Les "batteries" massives qui se cachent sous nos pieds

Principe de fonctionnement d'un système de stockage d'énergie thermique dans un aquifère.Martin Bloemendal et Theo Olsthoorn

Cette histoire a été initialement publiée par Wired et est reproduite ici dans le cadre de la collaboration Climate Desk.

Quand l'eau de pluie tombe, il s'infiltre dans un aquifère, une couche de roche poreuse ou de matériaux meubles comme du sable ou du gravier. Depuis des milliers d'années, l'homme creuse dans ces bandes de liquide pour y puiser de l'eau potable. Mais l'intérêt grandit pour une autre utilisation astucieuse de ces piscines souterraines : le stockage d'énergie thermique en aquifère, ou ATES.

Une batterie contient de l'énergie à utiliser plus tard. Les aquifères peuvent être exploités pour faire quelque chose de similaire : ils peuvent exploiter les propriétés isolantes de la Terre pour conserver l'énergie thermique et la transférer vers et depuis les bâtiments au-dessus du sol. La température de l'eau dans un aquifère a tendance à rester assez stable. Cela permet de chauffer et de refroidir les structures voisines avec de l'énergie stockée dans l'eau, au lieu de brûler du gaz naturel dans des fournaises ou de puiser dans l'électricité dérivée de combustibles fossiles pour faire fonctionner les climatiseurs.

Les systèmes ATES se composent de deux puits séparés - un chaud, un froid - qui s'étendent entre la surface et l'aquifère en dessous. En hiver, vous pompez l'eau souterraine d'un puits chaud à environ 60 degrés Fahrenheit et vous la faites passer dans un échangeur de chaleur. Combiné à une pompe à chaleur, ce procédé extrait la chaleur de la nappe phréatique pour maintenir au chaud l'intérieur des structures.

Ensuite, vous pompez cette eau souterraine maintenant plus froide dans le deuxième puits. Cela vous donne une piscine d'eau froide - environ 45 degrés F - à pomper en été pour refroidir les bâtiments. "Vous chauffez l'eau souterraine en extrayant la chaleur du bâtiment et en l'injectant directement dans l'autre puits", explique l'hydrogéologue Martin Bloemendal, qui étudie l'ATES à l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas. "Puis en hiver, vous extrayez de votre puits chaud." Ce processus alterne indéfiniment au fil des saisons car l'eau souterraine est réutilisée et non consommée. Le système pourrait même profiter des aquifères saumâtres ou contaminés qui ne peuvent pas être exploités pour l'eau potable.

Étant donné que les pompes à eau et autres équipements fonctionnent à l'énergie renouvelable, comme l'énergie solaire ou éolienne, ce stockage d'énergie hyper-efficace réduirait la demande de combustibles fossiles et empêcherait une grande quantité de carbone de pénétrer dans l'atmosphère. Le chauffage et le refroidissement sont responsables d'un tiers de la consommation d'énergie aux États-Unis et de la moitié de la consommation d'énergie en Europe. En fait, un nouvel article de la revue Applied Energy a révélé que l'ATES pourrait réduire de 40 % l'utilisation du gaz naturel et de l'électricité dans le chauffage et le refroidissement des maisons et des entreprises américaines.

C'est un moyen de stocker d'énormes quantités d'énergie pendant de longues périodes - une sorte de batterie souterraine, toujours prête à être exploitée. "Dans une ville locale, vous pouvez stocker de la chaleur et du froid, et maintenant vous n'avez plus à payer pour cela plus tard", déclare Erick Burns, responsable du United States Geological Survey pour le projet d'enquête sur les ressources géothermiques. (L'USGS fait partie d'un nouveau consortium international qui étudie l'énergie géothermique à l'échelle de la ville.) "Ce qui est cool, c'est qu'il n'a pas besoin de minéraux essentiels, comme les batteries."

La technique est idéale pour les grands bâtiments, comme les hôpitaux, ou un groupe de bâtiments, comme sur un campus universitaire, car ils peuvent partager une installation dédiée pour le puits et d'autres équipements. Il serait particulièrement efficace en période de forte demande sur le réseau. Aux États-Unis, la demande augmente à la fin de l'été lorsque les gens allument leurs climatiseurs énergivores. ATES utilise beaucoup moins d'énergie, ce qui allégerait la charge sur le réseau et aiderait à éviter les accidents. Si ces systèmes pouvaient non seulement fonctionner à l'énergie solaire ou éolienne, mais être soutenus par un réseau distribué de batteries lithium-ion, ils pourraient résister aux pannes de courant.

"Ces systèmes sont tout à fait idéaux pour l'intégration des énergies renouvelables", déclare le chercheur en systèmes énergétiques ATD Perera, auteur principal du nouvel article. (Perera est maintenant à l'Université de Princeton mais a fait la recherche alors qu'il était au Lawrence Berkeley National Laboratory.)

Cette technologie n'est pas encore largement déployée dans le monde. Environ 85 % des systèmes ATES se trouvent aux Pays-Bas, qui disposent à la fois de la bonne géologie et de normes nationales strictes en matière d'efficacité énergétique. Mais une étude a révélé que des pans entiers de l'Allemagne s'y prêtaient; un autre a constaté que près d'un tiers de la population espagnole vit dans des zones propices à l'ATES.

Cependant, tous les domaines ne sont pas adaptés. Contrairement, par exemple, à une centrale électrique au gaz naturel, un système d'énergie géothermique dépend d'une multitude de facteurs géologiques complexes. "Ce serait vraiment, vraiment difficile de dire" OK, ce système fonctionne bien là où je vis dans l'Illinois "et d'essayer ensuite de le traduire chez vous en Californie", déclare Yu-Feng Lin, géoscientifique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign. (Lin fait partie du consortium international avec Burns mais n'a pas été impliqué dans le nouveau document.) "Ce n'est pas aussi simple que de copier-coller."

Par exemple, une ville construite sur de la roche solide n'a pas facilement accès à un aquifère. Et même celui qui y a accès a besoin d'une "conductivité hydraulique" suffisante, ce qui signifie que l'eau s'écoule facilement à travers les matériaux souterrains comme le sable et le gravier. Plus l'eau coule bien, plus il sera facile et moins énergivore de la pomper.

Cela dit, il ne peut pas trop couler, car lorsque vous pompez de l'eau, il peut migrer ailleurs dans le paysage. "Vous voulez que ça coule quand vous voulez que ça coule", explique Peter Nico, géoscientifique au Lawrence Berkeley National Laboratory qui a co-écrit l'article avec Perera. Heureusement pour les États-Unis, ajoute Nico, "de larges pans du pays sont en bonne forme pour cela".

Mais il y a un autre challenger : ATES est cher. Cela nécessite d'étudier en profondeur la géologie d'une ville donnée, puis de payer pour forer et mettre en place l'équipement de pompage. Mais au moins ce coût est initial : une fois que vous avez des puits et des pompes, tout fonctionne grâce à une énergie solaire ou éolienne abondante et gratuite. De plus, il ne prend pas beaucoup de place en surface, laissant place aux jardins urbains et autres espaces verts ouverts dont les villes ont plus que jamais besoin. "Si vous êtes prêt à payer un peu plus pour améliorer la résilience climatique ou devenir plus durable", déclare Perera, "ce serait la solution idéale".