A scenario-based framework for characterising subsurface uncertainties in shallow mine thermal flow systems
Cet article présente un cadre de modélisation basé sur des scénarios utilisant les données du Glasgow Geoenergy Observatory pour démontrer que l'étendue des vides miniers connectés hydrauliquement, plutôt que la chaleur totale stockée, est le contrôle dominant sur la performance à long terme et la durée de vie thermique des systèmes de flux thermique de mines peu profondes, soulignant la nécessité critique de prendre en compte les incertitudes architecturales souterraines dans les évaluations de risques de projet.
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Profondément sous les villes du Royaume-Uni gisent de vastes et silencieux labyrinthes de mines de charbon abandonnées. Pendant plus d'un siècle, ces tunnels furent les artères de l'industrie, mais aujourd'hui, ils sont inondés par les eaux souterraines, formant un océan souterrain caché. Les scientifiques savent depuis longtemps que cette eau emmagassine de la chaleur, réchauffée naturellement par l'intérieur de la Terre, et que son pompage vers la surface pourrait offrir un moyen propre et à faible émission de carbone pour chauffer les habitations et les bâtiments. Ce concept, connu sous le nom d'énergie géothermique des eaux de mine, offre une voie prometteuse pour décarboner nos systèmes de chauffage. Cependant, transformer ces ruines inondées en centrales électriques fiables est semé d'incertitudes. Le monde souterrain n'est pas une éponge uniforme ; c'est un mélange chaotique de tunnels ouverts, de débris effondrés et de roche solide, le tout caché à la vue. Sans savoir exactement comment ces espaces sont connectés, les ingénieurs ne peuvent prédire si l'eau circulera fluidement entre les puits ou si la chaleur se dissipera trop rapidement pour être utile.
Une équipe de chercheurs de l'Université Heriot-Watt et de l'Université de Delft a abordé ce problème en construisant un jumeau numérique sophistiqué d'une mine inondée à Glasgow. En utilisant des données réelles provenant d'une station de surveillance profonde, ils ont créé un modèle virtuel pour tester comment différentes formes et matériaux souterrains affectent le flux de l'eau et de la chaleur. Leurs travaux révèlent une vérité surprenante sur ces systèmes : la quantité totale de chaleur stockée dans le sol importe bien moins que les voies spécifiques que l'eau peut réellement emprunter. Dans leurs simulations, ils ont découvert que si les tunnels entre un puits d'injection et un puits de production ne sont pas directement connectés, le système échoue rapidement, peu importe la quantité de chaleur théoriquement disponible à proximité. Ils ont également découvert que la roche entourant la mine joue un rôle critique, agissant comme une batterie thermique capable de recharger le système, mais seulement si les tunnels internes de la mine sont trop obstrués pour laisser l'eau circuler librement d'elle-même.
Les chercheurs ont commencé par construire une carte tridimensionnelle détaillée du sous-sol, en s'appuyant sur des registres géologiques et des données de forage provenant de l'Observatoire de la Géoénergie de Glasgow au Royaume-Uni. Ils ne se sont pas contentés d'une seule supposition de ce qui se trouvait sous terre. Au lieu de cela, ils ont construit un ensemble de nombreuses réalités possibles, chacune représentant un arrangement différent de l'histoire de la mine. Certains modèles présentaient des tunnels larges et ouverts avec peu d'obstacles, tandis que d'autres comprenaient des parois partielles de charbon ou de larges sections remplies de débris et de roche de rebut, appelées remblais. Ils ont simulé le mouvement de l'eau et de la chaleur à travers ces mines virtuelles sur une période de douze ans, observant comment la température changeait à mesure que l'eau froide était pompée à l'intérieur et que l'eau chaude était extraite.
Les résultats ont mis en évidence une tension fondamentale dans la conception de ces systèmes. La capacité à pomper l'eau à travers la mine, appelée débitabilité, dépend de la présence d'un chemin large et ouvert entre les deux puits. Plus les tunnels sont ouverts, plus il est facile de déplacer l'eau, et moins l'énergie nécessaire au pompage est importante. Cependant, ce taux de flux élevé a un coût. Lorsque le chemin est large et ouvert, l'eau froide injectée dans le système se précipite directement vers le puits de production, créant un « court-circuit thermique ». Cela se produit en seulement quelques années, faisant chuter la température de l'eau en dessous du niveau nécessaire au chauffage bien avant que la chaleur stockée dans la mine ne soit pleinement utilisée. Inversement, si le chemin est bloqué par des barrières ou des débris, l'eau est forcée de prendre un itinéraire plus long et plus sinueux. Cela ralentit le flux, rendant le pompage plus difficile, mais cela retarde également l'arrivée de l'eau froide, permettant au système de produire une chaleur utile pendant une période beaucoup plus longue.
La découverte la plus frappante est apparue lorsque les chercheurs ont maintenu constant le volume total d'espace vide dans la mine tout en modifiant la manière dont cet espace est connecté. Dans un scénario, ils ont créé une mine où les tunnels étaient largement isolés les uns des autres, forçant l'eau à contourner les principales zones de stockage. Même si la quantité totale de chaleur stockée dans le sol était identique à celle d'une mine bien connectée, le système présentant une faible connectivité perdait sa chaleur utile vingt fois plus vite. Dans ces scénarios de déconnexion, la durée de vie de la production thermique est passée de plus de trois ans à seulement quelques semaines, alors que la capacité de pompage de l'eau est restée presque inchangée. Cela démontre que la simple présence de chaleur dans le sol ne suffit pas ; la chaleur doit se trouver dans la partie spécifique de la mine que l'eau peut réellement atteindre.
L'étude a également examiné le rôle de la roche entourant les tunnels de la mine. Dans certains modèles, la roche était traitée comme une barrière étanche que l'eau ne pouvait pas pénétrer. Dans d'autres, la roche était considérée comme « perméable », permettant à l'eau de s'infiltrer et de s'échapper des tunnels de la mine. Lorsque les tunnels de la mine étaient eux-mêmes obstrués ou mal connectés, la roche perméable devenait une ressource vitale. L'eau s'infiltrait dans la roche environnante, puisant la chaleur de la masse thermique massive de la Terre elle-même. Ce processus agissait comme une recharge naturelle, prolongeant considérablement la durée de vie du système. Dans les scénarios les plus obstrués, cette recharge géologique doublait le temps pendant lequel le système pouvait produire de la chaleur. Cependant, si les tunnels de la mine étaient déjà très ouverts, la roche environnante avait peu d'effet, car l'eau préférait rester dans le chemin facile des tunnels.
Les chercheurs ont également étudié l'impact du remblai, ces débris et roches de rebut souvent laissés derrière dans les mines abandonnées. Ils ont découvert que les propriétés des matériaux de ce remblai, telles que leur porosité ou leur perméabilité, importaient très peu, à moins qu'il ne soit placé directement sur le chemin de l'écoulement de l'eau. Si le remblai était situé sur le côté, l'eau passait simplement autour, et sa composition n'avait aucun effet sur la performance du système. Ce n'est que lorsque le remblai bloquait la route principale entre les puits qu'il devenait un obstacle significatif, réduisant le flux et altérant la récupération de la chaleur. Cela suggère que l'emplacement des obstacles est bien plus important que leur composition chimique ou physique.
Ces conclusions remettent en question la manière dont les ingénieurs pourraient traditionnellement évaluer le potentiel d'une mine pour la géothermie. Plutôt que de simplement calculer le volume total d'eau et de chaleur stockés dans le sol, l'étude suggère que la priorité doit être donnée à la cartographie des connexions spécifiques entre les points d'injection et de production. Le facteur le plus critique est le « volume balayé » : la partie spécifique de la mine que l'eau circulante touche réellement. Si l'eau ne peut pas atteindre la chaleur, cette chaleur est effectivement perdue. L'étude indique qu'un projet réussi nécessite un équilibre délicat : assez de connectivité pour permettre à l'eau de circuler, mais assez de complexité ou de barrières pour empêcher l'eau froide de se précipiter directement à travers le système.
Ce travail souligne également l'importance de l'incertitude dans ces projets. Comme l'architecture souterraine des mines abandonnées est souvent mal documentée, s'appuyer sur un seul modèle est risqué. L'approche des chercheurs, consistant à tester de nombreux scénarios différents, offre une manière plus sûre de comprendre l'éventail des résultats possibles. Elle montre qu'une mine qui semble prometteuse sur le papier peut échouer en pratique si les tunnels cachés ne sont pas connectés comme prévu. Inversement, une mine qui semble obstruée peut rester viable si la roche environnante peut fournir la recharge thermique nécessaire.
En fin de compte, cette recherche offre une vision plus claire de la manière de transformer les anciennes mines en nouvelles sources d'énergie. Elle déplace l'attention du volume total de chaleur disponible vers les voies spécifiques qui permettent de capturer cette chaleur. En comprenant que la géométrie des tunnels et la nature de la roche environnante sont les principaux facteurs de contrôle de la performance, les ingénieurs peuvent concevoir de meilleurs systèmes. Ils peuvent choisir des emplacements de puits qui maximisent les chemins de flux connectés tout en utilisant les barrières naturelles pour prolonger la durée de vie du système. L'étude confirme que si le potentiel de l'énergie géothermique des eaux de mine est important, sa réalisation nécessite une compréhension profonde du monde caché et complexe qui se trouve sous nos pieds.
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