Stockage thermique en bassin enterré · Glossaire

Définition et délimitation

Un stockage thermique en bassin enterré est un stockage de chaleur de grand volume. On le réalise sous la forme d'un bassin creusé artificiellement dans le sol, revêtu d'une membrane étanche et recouvert d'une couverture isolante. La fosse a le plus souvent la forme d'une pyramide tronquée inversée, aux talus inclinés. Elle est en général remplie d'eau, plus rarement d'un mélange de gravier et d'eau. Le stockage absorbe de la chaleur et la restitue plus tard à un réseau de chaleur ou à une application industrielle. Dans le monde spécialisé, il est désigné à l'échelle internationale par l'expression Pit Thermal Energy Storage (PTES). En allemand, les termes Erdbecken-Wärmespeicher ou Erdbeckenwärmespeicher sont également courants.

Le stockage contient de l'énergie thermique, que l'on exprime en mégawattheures ou en gigawattheures thermiques. Il faut la distinguer de la puissance, qui indique la vitesse à laquelle la chaleur peut être stockée ou déstockée. Un stockage de plusieurs gigawattheures ne peut pas automatiquement couvrir à court terme des charges thermiques élevées. Pour cela, les échangeurs de chaleur, les pompes, les conduites et les températures du réseau doivent être dimensionnés de manière adéquate. Un stockage thermique en bassin enterré s'évalue donc toujours en combinant le volume, la plage de température, la puissance de charge et de décharge, les pertes thermiques et l'intégration dans le réseau de chaleur.

Structure et fonctionnement

Un stockage thermique en bassin enterré se compose de quatre éléments :

Le bassin excavé. Les déblais sont souvent remis en place sous forme de talus périphérique autour du bassin.
Un revêtement en membranes d'étanchéité synthétiques, le plus souvent en polyéthylène haute densité (PEHD) ou en polypropylène (PP).
Une couverture flottante et isolée. C'est l'élément le plus exigeant sur le plan constructif, car sans elle beaucoup de chaleur se perdrait par la surface de l'eau.
Des diffuseurs d'entrée et de sortie à différentes hauteurs. Ils introduisent et évacuent l'eau assez lentement pour que la stratification des températures soit préservée.

L'eau est un bon milieu de stockage : elle est bon marché, disponible en grandes quantités et présente une capacité thermique massique élevée, d'environ 1,16 kWh par mètre cube et par kelvin. Un calcul approximatif donne l'ordre de grandeur. Un bassin de 60 000 mètres cubes utilisé entre 10 et 85 degrés Celsius contient, en théorie, environ 60 000 × 1,16 × 75 kilowattheures, soit environ 5 gigawattheures de chaleur. Comme l'eau chaude est plus légère, une stratification se forme : chaude en haut, froide en bas. On peut ainsi prélever en haut la chaleur pour le départ du réseau et réinjecter en bas l'eau froide du retour. Plus l'écart entre la température supérieure et la température inférieure est grand, plus le même volume contient d'énergie.

La température maximale est limitée. Elle dépend avant tout de la durée pendant laquelle le revêtement synthétique supporte la chaleur. Les valeurs courantes ne dépassent pas environ 80 à 95 degrés Celsius. Ces stockages fonctionnent sans pression ; ils ne desservent donc pas directement des réseaux de vapeur ni des départs très chauds. Dans les réseaux à température de départ élevée, la chaleur stockée doit éventuellement être réchauffée. À l'inverse, une pompe à chaleur permet de refroidir davantage la zone inférieure du stockage, ce qui augmente le contenu utilisable.

Exemples réalisés

La technique a surtout été testée et développée au Danemark. On y trouve notamment des stockages à Marstal (environ 75 000 m³), Dronninglund (60 000 m³), Toftlund (environ 70 000 m³), Gram (environ 122 000 m³) et Vojens (environ 200 000 m³). Le stockage de Dronninglund a environ 16 mètres de profondeur et est chargé par un champ solaire thermique d'environ 37 600 mètres carrés de surface de capteurs. Un rendement de stockage supérieur à 90 pour cent a été rapporté pour son exploitation. En hiver, il sert aussi de source de chaleur pour une pompe à chaleur.

Vojens montre à quel point l'utilité dépend de l'ensemble du système. Selon la base de données du projet, le bassin a un volume d'environ 203 000 mètres cubes, une profondeur de 15 mètres et un contenu thermique d'environ 12 180 mégawattheures. La température de stockage se situe entre 40 et 80 degrés Celsius, et les coûts de construction spécifiques sont d'environ 24 euros par mètre cube. Le stockage y fait partie d'un système comprenant environ 70 000 mètres carrés de solaire thermique, une chaudière électrique, des chaudières à gaz et d'autres générateurs. La base de données indique en outre des pertes thermiques calculées d'environ 5 500 mégawattheures. Même les grands stockages perdent donc sensiblement de la chaleur.

L'utilisation comme stockage de courte durée est nouvelle. À Høje Taastrup, au Danemark, un stockage thermique en bassin enterré d'environ 70 000 mètres cubes a été mis en service en janvier 2023. Il n'est pas raccordé à une installation solaire thermique, mais directement au réseau de chaleur. Son cycle de stockage dure environ une à deux semaines. Selon l'Agence internationale de l'énergie (IEA-ES Task 39), il a une capacité d'environ 3 300 mégawattheures et dessert plusieurs centrales de cogénération et usines d'incinération de déchets. Les stockages en bassin enterré ne sont donc pas uniquement des stockages saisonniers. Ils peuvent aussi équilibrer production et demande selon un rythme hebdomadaire.

En Allemagne, les grands stockages thermiques en bassin enterré sont encore rares. Des médias spécialisés font état de premières installations, par exemple à Meldorf et à Bracht, en Hesse, ainsi que de projets de stockages nettement plus grands dans des villes disposant d'un réseau de chaleur. Les données concrètes des projets doivent être vérifiées au cas par cas auprès de l'exploitant.

Différence avec d'autres stockages de chaleur

Le stockage thermique en bassin enterré se distingue du stockage classique en réservoir d'acier ou de béton surtout par sa taille et son mode de construction. Les stockages en réservoir sont généralement plus petits, plus chers par mètre cube et servent plutôt à la compensation journalière ou hebdomadaire. Les stockages en bassin enterré atteignent en revanche des volumes de quelques dizaines de milliers à plusieurs centaines de milliers de mètres cubes. Ils exigent toutefois beaucoup de surface, des sols appropriés et une étanchéité soignée vis-à-vis du sol et de la nappe phréatique.

Le bassin enterré doit aussi être distingué des stockages par sondes géothermiques et des stockages en aquifère. Dans le stockage par sondes géothermiques, la chaleur est transmise à la roche par des forages. Le stockage de chaleur en aquifère utilise des couches aquifères naturelles du sous-sol. Le stockage en bassin enterré, lui, est un réservoir d'eau artificiel doté d'une enveloppe construite fixe. Le groupe de travail de l'AIE sur les grands stockages de chaleur traite les stockages en réservoir, en bassin enterré, par sondes géothermiques et en aquifère comme les quatre principales techniques pour les réseaux de chaleur.

Rôle dans le réseau de chaleur et le système électrique

Un stockage thermique en bassin enterré est souvent combiné à un grand champ de solaire thermique. Ces installations fournissent beaucoup de chaleur en été, alors que les bâtiments en ont le plus besoin en hiver. Un stockage peut combler une partie de cet écart. « Saisonnier » ne signifie toutefois pas sans pertes. La quantité de chaleur perdue dépend du rapport entre la surface et le volume, de l'isolation de la couverture, du niveau de température et de la durée de stockage. Les grands bassins sont avantagés, car leur volume croît plus vite que leur surface.

Le stockage peut en outre absorber de la chaleur issue d'autres sources, par exemple de centres de données, d'incinération de déchets, de procédés industriels ou de stations d'épuration. Il peut découpler le fonctionnement des installations de cogénération des besoins de chaleur et soulager les chaudières de pointe. Le succès dépend de la structure du réseau. Un réseau à températures de départ élevées pose d'autres exigences qu'un réseau moderne à basse température.

Pour le système électrique, le stockage thermique en bassin enterré est important de manière indirecte. Une pompe à chaleur de grande puissance ou une chaudière électrique, associée à un stockage, n'a pas besoin de fonctionner précisément au moment où le réseau demande de la chaleur. Elles peuvent davantage se régler sur les prix de l'électricité, la situation sur le réseau électrique ou l'offre d'électricité éolienne et solaire. Il en résulte de la flexibilité côté chaleur. Il y a toutefois une limite : un stockage thermique en bassin enterré ne stocke pas d'électricité. Il stocke de la chaleur qui a éventuellement été produite avec de l'électricité. Selon son coefficient de performance annuel, une pompe à chaleur transforme un kilowattheure d'électricité en plusieurs kilowattheures de chaleur. Une chaudière à électrodes ne produit qu'environ un kilowattheure de chaleur par kilowattheure d'électricité. Le stockage ne restitue pas d'électricité sans conversion supplémentaire. Contrairement à une batterie ou à une centrale de pompage-turbinage, il n'est donc pas un stockage d'électricité. Il peut déplacer des pointes de charge, mais ne remplace ni les réseaux électriques ni la puissance garantie.

Site, droit et rentabilité

Le site joue un rôle décisif. Un stockage thermique en bassin enterré nécessite beaucoup de surface à proximité du réseau de chaleur ou d'un tracé de conduites économiquement exploitable. Le sol et la nappe phréatique doivent être appropriés. La nappe ne doit être influencée de manière incontrôlée ni thermiquement ni par des substances. Le revêtement doit résister pendant des décennies aux variations de température, à la chimie de l'eau et aux sollicitations mécaniques. Sur des couvertures remplies d'eau, la surface ne peut guère être utilisée autrement. À proximité des zones habitées, le stockage entre donc en concurrence avec l'habitat, l'agriculture, les activités économiques ou la protection de la nature. Les autorisations nécessaires, par exemple au titre du droit de la construction, du droit de l'eau ou du droit de la protection de la nature, dépendent du Land et du cas d'espèce. Cela doit être vérifié pour chaque site.

Par mètre cube, les stockages thermiques en bassin enterré sont relativement bon marché. Leur valeur économique ne ressort toutefois qu'au niveau du système : par le combustible économisé, une moindre puissance de chaudières de pointe, une meilleure utilisation des sources de chaleur, des coûts de CO₂ réduits et une plus grande marge de manœuvre d'exploitation. Ces avantages échoient souvent à différents acteurs. L'exemple de Høje Taastrup montre comment l'organiser : plusieurs producteurs et exploitants de réseau s'y partagent l'utilité du stockage. La rentabilité d'un stockage dépend donc aussi de la répartition des coûts, des risques et des avantages, ainsi que de la limite du système considérée.

Mise en perspective

Un stockage thermique en bassin enterré n'est pas un stockage d'énergie universel. C'est un grand stockage de chaleur sans pression pour des températures allant jusqu'à environ 90 degrés Celsius. Ses atouts sont de faibles coûts spécifiques pour un très grand volume. Il peut être utilisé sur des semaines ou des mois. Son importance pour la transition de la chaleur découle de l'interaction entre source de chaleur, réseau, exigence de température, surface et stratégie d'exploitation. S'il est planifié en conséquence, il peut réduire la production de chaleur fossile et permettre une flexibilité électrique. Si l'on ne considère que le bassin, son utilité reste invisible.

Sources

IEA-ES Task 39 brochure: Large Thermal Energy Storages – Use cases — IEA Energy Storage TCP, Task 39; unbekannt. Abschnitt Pit Thermal Energy Storages, Use Cases Dronninglund und Høje Taastrup
Dronninglund water pit thermal energy storage dataset — Solar Energy (Elsevier); unbekannt (ca. 2022). Abstract, Einleitung und Abschnitt Storage description
Vojens – Saisonalspeicher.de — Saisonalspeicher.de (Solites); unbekannt. Projektsteckbrief Vojens, Speicherbeschreibung
Experiences from the first short-term pit thermal energy storage — Technical University of Denmark (DTU Orbit); unbekannt (ca. 2023). Abstract
BigStoreDH Factsheet Erdbecken-Wärmespeicher — OST – Ostschweizer Fachhochschule, SPF Institut für Solartechnik; unbekannt (Stand nach 2020). Technologie-Beschreibung und Kenndatentabelle

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Edited by eCMS on 11.11.2026 19:47