Que sont les cavernes salines ? Fonctionnement et stockage d’énergie
Les cavernes salines occupent une place croissante dans le développement du stockage souterrain de l’énergie. En 2026, l’AIE indique que des cavernes salines de grande échelle destinées au stockage d’hydrogène sont en construction dans plusieurs pays, notamment aux États-Unis, en Allemagne et en Chine [7]. Leur intérêt réside notamment dans leur flexibilité opérationnelle, caractérisée par des capacités élevées d’injection et de soutirage.
Avec le développement des technologies à faibles émissions de carbone, le besoin de solutions capables de stocker de grandes quantités d’énergie sur de longues périodes augmente. Dans son scénario de zéro émission nette, l’AIE estime que les besoins de stockage d’hydrogène pourraient atteindre 410 milliards de m³ d’ici 2050, soit un volume comparable aux infrastructures actuelles de stockage du gaz naturel [6]
Pour comprendre ce potentiel, il faut examiner les propriétés du sel gemme, la construction des cavernes et les différentes formes d’énergie qui peuvent y être stockées.
Ce qui rend le sel gemme géologiquement unique
Une caverne saline est une cavité souterraine aménagée au sein d’une formation de sel gemme. Elle est généralement créée par lixiviation, un procédé qui consiste à injecter de l’eau dans la roche pour dissoudre une partie du sel, puis à extraire la saumure produite. Une fois aménagée, la cavité peut servir au stockage souterrain du gaz naturel, de l’air comprimé ou de l’hydrogène.
La fiabilité de ce type d’installation repose en grande partie sur les caractéristiques de la roche qui en forme les parois. Aussi appelé halite, le sel gemme correspond à la forme minérale naturelle du chlorure de sodium (NaCl). Il se rencontre principalement sous forme de couches sédimentaires ou de dômes, issus de l’évaporation d’anciennes étendues d’eau salée.
Une roche très peu perméable
Le sel gemme se distingue d’abord par sa capacité à limiter la circulation des fluides. Lorsqu’une caverne et son puits sont correctement conçus et exploités, cette faible perméabilité contribue à confiner efficacement le gaz ou le liquide stocké.
La roche saline présente généralement une faible porosité et une très faible perméabilité, deux propriétés importantes pour réduire la migration des fluides à travers la formation [1]. Des mesures réalisées sur des échantillons de sel gemme montrent que la taille des pores peut varier de 0,01 à 300 µm, avec une majorité inférieure à 1 µm [2].
Les connexions entre les pores sont encore plus petites. Selon la méthode d’analyse employée, les structures poreuses caractéristiques se situent à l’échelle de quelques dizaines de nanomètres : l’étude rapporte notamment une plage principale d’environ 15 à 50 nm et, avec l’adsorption d’azote, des tailles caractéristiques principalement comprises entre 10 et 30 nm [2]. Ce réseau de passages microscopiques joue un rôle déterminant dans la perméabilité réelle de la roche.
La combinaison d’une structure dense, d’une faible circulation des fluides et de propriétés mécaniques particulières fait ainsi du sel gemme un milieu favorable au stockage géologique de l’énergie [3].
Plasticité et fluage : une roche capable de se déformer
Le sel gemme ne se comporte pas comme une roche rigide ordinaire. Sous l’effet d’une contrainte prolongée, il peut se déformer lentement sans se rompre immédiatement. Ce phénomène, appelé fluage, correspond au déplacement progressif de la matière au cours du temps.
Cette capacité de déformation plastique distingue le sel de nombreuses roches encaissantes plus rigides [1]. Sous la pression exercée par les formations géologiques environnantes, il tend progressivement à épouser la forme de la cavité et à réduire certains vides ou fissures. Cette déformation progressive peut ainsi favoriser le confinement, tout en influençant le comportement de la caverne au fil du temps [3].
L’auto-cicatrisation des microfissures
Le sel gemme possède une capacité de récupération partielle après endommagement. Ce phénomène, souvent appelé auto-cicatrisation, ne repose pas sur un mécanisme unique. Il peut notamment résulter de :
la fermeture mécanique des fissures sous l’effet de la pression;
la déformation progressive liée au fluage;
certains phénomènes de recristallisation, favorisés par la pression et la température.
Des expériences en laboratoire montrent que certaines propriétés du sel endommagé peuvent ainsi se rétablir progressivement. Dans une étude fondée sur des mesures de vitesse d’onde, la récupération a d’abord été rapide, puis a ralenti jusqu’à tendre vers une stabilisation après environ 600 heures [1]. Ces résultats sont compatibles avec une fermeture ou une cicatrisation partielle des microfissures, sans pour autant signifier que la roche retrouve entièrement son état initial.
En profondeur, la pression géologique peut également favoriser la fermeture de certaines fissures autour d’une caverne [4]. Cette capacité contribue au confinement, mais elle ne garantit pas à elle seule l’étanchéité du stockage. Celle-ci dépend aussi de plusieurs facteurs, notamment de la qualité du puits, de la géométrie de la caverne, de la pression d’exploitation et des cycles d’injection et de soutirage.
Les conditions souterraines évoluent par ailleurs sous l’effet combiné de la température, des fluides et des contraintes mécaniques. Les recherches menées dans des conditions thermo-hydro-mécaniques couplées montrent que ces interactions peuvent modifier la perméabilité et la structure poreuse du sel [3].
Comment une caverne saline se forme ?
Une caverne saline n’est pas creusée mécaniquement comme une mine traditionnelle. Elle est aménagée par dissolution contrôlée du sel gemme à l’aide d’eau. Ce procédé, appelé lixiviation ou solution mining, permet de façonner progressivement une cavité souterraine destinée au stockage.
Avant les travaux, des études géologiques permettent de vérifier que la formation saline présente une épaisseur et des propriétés mécaniques adaptées. Les cavernes peuvent notamment être aménagées dans :
un banc de sel, qui forme une couche sédimentaire étendue;
un dôme de sel, une structure plus verticale pouvant atteindre une profondeur importante.
Une fois le site sélectionné, un puits est foré jusqu’à la formation saline. Des conduites sont ensuite installées afin de faire circuler l’eau et la saumure entre la surface et le sous-sol.
La lixiviation du sel
La formation d’une caverne saline se déroule ensuite en plusieurs étapes :
Forage du puits : un puits est réalisé jusqu’à la formation saline et équipé de conduites permettant de contrôler la circulation de l’eau et de la saumure.
Injection de l’eau : de l’eau est envoyée sous pression dans le sel afin d’en dissoudre progressivement une partie [4].
Extraction de la saumure : l’eau saturée en sel est remontée vers la surface pour être traitée, utilisée ou éliminée selon les conditions du projet.
Contrôle de la forme de la cavité : la position des conduites et la circulation des fluides sont ajustées afin de donner à la cavité les dimensions recherchées.
Préparation au stockage :une fois la forme souhaitée obtenue, la lixiviation est arrêtée et la caverne est préparée pour l’injection et le soutirage du produit qui y sera stocké [4].
Une fois aménagée, la cavité bénéficie des propriétés naturelles du sel gemme, notamment de sa très faible perméabilité et de sa capacité à se déformer lentement sous contrainte. Ces caractéristiques contribuent au confinement du fluide à l’intérieur de la formation.
Le rôle stratégique des cavernes salines dans la transition énergétique
Au-delà de leurs caractéristiques géologiques, les cavernes salines pourraient jouer un rôle important dans le développement du stockage d’énergie à grande échelle. Leur capacité à accueillir d’importants volumes d’hydrogène et à permettre des cycles d’injection et de soutirage en fait notamment une option étudiée pour accompagner l’évolution des systèmes énergétiques.
Des besoins croissants en stockage souterrain d’hydrogène
Les besoins à long terme pourraient être considérables. Dans son scénario Net Zero Emissions, l’AIE estime que plus de 230 TWh de stockage d’hydrogène seraient nécessaires dès 2035. À l’horizon 2050, ces besoins pourraient atteindre 410 milliards de m³ [6].
Le stockage permet notamment de dissocier dans le temps la production et l’utilisation de l’hydrogène. Lorsqu’il est produit pendant des périodes de forte disponibilité d’électricité renouvelable, l’hydrogène peut être conservé pour être utilisé ultérieurement. L’IRENA souligne ainsi son potentiel pour assurer une flexibilité à différentes échelles de temps, y compris sur des périodes saisonnières [5].
À grande échelle, ces infrastructures pourraient notamment contribuer à :
absorber certains surplus de production renouvelable;
transférer de l’énergie entre différentes périodes de l’année;
fournir une flexibilité sur plusieurs semaines ou plusieurs mois;
sécuriser l’approvisionnement de certains usages industriels et énergétiques.
Ces fonctions complètent celles des batteries : alors que celles-ci répondent principalement à des besoins de courte durée, l’hydrogène peut contribuer au stockage sur plusieurs semaines ou plusieurs mois [5].
Les cavernes salines, un levier pour le stockage énergétique
Les cavernes salines occupent une place particulière parmi les solutions de stockage souterrain de l’énergie. Leur faible perméabilité, leur capacité de déformation et la cicatrisation partielle de certaines fissures permettent d’aménager d’importants volumes de stockage, notamment pour l’air comprimé et l’hydrogène.
Dans des systèmes énergétiques intégrant une part croissante de production renouvelable variable, les formations salines peuvent contribuer au stockage de longue durée et à grande échelle. Elles constituent ainsi une ressource géologique à considérer en complément d’autres solutions de stockage.
C’est dans cette perspective que Squatex s’intéresse aux différentes fonctions du sous-sol dans la transition énergétique, depuis le stockage à grande échelle jusqu’à l’exploration de ressources comme l’hydrogène naturel.
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Références
[1]: Chen, Jie, et al. "Self-Healing Characteristics of Damaged Rock Salt under Different Healing Conditions." Materials, vol. 6, no. 8, 2013, pp. 3438–3450. MDPI, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC5521314/.
[2]: Chen, Jianwen, Erbing Li, and Jin Luo. "Characterization of Microscopic Pore Structures of Rock Salt through Mercury Injection and Nitrogen Absorption Tests." Geofluids, vol. 2018, Article ID 9427361. Hindawi, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1155/2018/9427361.
[3]: Liang, Xufeng, et al. "Evolution of Permeability and Pore Structure of Salt Rock and Its Self-Healing Mechanism under Coupled Thermo-Hydro-Mechanical Environment." Journal of Energy Storage, vol. 66, 2023, Article 107476. Elsevier, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352152X23008733.
[4]: U.S. Energy Information Administration. "Salt Caverns Account for 23% of U.S. Underground Natural Gas Storage Daily Deliverability." Today in Energy, 22 Sept. 2011, https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=3190.
[5]: International Renewable Energy Agency. Innovation Landscape for Smart Electrification: Decarbonising End-Use Sectors with Renewable Power. IRENA, 2023, https://www.irena.org/Publications/2023/Jun/Innovation-landscape-for-smart-electrification.
[6]: International Energy Agency. Global Hydrogen Review 2024, IEA, 2024, section “Trade and infrastructure”, https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2024
[7]: International Energy Agency. Global Hydrogen Review 2026. “Trade and Infrastructure.” IEA, 2026, https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2026/trade-and-infrastructure.
