Chauffage : l’énergie du sol

La géothermie est d’abord la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre. Par extension, ce terme désigne aussi l’ensemble des applications techniques qui permettent d’exploiter les sources d'énergie géothermique⁵.

Le mot « géothermie » est issu du grec « gê »(terre) et « thermos »(chaud). Il traduit donc le fait que la Terre est une source de chaleur, c’est-à-dire d’énergie.

Le principe de la géothermie est d’extraire cette énergie contenue dans le sol pour l'utiliser sous forme de chauffage ou d'électricité⁶.

La question de l’origine de la chaleur terrestre se pose. En fait les sources de chaleur sont multiples.

Une partie de la chaleur de la Terre est une relique de sa formation, il y a 4,55 milliards d'années. Pour donner naissance à la Terre, des poussières, des gaz, des roches flottant dans la banlieue du tout jeune soleil se sont assemblées par accrétion. Au centre, dans le noyau, une énergie considérable s'est accumulée dans la masse. Elle correspond à l'énergie potentielle issue de la condensation de la planète. Le centre de la Terre est une vraie fournaise : la température du noyau frise les 4 200°C. Le manteau de roche en fusion qui l'entoure est lui aussi très chaud, sa température variant entre 1 000 et 3 000 degrés⁷ (on peut visualiser la structure du globe terrestre sur la figure n°1).Cette chaleur contenue au centre du globe se propage à travers les différentes couches qui le constituent, créant ainsi un flux de chaleur.

Cependant les roches intermédiaires de l'écorce terrestre sont de très mauvais conducteurs, ce qui induit une diminution de la chaleur transmise (et donc de la température) au fur et à mesure qu’on se rapproche de la surface du globe. C’est ce qu’on appelle le gradient géothermal. Ce gradient est variable selon la zone considérée et dépend de la configuration géologique du lieu, mais globalement la température ne fait que diminuer entre le centre de la Terre (le point le plus chaud) et la surface (le point le plus froid). Le gradient géothermal est en moyenne de 4°C tous les 100 m en France, et varie de 10°C/100 m dans le nord de l'Alsace à seulement 2°C/100 m au pied des Pyrénées⁸.

Pourtant, la chaleur dégagée par notre globe n'a pas pour principal responsable le refroidissement de son noyau, mais la désintégration des éléments radioactifs présents dans ses roches : uranium, thorium, potassium, etc. 90% de l'énergie dissipée provient en effet de ce mécanisme. La chaleur émise par la fission varie avec la composition chimique des roches – elle est environ trois fois plus élevée, par exemple, pour les granites que pour les basaltes. Elle varie aussi selon l'âge des roches⁹.

Le soleil est aussi une source de chaleur. Chaque jour, la terre emmagasine l’énergie solaire et la stocke sous forme de calories dans le sol. Cette chaleur de surface peut être captée, moyennant un réseau de tuyaux enterrés. Il s’agit davantage de chauffage « géosolaire » que de géothermie, la recharge thermique n’étant assurée que par le soleil et l’infiltration de la pluie¹⁰.

Les applications de la géothermie sont multiples.

On peut voir les 4 niveaux d’énergies (plus la géothermie profonde) et leurs principales applications sur la figure n°2.

Figure n°2 : les différents types de géothermie et leurs utilisations
Source: http://www.ademe.fr/midi-pyrenees/a_2_15.html

La géothermie permet donc une utilisation directe de la chaleur (basse et très basse énergie) ou la production d’électricité (haute et moyenne énergie). Ce sont les deux grands domaines d’application de la géothermie.

Dans le domaine du bâtiment, les deux techniques qui vont nous intéresser plus particulièrement sont la pompe à chaleur pour le chauffage des habitations et le chauffage urbain.

Principe

La géothermie très basse énergie est définie par l’exploitation d’une ressource présentant une température inférieure à 30°C, qui ne permet pas, dans la plupart des cas, une utilisation directe de la chaleur par simple échange. Elle nécessite donc la mise en œuvre d’une pompe à chaleur qui prélève cette énergie à basse température pour l’augmenter à une température suffisante pour le chauffage d’habitations par exemple.

Cette opération requiert un peu d’énergie électrique et l’utilisation d’un fluide frigorigène dont le changement d’état (vapeur ou liquide) permet de transférer les calories captées dans le sous-sol vers les logements (voir le cycle du fluide sur la figure n°3).

Figure 3 : cycle du fluide frigogène
Source:www.ademe.fr/
midi-pyrenees/a_2_16.html

La géothermie très basse énergie concerne l’exploitation de deux types de ressources : l’énergie naturellement présente dans le sous-sol à quelques dizaines – voire des centaines – de mètres et dans les aquifères (zones chargées en eau) qui s’y trouvent.

En France, la température moyenne au niveau du sol est en général de 10 à 14°C et au fur et à mesure que l’on s’enfonce dans le sous-sol, celle-ci augmente en moyenne de 4°C tous les 100 m (gradient géothermal).

La chaleur emmagasinée dans le sol est accessible en tout point du territoire. Les techniques de capture de cette énergie seront adaptées en fonction des besoins thermiques et des types de terrains rencontrés.

La PAC peut aussi servir à rafraîchir un bâtiment si elle est réversible. Elle prend alors les calories dans la pièce à rafraîchir et les rejette dans le sol.

La performance énergétique de chaque installation se caractérise par le coefficient de performance (COP):
COP = quantité de chaleur fournie / énergie consommée par le compresseur et les auxiliaires.

Ce coefficient ne dépend pas que du matériel. Il peut varier considérablement si les conditions d’utilisation ne sont pas optimales. L’échelle de valeur de COP s’étend aujourd’hui de 1,5 à 4,5 . Autrement dit : avec 1 kWh électrique consommé, on produit de 1,5 à 4,5 kWh thermique¹².

La PAC en pratique¹³

Il existe trois grandes familles de captage :

Le captage horizontal.

Les capteurs sont constitués de tubes en polyéthylène ou de tubes en cuivre gainés de polyéthylène qui sont installés en boucle. Dans ces boucles circule en circuit fermé de l’eau additionnée d’antigel ou le fluide frigorigène de la pompe à chaleur (selon la technique utilisée)

Les contraintes en terme de pose et d’utilisation du terrain sont importantes : les capteurs doivent être enterrés à plus de 60 cm de profondeur (1m à 1.2m recommandé), en boucles distantes d’au moins 40 cm (80 cm recommandé) entre elles, se trouver à au moins 2 ou 3 mètres de tout arbre ou ouvrage (puits, fosses sceptique…) ; la surface doit rester perméable et ne pas être traversée de réseaux d’eau.

Un captage horizontal nécessite une surface de 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer selon la région.

Le captage vertical

Les capteurs sont constitués de deux tubes en polyéthylène formant un U installés dans un forage de 15 cm de diamètre et de 50 à 100 m de profondeur. De l’eau glycolée y circule en circuit fermé.

Un puits vertical est plus onéreux qu’un capteur horizontal mais il entraîne moins de contraintes dans la gestion du terrain et sa performance est plus constante. Par contre, il requiert plus de technicité de mise en œuvre et le nombre de foreurs qualifiés pour les réaliser en France est réduit. Il faut de plus respecter les démarches administratives concernant la protection du sous-sol (déclaration de sondage à la DRIRE, loi sur l’eau…).

Le captage vertical sur nappe d’eau

Cette technique est intéressante dans les cas de terrains exigus ou accidentés. Il consiste à prélever de l’eau sur les nappes présentes dans le sol. La profondeur peut se situer entre 10 et 30 m.

Le captage peut se faire par puit unique avec rejet des eaux en surface ou par double puit avec réinjection des eaux en profondeur.


Quelque soit la solution de captage retenue, la chaleur produite par la PAC est transmise dans le bâtiment par l’intermédiaire d’un circuit de distribution hydraulique : plancher chauffant, réseau de radiateurs (température maximale de l’eau de chauffage: 45°C), ou tout autre solution utilisant l’eau chaude comme vecteur de chauffage.

Pour une maison individuelle, un chauffage par PAC géothermique coûte de 70 à 100 euros par m² chauffé (sans option) avec captage horizontal et de 140 à 180 euros/m2 pour un captage vertical (valeur 2006).

Dimensionnement

Une erreur fréquente est de surdimensionner le système de pompe à chaleur. Trop puissante, elle sera plus chère à l'achat et aura des cycles courts de fonctionnement qui pénalisent fortement la performance et la durée de vie. Il vaut mieux prévoir un chauffage d'appoint pour les jours de très grand froid.

La longueur du forage vertical est d'environ 15m par kW installés. Si la longueur à prévoir dépasse 100m, il est préférable de faire deux forages.

Le dimensionnement de l’installation doit également prendre en compte le type d’émeteur et la temperature d’eau requise.

Avec un plancher chauffant et une eau à 35°, les systèmes haut de gamme atteignent des COP de 4,5 tandis que les systèmes de gamme courante (majorité du marché français) plafonneront à 3 (mesures réelles disponibles sur www.areneidf.com )

Avec des radiateurs de chauffage central et une eau à 45°, le COP des meilleurs systèmes sera de l'ordre de 2,5 à 3,2 (1kWh électrique consommé pour 2,5 à 3,2 kWh de chaleur produite).

Principe

La géothermie basse énergie nécessite des forages pouvant atteindre des gisements situés entre 1500 et 2500 m de profondeur. Plusieurs types d’installations existent pour extraire la chaleur contenue à ces profondeurs et notamment le doublet géothermique.

On désigne sous le nom de "doublet" l'ensemble de deux forages destinés, l'un à l'extraction de l'eau chaude par un forage d'exploitation et l'autre à la réinjection dans la même nappe de l'eau refroidie. Ceci nécessite à la fois une pompe d'extraction et une pompe d'injection. La pompe de production assure la remontée de l'eau géothermale jusqu'à un échangeur thermique qui transfert la chaleur au réseau de chauffage urbain. Cette pompe et son moteur sont généralement immergés à l'intérieur du puits de production entre -100 et -400 mètres de profondeur. Le débit d'eau varie avec la pression de la pompe. Cette pompe n'est pas nécessaire lorsque la pression de l’eau en profondeur est suffisante pour la faire remonter à la surface (ce phénomène s'appelle l'artésianisme). Une fois la chaleur extraite, elle peut donc être utilisée pour le chauffage urbain mais aussi avec une pompe à chaleur classique.

Opérations

La principale application actuelle de la géothermie basse énergie reste le chauffage urbain.

En effet, la plupart des opérations entreprises en France concernèrent le chauffage de logements collectifs par réseaux de chaleur dans le bassin parisien et en Aquitaine, entre 1982 et 1986. Sur les 70 opérations lancées, 60 fonctionnent encore dont 41 dans le bassin parisien et 15 en Aquitaine¹⁴. Au total se sont près de 200 000 logements qui sont chauffés par ces réseaux de chaleur¹⁵.

L’exemple du bassin parisien est intéressant. Ce site bénéficie d’une très bonne coïncidence entre les ressources géologiques et la demande de chauffage, puisque de nombreuses agglomérations sont situées au dessus d’aquifères continus.

Ce bassin sédimentaire comporte cinq grands aquifères dont le Dogger (exploité par un doublet) qui s’étend sur plus de 15 000 km² avec des températures variant de 56 à 85°C. Ce réservoir assure aujourd’hui le fonctionnement de 34 installations géothermales¹⁶.