Stockage thermique en aquifère · Glossaire

Un stockage thermique en aquifère est un stockage de chaleur souterrain. Il utilise comme support de stockage une couche rocheuse naturelle aquifère, appelée nappe ou aquifère. Par des puits, de l'eau souterraine est pompée, chauffée ou refroidie, puis réinjectée dans le sous-sol. Elle est ensuite pompée à nouveau et la chaleur ou le froid est utilisé. L'abréviation anglaise est ATES (Aquifer Thermal Energy Storage). Il ne s'agit pas d'une machine isolée, mais d'un système composé de la géologie, de puits, de pompes, d'échangeurs de chaleur, de techniques de mesure et de régulation, ainsi que d'un bâtiment, d'un quartier ou d'un réseau de chaleur raccordé. Le plus souvent, un stockage thermique en aquifère sert de stockage saisonnier : il absorbe la chaleur en été et la restitue en hiver. Avec le froid, le principe fonctionne en sens inverse.

Fonctionnement

Dans sa forme de base, un stockage thermique en aquifère se compose d'une ou de plusieurs paires de puits, appelées aussi doublets. Un puits capte la zone chaude de l'aquifère, l'autre la zone froide. En été, l'eau est pompée du puits froid. Elle absorbe de la chaleur par un échangeur de chaleur, par exemple issue du refroidissement de bâtiments, de capteurs solaires ou de chaleur fatale, et est injectée dans le puits chaud. En hiver, le sens de pompage s'inverse : l'eau chaude est pompée, cède sa chaleur, souvent à l'aide d'une pompe à chaleur, et retourne refroidie dans la zone froide. Elle y est disponible l'été suivant comme source de froid. Cette inversion saisonnière du sens de pompage distingue le stockage thermique en aquifère de l'utilisation directe de la chaleur géothermique. Pour l'illustrer : dans le sous-sol se trouvent côte à côte deux grandes « bulles d'eau » non délimitées, l'une plus chaude, l'autre plus froide. On pompe de l'une à l'autre au rythme de l'année.

Ce qui est stocké, c'est de l'énergie thermique. Elle s'exprime en kilowattheures, en mégawattheures ou, pour les grandes installations, en gigawattheures. Il faut la distinguer de la puissance thermique en kilowatts ou mégawatts. Celle-ci indique la vitesse à laquelle la chaleur peut être stockée ou déstockée. Un exemple montre la différence : pour un stockage en aquifère à haute température prévu à Berlin-Adlershof, on cite une capacité de stockage d'environ 30 GWh pour une puissance thermique d'environ 10 MW. La puissance dépend surtout de la productivité de l'aquifère, du débit de pompage admissible, de l'écart de température et du nombre de puits.

Stockages à basse et à haute température

La distinction la plus importante porte sur la température de stockage. Les systèmes à basse température (NT-ATES) fonctionnent à environ 25 °C au maximum, parfois jusqu'à environ 40 °C. Ils chauffent et refroidissent surtout de grands bâtiments de bureaux, commerciaux et publics, presque toujours avec une pompe à chaleur. La source de chaleur est souvent la chaleur fatale ou le froid du bâtiment desservi lui-même. Les systèmes à haute température (HT-ATES) stockent la chaleur à partir d'environ 50 °C ; certaines sources fixent la limite dès environ 40 °C. Ils sont le plus souvent chargés avec de la chaleur externe, par exemple de la chaleur fatale industrielle, du solaire thermique ou de la chaleur issue de la géothermie ou de la cogénération. Les utilisateurs typiques sont un réseau de chaleur ou de grands ensembles de bâtiments. Des températures plus élevées élargissent les possibilités d'utilisation. En même temps, les risques techniques et liés aux autorisations augmentent.

Diffusion et exemples en Allemagne

Selon une revue de la littérature de 2025, environ 3500 stockages thermiques en aquifère sont installés dans le monde, dont environ 85 % aux Pays-Bas. Les auteurs l'attribuent à des conditions favorables du sous-sol et à un cadre juridique adapté dans ce pays. La grande majorité sont des installations à basse température. En Allemagne, en revanche, la technique reste une niche : selon le même travail, seules deux installations étaient pleinement en service, bien que plus de la moitié du territoire, avec des aquifères poreux proches de la surface, soit en principe réputée adaptée.

Berlin, bâtiments parlementaires (depuis 1999) : un stockage de froid à environ 60 m de profondeur avec 14 puits fournit de l'eau à 10 à 11 °C pour le refroidissement libre. Un stockage de chaleur à environ 320 m de profondeur a été chargé à environ 70 °C avec de la chaleur de centrales de cogénération et a atteint des taux de récupération de près de 80 %. Selon un rapport de 2021, l'exploitation du stockage de chaleur était provisoirement suspendue en raison de problèmes techniques.
Neubrandenburg : à partir de 2005, la chaleur excédentaire d'une centrale à cycle combiné gaz-vapeur a été stockée à environ 1200 m de profondeur. Au puits froid, des températures d'environ 30 °C ont favorisé des bactéries sulfato-réductrices, ce qui a entraîné de la corrosion sur les pompes. Début 2019, le stockage a été mis hors service, car une demande et une offre de chaleur fortement fluctuantes ne permettaient pas une utilisation saisonnière efficace. Depuis, les services municipaux misent sur un stockage de courte durée.
Rostock-Brinckmanshöhe (depuis 2000) : la chaleur solaire est stockée à environ 50 °C à environ 20 m de profondeur et utilisée en hiver par une pompe à chaleur. Selon le rapport de 2021, l'installation a fonctionné pendant plus de 20 ans avec peu de perturbations.
Bonn, « Bonner Bogen » (depuis 2009) : une installation à basse température avec six puits jusqu'à un peu moins de 30 m de profondeur alimente environ 60 000 m² de surface utile. Comme on refroidit nettement plus qu'on ne chauffe au cours de l'année, plus de chaleur entre dans l'aquifère qu'on n'en retire. Cela montre l'importance d'une exploitation équilibrée.

Il existe en outre de nombreux projets de recherche et de planification, par exemple à Berlin-Adlershof, Hambourg, Kiel, Leipzig et Mannheim. Selon la revue de 2025, la plupart d'entre eux en sont encore à un stade précoce de développement. Le raccordement aux réseaux de chaleur urbains en est un axe majeur.

Distinction avec d'autres notions

Les stockages thermiques en aquifère sont facilement confondus avec la géothermie. La géothermie exploite la chaleur naturelle de la terre. Un stockage thermique en aquifère, en revanche, stocke temporairement de la chaleur ou du froid préalablement injectés ; le sous-sol sert donc avant tout d'espace de stockage. Des recoupements existent néanmoins, par exemple lorsqu'une installation géothermique désaffectée est transformée en stockage, comme à Neubrandenburg. Du stockage par sondes géothermiques ou par champ de forages, le stockage en aquifère se distingue par le fait que, dans ceux-ci, un fluide caloporteur circule dans des tubes fermés, alors qu'ici l'eau souterraine elle-même est pompée. Cela permet de grands volumes de stockage avec peu d'emprise en surface. Mais cela impose des exigences plus élevées en matière de chimie de l'eau, d'hydraulique et de surveillance. Les stockages aériens ou enterrés comme le stockage en bassin enterré demandent beaucoup de surface, mais dépendent à peine de la géologie. Les stockages en mine et en cavité utilisent d'autres cavités souterraines. Un stockage thermique en aquifère n'est pas un stockage d'électricité.

Intérêt pour la transition thermique et le système électrique

Le besoin de chaleur est élevé en hiver et faible en été. La chaleur solaire, en revanche, est produite surtout en été, et la chaleur fatale de l'industrie, des centres de données ou des installations de refroidissement est souvent disponible toute l'année. Un stockage thermique en aquifère peut reporter les excédents estivaux vers la période de chauffe. Il peut ainsi soulager les chaudières fossiles de pointe et permettre un fonctionnement plus régulier des pompes à chaleur. Si de la chaleur est stockée en été, la pompe à chaleur dispose en hiver d'une source plus chaude. Cela améliore son coefficient de performance annuel et réduit le besoin en électricité par kilowattheure de chaleur. Si des pompes à chaleur ou des installations power-to-heat produisent de la chaleur surtout lorsque beaucoup d'électricité éolienne et solaire est disponible, le stockage peut tamponner cette chaleur dans le temps. Il déplace alors de la chaleur, pas de l'électricité. L'apport d'un stockage au système dépend du réseau concret : températures de départ et de retour, profil de charge, sources de chaleur et stratégie d'exploitation. Selon une revue de la littérature, les stockages en aquifère peuvent, par rapport aux chaudières à gaz et aux machines frigorifiques à compression, réduire les émissions de gaz à effet de serre jusqu'à 74 %. Il s'agit d'une valeur maximale et non d'un cas général.

Limites géologiques, techniques et d'exploitation

Conviennent les aquifères suffisamment perméables et épais, situés à une profondeur appropriée et dans lesquels l'eau souterraine ne s'écoule que lentement. Si elle s'écoule rapidement, la chaleur stockée est emportée avec le flux d'eau souterraine. Si les zones chaude et froide sont trop proches, un court-circuit thermique menace. Les variations de température peuvent provoquer des précipitations, de la corrosion et des processus microbiens ; les puits peuvent se colmater ou perdre en performance. Neubrandenburg en est un exemple. Un stockage ne fonctionne jamais sans perte : une partie de la chaleur se diffuse dans le sous-sol. Des taux de récupération d'environ 80 à 90 % ont été rapportés dans des cas isolés, par exemple au Reichstag et pour un puits d'essai à Hambourg, mais ils dépendent du site. S'y ajoute l'exploitation. Si un stockage est chargé durablement d'un seul côté, comme à Bonn, ou si l'offre et la demande fluctuent fortement, comme à Neubrandenburg, son utilité diminue. Des prescriptions des autorités peuvent en outre restreindre étroitement la marge de manœuvre : dans un projet de démonstration à Berlin-Mitte, la température dans l'aquifère ne peut varier que de 3 K, c'est-à-dire entre environ 10 et 16 °C. C'est pourquoi l'exploration, la modélisation hydrogéologique, l'exploitation d'essai et un suivi permanent sont indispensables.

Cadre juridique en Allemagne

Pour la planification, la construction et l'exploitation, deux lois sont déterminantes en Allemagne : la loi sur le régime des eaux (Wasserhaushaltsgesetz, WHG) et, selon la profondeur et la conception, la loi fédérale sur les mines (Bundesberggesetz, BBergG). Le déroulement détaillé des procédures d'autorisation est fixé par les autorités compétentes des Länder. Les procédures diffèrent donc nettement d'une région à l'autre. Depuis le 23 décembre 2025 s'applique en outre la loi d'accélération de la géothermie (Geothermie-Beschleunigungsgesetz, GeoBG). Elle couvre expressément aussi les stockages de chaleur. Pour la notion, elle renvoie à la loi sur la planification de la chaleur (Wärmeplanungsgesetz) : un stockage de chaleur y est un dispositif de stockage de chaleur limité dans le temps, y compris la technique de chargement et de déchargement. Selon l'article 4 GeoBG, la construction et l'exploitation de telles installations relèvent, jusqu'à l'atteinte de la neutralité climatique en 2045, d'un intérêt public supérieur. Dans les pondérations des biens protégés, elles doivent être considérées comme un intérêt prioritaire, sauf face aux intérêts de la défense nationale et de l'alliance. L'article 5 GeoBG constate en outre un intérêt public à un commencement anticipé selon la WHG et la BBergG. Les examens relevant du droit de l'eau, minier et de l'environnement ne disparaissent pas pour autant. Ils sont seulement pondérés différemment et peuvent se dérouler plus rapidement. Pour la planification communale de la chaleur, le stockage en aquifère reste une option dépendante du site, et non une composante standard.

Malentendus typiques

« Le stockage est renouvelable » : le stockage ne produit lui-même aucune énergie. Son effet sur le climat dépend de ce avec quoi il est chargé et de la production qu'il remplace. S'il est chargé avec de la chaleur solaire, de la chaleur fatale inévitable ou de la chaleur de pompe à chaleur efficace, il peut contribuer fortement à la décarbonation. Avec de la chaleur d'origine fossile, il améliore surtout les processus d'exploitation.
« Une géologie adaptée suffit » : sans source de chaleur appropriée, sans demande suffisante et planifiable, sans réseau raccordé et sans exploitant à long terme, l'adéquation géologique seule sert peu. Le montrent la mise hors service à Neubrandenburg et le projet non réalisé à Lunebourg.
« Une grande capacité de stockage signifie une forte puissance » : le contenu énergétique et la puissance de charge ou de décharge sont deux grandeurs de dimensionnement distinctes. La puissance est limitée par les débits de pompage admissibles et par le nombre de puits.

Sources

Aquiferspeicher in Deutschland — Grundwasser (Springer), Fleuchaus et al., KIT; 2021-02-19. Einleitung; Abschnitte Berlin, Neubrandenburg, Rostock, Bonn, Lüneburg, Hamburg
Current research on aquifer thermal energy storage (ATES) in Germany — Grundwasser (Springer), Stemmle et al.; 2025-04-16. Abstract; Introduction; Abschnitte Berlin-Mitte, Berlin-Adlershof
Geothermie-Beschleunigungsgesetz (GeoBG) — Bundesministerium der Justiz / gesetze-im-internet.de; 2025-12-22. §§ 2, 3 Nr. 4, 4, 5; Inkrafttreten 23.12.2025
Wärmeplanungsgesetz (WPG) — Bundesministerium der Justiz / gesetze-im-internet.de; unbekannt. § 3 Abs. 1 Nr. 21

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Edited by eCMS on 11.11.2026 14:26