La géothermie

Qu’est-ce que la géothermie ?

La géothermie est une branche de la géophysique dédiée à l’étude des conditions thermiques de la Terre. Le mot est d’origine grecque, dérivé de « geos » qui signifie terre, et de « thermos » qui signifie chaleur : la chaleur de la terre. Il est utilisé indistinctement pour désigner à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes de la planète et l’ensemble des procédés industriels qui tentent d’exploiter cette chaleur pour produire de l’énergie électrique ou de la chaleur utile pour un poêle.

Un des usages les plus remarquables de cette technique est l’extraction de l’énergie géothermique. Chauffage géothermique, production d’électricité… Cette énergie renouvelable est celle qui a connu le plus grand essor ces dernières années. Bien que l’énergie géothermique soit utilisée depuis des siècles et possède un très grand potentiel elle est longtemps restée marginale.

Contrairement à la plupart des énergies renouvelables, la géothermie ne provient pas du rayonnement solaire, mais de la différence de température qui existe entre l’intérieur de la terre et sa surface.

energie-geothermique

Définition de l’énergie géothermique

Nous pouvons définir l’énergie géothermique comme étant de l’énergie stockée sous forme de chaleur sous la surface de la terre. Elle comprend la chaleur emmagasinée dans les sols, les roches, les eaux souterraines, quelles que soient leur température, leur profondeur et leur origine. De cette façon, nous savons que, dans une plus ou moins grande mesure, une grande réserve d’énergie est stockée sous nos pieds, à nous de l’exploiter au mieux.

De quelle classe d’énergie s’agit-il ?

En fonction de l’enthalpie* et de la température dans le sous-sol, l’énergie géothermique peut être utilisée, pour deux applications principales : la chaleur (climatisation, eau chaude sanitaire, chauffage géothermique) et la production d’énergie électrique.

La climatisation géothermique est un système de climatisation (chauffage et/ou refroidissement) qui utilise la grande inertie thermique du sous-sol peu profond. On utilise une pompe à chaleur qui est une machine thermique qui permet de transférer de l’énergie sous forme de chaleur d’un environnement à un autre selon les besoins. Son fonctionnement est très similaire à celui d’une climatisation traditionnelle qui fonctionne pour le froid ou comme chauffage. Le sous-plancher est habituellement à une température neutre tout au long de l’année (plus frais en été que l’air et plus chaud en hiver), de sorte que le rendement de la thermopompe est très élevé, car elle nécessite moins de travail pour effectuer le transfert d’énergie.

L’application de la géothermie à très basse enthalpie pour produire de la chaleur pour le chauffage géothermique et/ou la climatisation est souvent exploitée dans les collèges et les écoles, de même que dans les hôpitaux.

chaleur-du-sol

Variation de la température de la terre en profondeur

En y prêtant attention, quelle que soit l’époque de l’année, la température du sol est relativement stable à 10 mètres de profondeur. C’est à partir d’une profondeur de 15 à 20 mètres, que l’on considère que le sol commence à être à une température constante toute l’année, quelle que soit la température extérieure.

A partir de 20 mètres de profondeur, la température augmente d’environ 3 º C pour chaque 100 mètres de profondeur en raison du gradient géothermique. Plus on s’enfonce, plus l’énergie provenant de l’intérieur de la terre est importante, contrairement à celle du soleil qui diminue. Cependant, dans les premières dizaines de mètres, le soleil est une source d’énergie, qui non seulement chauffe la croûte terrestre, mais aussi toute l’atmosphère, et donc l’eau de pluie qui devient un apport supplémentaire d’énergie au terrain.

Nous pouvons profiter de cette énergie disponible en la captant à l’aide d’un échangeur à base de fluide caloporteur.

Comment capter l’énergie géothermique ?

Nous avons vu jusqu’à présent que nous disposons d’une source d’énergie inépuisable en toutes saisons. Pour profiter de cette énergie, nous avons besoin de systèmes qui nous permettent de la capter ou de la transférer par suite du saut thermique entre le sol et le fluide caloporteur.
Il est également possible d’extraire l’eau souterraine (nappe phréatique) et de profiter de sa température.

Les systèmes de captage de l’énergie géothermique

Grâce à l’installation d’une série de tuyaux en polyéthylène, appelés collecteurs horizontaux, à travers desquels l’eau circule avec du glycol (antigel), il est possible de récupérer une partie de l’énergie de cette eau souterraine. Il est nécessaire que la parcelle ait une grande surface pour pouvoir réaliser la pose du circuit à faible profondeur.

Dans ce système, en raison de la faible profondeur à laquelle les conduites sont enterrées (0,6 à 1,5 m), le climat a une influence particulière. Le sol sert d’accumulateur de l’énergie solaire, la géothermie jouant un rôle secondaire.

forage-sonde-geothermique

Captage géothermique vertical avec puits ou sondes géothermiques

Dans le cas où la surface disponible n’est pas suffisante pour exécuter le système ci-dessus, s’il y a des conduits dans le sous-sol, ou si la demande en énergie est élevée, le système de sondes géothermiques (capteurs de chaleur) est utilisé en position verticale. Pour cela, il existe un ou plusieurs forages d’une profondeur de 25 à 150 mètres et d’un diamètre de seulement 10-15 cm.
Ce système a l’avantage de prendre peu de place et d’offrir une grande stabilité en température.
Lorsque, pour des raisons de fondation et de faible résistance du sol, des pieux sont nécessaires, ces éléments sont utilisés pour capter l’énergie géothermique en intégrant les sondes dans l’armature.
Des éléments enterrés nécessaires à la construction d’un bâtiment sont mis à profit, évitant ainsi de faire des sondages exclusifs pour l’installation.

Captage géothermique dans les lacs ou les rivières

C’est le système le plus économique car aucun puits ou excavation n’est nécessaire. Cela consiste à profiter des rivières ou des lacs qui ont des eaux thermales à une température appropriée. On y introduit directement les collecteurs pour effectuer l’échange thermique avec l’eau et non avec la terre.

  • Energie thermique issue de lacs d’eau chaude (énergie géothermique à eau chaude lacustre).
  • Système ouvert avec captage géothermique souterrain.

Les systèmes vus dans les sections précédentes correspondent à des circuits fermés. Le fluide caloporteur qui circule dans les tuyaux n’est pas en contact avec le sol ou l’eau, et il y a un échange thermique entre eux. Il doit y avoir une pompe hydraulique en surface qui doit compenser la perte de charge du circuit.

Il existe un système ouvert qui consiste à capter les eaux souterraines. Pour ce faire, l’eau est extraite vers la pompe à chaleur et retournée à un autre point du sous-sol dans un trou de forage différent.

Captage géothermique des eaux souterraines en circuit ouvert

La pompe hydraulique doit avoir une puissance élevée car elle doit assurer un débit suffisant. L’inconvénient est que le rendement peut être inférieur à celui des systèmes décrits ci-dessus, en raison de la consommation électrique élevée de la pompe.

usine-captage-geothermique

Comment exploiter cette énergie ?

Pour ce faire, nous avons besoin d’un équipement qui nous permet d’absorber l’énergie captée au point chaud et de l’acheminer au point froid. Ainsi, elle pourra être mise à profit dans les systèmes de chauffage, d’eau chaude sanitaire et/ou de climatisation. Cet équipement s’appelle une pompe à chaleur géothermique, ou thermopompe.

Une thermopompe est un équipement thermique qui utilise le cycle de réfrigération d’un réfrigérant pour absorber la chaleur d’une source chaude (air ou eau) à travers un circuit fermé et la transférer à une source froide.

Dans une pompe à chaleur air-air, l’énergie est absorbée par l’air extérieur et transférée à l’environnement intérieur. C’est le cas des systèmes de pompes à chaleur réversible en fonctionnement hivernal. Ces équipements ont de très bonnes performances et ils sont largement utilisés, mais ces dernières peuvent se voir affectées en fonction des conditions environnementales extérieures.

Il en va de même pour les pompes à chaleur aérothermiques (air-eau) qui, bien qu’elles aient également des performances élevées, dépendent des conditions climatiques extérieures pour être plus ou moins efficaces.

Les pompes à chaleur géothermiques fonctionnent selon le même principe, mais leur rendement est constant tout au long de l’année, car il ne dépend pas de la température de l’environnement extérieur. Les pompes à chaleur géothermiques sont du type eau-eau.

A noter que l’on ne parle pas de production de chaleur, mais de récupération, l’énergie étant simplement latente en profondeur.

Quels sont les avantages des pompes à chaleur géothermiques eau-eau ?

Si vous avez compris tout ce qui a été dit jusqu’à présent, vous comprendrez les avantages d’une pompe à chaleur géothermique eau-eau :

  • Nous avons une température constante tout au long de l’année (celle de la terre).
  • La performance de la pompe à chaleur géothermique ne dépend pas des conditions extérieures, car elle absorbe ou abandonne toujours de l’énergie à la même température.
  • La pompe à chaleur géothermique est l’un des équipements de transfert de chaleur les plus efficaces sur le marché.
  • Nous n’aurons que la consommation de la pompe de circulation du fluide de chauffage (eau avec antigel) et du compresseur.

Ces équipements ont connu au cours des dernières années une grande évolution, obtenant des COP (efficacité thermique) allant jusqu’à 5 et des EER (efficacité à froid) allant jusqu’à 6.
Il s’agirait donc d’équipements à haut rendement énergétique avec les classes d’efficacité A+ et A+++ pour les systèmes de chauffage géothermique.

Quelles sont les applications de la géothermie ?

Les applications de l’énergie géothermique sont les suivantes :

  • Chauffage par géothermie de petite et moyenne puissance.
  • Production d’eau chaude sanitaire par géothermie.
  • Chauffage de l’eau de piscine.
  • Plancher rafraîchissant.

En été, en inversant le cycle, nous absorbons la chaleur de l’intérieur du bâtiment et la transférons dans le sous-sol ou dans une piscine. De cette façon, le système de chauffage par le sol agira comme un système de refroidissement pour la maison.

Pour les articles publiés dans ce site sur l’efficacité énergétique, nous réaliserons que la meilleure option dans tout système de pompe à chaleur avec système de chauffage géothermique à eau, est l’installation de chauffage à basse température (chauffage par le sol), pour obtenir une efficacité maximale.

Même en combinaison avec des installations solaires thermiques, nous obtiendrons d’importantes économies d’énergie et des réductions significatives des émissions de CO2 avec lesquelles nous aurons une bonne cote énergétique.

Quel est le prix d’une installation géothermique ?

Le prix d’une installation géothermique peut être très varié, car il dépend de nombreuses variables telles que la demande d’énergie, le type de terrain, la salle des machines, le type de collecte.

Prenons un exemple :

  • Maison familiale de 200 m2.
  • Chaleur nécessaire : env. 12 kW.
  • Demande en eau chaude sanitaire : 2 kW.
  • Demande à froid : 6 kW.
  • Puissance de la pompe à chaleur géothermique : 14 kwh
  • Collecte verticale (puits) : 2 puits de 100 m chacun.
  • Réservoir d’eau chaude sanitaire et réservoir d’inertie.
  • Système de régulation.
  • Mise en service.

PRIX APPROXIMATIF INSTALLATION GÉOTHERMIQUE : 25.000 EUROS

Avantages de la géothermie

Les principaux avantages d’une installation géothermique sont les suivants :

    • Énergie propre.
    • Énergies renouvelables.
    • Système efficace.
    • De l’énergie pour tous.
    • Énergie continue, contrairement au solaire et au vent.
    • Pompes à chaleur actuelles à haut rendement.
    • Émissions de CO2 très inférieures à celles des autres combustibles.
    • Coûts d’exploitation réduits.

Inconvénients de la géothermie :

Les principaux inconvénients de la géothermie sont les suivants :

  • Il est conseillé de réaliser une étude de faisabilité économique du projet.
  • Selon l’ampleur de l’installation, une étude géotechnique peut être requise.
  • Coût initial plus élevé, surtout dans le cas de la collecte verticale.
  • Périodes d’amortissement moyennes à élevées (entre 5 et 7 ans).

*En physique, la variable enthalpie est une quantité reliée à l’énergie d’un système thermodynamique. Elle comprend l’énergie interne du système, à laquelle est ajouté le produit de la pression par le volume. Source Wikipédia.