Dans un cas, un puits abandonné depuis 15 ans a été réintroduit, nettoyé et équipé d'une sonde multiparamètre.
France : Stockage de chaleur saisonnier dans le bassin de Paris
Le bassin de Paris contient des centaines de puits géothermiques désaffectés qui ont été forés dans les années 1980 pour le chauffage direct. En 2020, la ville de Paris a lancé un projet pilote pour en transformer un tel puits en un système de stockage thermique saisonnier. En été, la chaleur solaire est captée et injectée dans le puits; en hiver, elle est récupérée pour le chauffage urbain. Le système a atteint un coefficient de performance de 7,5 et réduit l'empreinte carbone du champ de 400 tonnes de CO2 par an. Ce modèle est maintenant reproduit dans d'autres municipalités françaises avec des infrastructures géothermiques vieillissantes.
Japon : utilisation de puits désaffectés pour les pompes à chaleur géothermiques
Le Japon possède un grand nombre de puits géothermiques à basse température utilisés pour les spas et le chauffage urbain. Comme ces puits diminuent la production, beaucoup sont en train d'être convertis en systèmes de pompe à chaleur géothermique. Dans la région géothermique de Hachobaru, un puits désaffecté de deux décennies a été aménagé avec un échangeur de chaleur à trous d'aval. Le système assure maintenant le chauffage et le refroidissement des locaux pour un hôpital local, remplaçant les chaudières au propane.
Avantages environnementaux et économiques
Protection de l'environnement
En maintenant les puits actifs, les exploitants évitent également l'empreinte carbone de la production de ciment pour le branchement, un travail typique de branchement utilise 20 à 50 tonnes de ciment, chacune produisant près d'une tonne de CO2. Les puits réutilisés pour le stockage ou l'injection d'énergie peuvent réduire davantage les émissions en permettant une meilleure intégration des énergies renouvelables. Par exemple, la conversion d'un seul puits désaffecté en stockage saisonnier de chaleur peut déplacer de 100 à 200 MWh de chaleur produite par les combustibles fossiles par année.
Économies
Le forage d'un nouveau puits géothermique coûte en moyenne de 3 à 8 millions de dollars. L'utilisation d'un puits désaffecté peut permettre d'économiser 70 à 90 % de ces dépenses d'immobilisations. Même une remise en état et une conversion approfondies (y compris la compression du ciment, la réparation des caissons et l'installation de capteurs) coûtent habituellement de 100 000 $ à 500 000 $.
Efficacité énergétique
Pour le stockage d'énergie, l'inertie thermique du puits minimise les pertes de chaleur. Une étude récente réalisée dans Énergie renouvelable[ a révélé qu'un puits de stockage géothermique converti avait une efficacité de stockage supérieure de 15 % à celle d'un système de stockage de forage conçu à cet effet, en raison du puits existant, d'un diamètre plus grand et de meilleures caractéristiques de débit.
Défis et considérations
Intégrité et sécurité des puits
Les puits plus anciens peuvent avoir des enveloppes corrodées, des liaisons de ciment médiocres ou des sections effondrées. Avant toute réutilisation, une inspection approfondie avec des caméras de forage et des outils de coupe est nécessaire. Si le caisson est compromis, le puits doit être réparé avec une pression de ciment ou un patch de doublure, ce qui ajoute des coûts. Dans les cas extrêmes, le puits peut être trop endommagé pour être réutilisé en toute sécurité, et le branchement traditionnel demeure la seule option.
Limitations géochimiques et thermiques
La composition chimique des brinces géothermiques peut provoquer une écaille ou une corrosion dans le puits, surtout lorsque des fluides sont injectés pour le stockage ou l'EGS. Par exemple, l'écaillement de silice peut obstruer les canaux de débit, et l'injection de CO2 peut provoquer une attaque à l'acide carbonique sur le ciment.
Viabilité économique
Bien que la remise en état soit moins coûteuse que les nouveaux forages, l'analyse de rentabilisation dépend de la valeur du nouveau service (p. ex. capacité de stockage, frais de surveillance, ventes de lithium). Les puits désaffectés ne sont pas tous situés à proximité des marchés de la chaleur ou du stockage. Par exemple, un puits situé dans une zone éloignée sans réseau de chauffage urbain peut ne pas être économiquement viable pour le stockage thermique.
Perspectives d'avenir
Alors que la flotte mondiale de puits géothermiques continue de vieillir, le besoin de solutions durables de déclassement ne fera que croître. L'industrie passe progressivement d'un modèle linéaire de -drill, de production, d'abandon à un modèle circulaire où les puits sont réutilisés ou réutilisés à plusieurs reprises.
- Digestisation et surveillance:[ Les progrès de la détection de fibres optiques et de la robotique des trous d'aval permettront d'inspecter, de réparer et de surveiller les puits désaffectés plus facilement et moins cher.
- Soutien politique:[ Les gouvernements et les organismes de réglementation commencent à inclure des options de réaménagement dans leurs lignes directrices sur le déclassement.
- La collaboration entre les secteurs de la géothermie : Les partenariats entre les exploitants de la géothermie, les compagnies pétrolières et gazières (qui possèdent une expertise approfondie en matière de puits abandonnés) et les start-up technologiques peuvent apporter des solutions innovantes à la commercialisation plus rapidement.
- Systèmes hybrides:[ Les futurs puits désaffectés peuvent être utilisés dans des configurations hybrides, par exemple, fournissant simultanément un stockage thermique et servant de station de surveillance.
La voie à suivre exige un changement d'attitude : les puits désaffectés ne sont pas des fins de vie mais des possibilités de nouveaux départs. En investissant dans les technologies et les politiques qui favorisent une bonne remise en état, l'industrie géothermique peut réduire son empreinte environnementale, réduire les coûts et accroître la résilience des systèmes d'énergie renouvelable.