Système géothermique

1.4.2 Caractéristiques et utilisation des systèmes géothermiques

Les systèmes géothermiques sont composés de trois éléments principaux : une source de chaleur, un puits de chaleur et un échangeur de chaleur. Généralement, la source de chaleur est le sol tandis que le puits de chaleur est un environnement bâti (en général, une structure). Toutefois, l’inverse peut également se produire, c’est-à-dire que la source de chaleur est un environnement bâti tandis que le puits de chaleur est le sol. L’échangeur de chaleur est généralement constitué d’un ou plusieurs éléments contenant un fluide qui transfère la chaleur entre la source de chaleur et le puits de chaleur.

L’utilisation du sol comme réservoir de chaleur, c’est-à-dire comme source ou puits de chaleur, est le résultat de longs développements historiques qui ne peuvent souvent être abordés que sur la base de considérations indirectes (Cataldi, 1999). Quelques exemples de développement précoce de leur type sont énumérés ci-après. Au début des époques sumérienne et akkadienne, le sol était utilisé comme un puits de chaleur pour stocker la glace (et la nourriture) dans des « maisons de glace » construites partiellement ou complètement sous terre (par exemple, Dalley, 2002), en raison de l’affection limitée de ces environnements pour les conditions thermiques de surface. Au paléolithique et dans l’Antiquité romaine, le sol était utilisé comme source de chaleur pour le bain et le chauffage des locaux (par exemple, Armstead, 1973), en raison de la présence de sources d’eau chaude dans le sous-sol (par exemple, des sources thermales). En 1904, le sol a été utilisé comme source de chaleur pour la production d’énergie électrique via la construction de la première centrale géothermique par le Prince Piero Ginori Conti en Italie (e.g. Lungonelli, 2003).

Une caractéristique clé des systèmes géothermiques est la façon dont l’énergie thermique qui est récoltée dans le sol est utilisée via ces systèmes. Dans les systèmes géothermiques peu profonds, on fait généralement une utilisation indirecte de l’énergie géothermique. Dans ce cas, on utilise des machines ou des dispositifs qui modifient (améliorent ou réduisent) l’apport d’énergie transféré entre le sol et l’environnement cible, ainsi que des machines ou des dispositifs qui forcent un fluide caloporteur à circuler (échange de chaleur) entre eux. Dans les systèmes de géothermie profonde, une utilisation directe de l’énergie géothermique peut être effectuée lorsqu’une utilisation indirecte n’est pas visée. Contrairement au cas précédent, les machines qui modifient l’apport énergétique transféré entre le sol et l’environnement cible peuvent être évitées dans cette circonstance et seules les machines qui forcent un fluide caloporteur à circuler entre le sol et l’environnement cible sont nécessaires.

Les systèmes géothermiques peu profonds peuvent être utilisés pour fournir du chauffage, du refroidissement et de l’eau chaude, en utilisant des températures disponibles dans le sous-sol inférieures à 25°C. Ces systèmes sont adaptés à une utilisation à petite échelle et domestique dans presque tous les lieux géographiques. Les systèmes géothermiques profonds peuvent être utilisés pour fournir du chauffage et de l’eau chaude ainsi que de l’énergie électrique, en utilisant des températures souterraines supérieures à 25°C et pouvant aller jusqu’à 200°C . Ces systèmes sont adaptés à des utilisations à moyenne ou grande échelle, mais peuvent être appliqués dans des endroits plus particuliers que les systèmes géothermiques peu profonds.

En plus de la classification des systèmes géothermiques proposée précédemment, un critère supplémentaire est souvent employé pour caractériser ces systèmes et est lié à la présence de boucles fermées ou ouvertes dans l’échangeur de chaleur. Sur la base de ce critère, les systèmes géothermiques peuvent être classés dans la plupart des cas en systèmes à boucle fermée ou à boucle ouverte. Les systèmes à boucle fermée utilisent un mélange à base d’eau circulant dans des tuyaux étanches pour transférer la chaleur du sol à la superstructure ou vice versa. Les systèmes à boucle ouverte utilisent directement l’eau souterraine extraite ou injectée dans les aquifères par des puits dans le processus d’échange de chaleur considéré.

La différence cruciale entre les systèmes à boucle fermée et à boucle ouverte est que dans ces derniers systèmes, un échange de masse se produit, contrairement aux premiers, et le transfert de chaleur est plus favorable. Cependant, bien que fournissant le meilleur rendement énergétique, les systèmes en circuit ouvert nécessitent un apport financier plus important et présentent des risques techniques liés, par exemple, à la pollution du sous-sol (Boënnec, 2008). Comme il n’y a pas d’échange de masse avec le sol, les systèmes en circuit fermé minimisent les risques environnementaux et les problèmes de précipitation des minéraux, et ne nécessitent pas l’obtention d’un permis d’extraction (Narsilio et al., 2014). Les systèmes géothermiques peu profonds peuvent être à boucle ouverte ou fermée. Les systèmes géothermiques profonds sont à boucle ouverte.

Fig. 1.11 présente des exemples typiques de systèmes géothermiques peu profonds et profonds. Les systèmes géothermiques peu profonds typiques sont les forages géothermiques horizontaux, les paniers géothermiques, les systèmes de captage des eaux souterraines, les forages géothermiques verticaux et les géostructures énergétiques. Les systèmes géothermiques profonds typiques sont les sources thermales, les systèmes hydrothermaux et les systèmes pétrothermaux.

Figure 1.11. Classification des systèmes géothermiques.

Modifié d’après Geothermie Schweiz.

Les forages géothermiques horizontaux sont le type de systèmes géothermiques le moins profond. Ces systèmes consistent généralement en des tuyaux fermés en polyéthylène labourés ou creusés horizontalement dans le sol à côté des bâtiments à quelques mètres de profondeur (à partir d’une profondeur de z= 2-5 m). Dans les tuyaux, un fluide caloporteur en circulation permet l’échange de la chaleur présente dans le sol (principalement sous l’effet du rayonnement solaire), notamment à des fins de chauffage dans des applications résidentielles, agricoles ou aquacoles. Cependant, des objectifs de stockage peuvent également être atteints dans les situations où les forages sont placés sous des bâtiments.

Les paniers géothermiques représentent un système plus compact que les forages géothermiques horizontaux et peuvent être utilisés à des fins similaires. Ces systèmes sont généralement enterrés dans le sol à quelques mètres de profondeur (à partir d’une profondeur de z= 2-10 m) et sont constitués de tuyaux fermés en polyéthylène fixés selon une géométrie en spirale dans laquelle circule un fluide caloporteur. Les applications où les serpentins en spirale sont situés dans des réservoirs d’eau de surface à côté des bâtiments sont également possibles, à condition que ces réservoirs soient situés suffisamment profondément pour éviter des conditions problématiques pour le fonctionnement du système, par exemple le gel de l’eau du réservoir et donc du fluide caloporteur circulant dans les tuyaux.

Les systèmes de captage d’eau souterraine utilisent des puits ouverts entourés de réservoirs d’eau souterraine situés à faible profondeur (à partir d’une profondeur de z= 5-20 m). Ces systèmes peuvent être appliqués en l’absence de contraintes hydrologiques, géologiques et environnementales. Ils sont généralement utilisés à des fins de chauffage en extrayant l’énergie thermique présente dans l’eau souterraine. Pour les petites constructions, des puits simples peuvent être utilisés. Les constructions plus importantes nécessitent généralement des puits doubles. Des puits d’extraction et d’injection peuvent être employés pour assurer un champ thermique souterrain équilibré, ce qui est essentiel pour le rendement et, dans certains cas, pour les préoccupations environnementales.

Les forages géothermiques verticaux consistent en des tuyaux fermés en polyéthylène qui sont enfoncés verticalement dans le sol sous ou à côté des bâtiments à des profondeurs plus importantes que les applications précédentes (à partir d’une profondeur de z= 50-300 m). Un matériau de remplissage (par exemple, de la bentonite) est généralement placé dans le trou de forage pour améliorer l’échange de chaleur entre le sol et les tuyaux. Un fluide caloporteur circulant dans les tuyaux permet d’échanger de la chaleur à des fins de chauffage, de refroidissement, de stockage et de production d’eau chaude dans les types de construction les plus divers. Des forages simples peuvent alimenter de petites constructions résidentielles. Des champs de forages sont nécessaires pour alimenter en énergie thermique des constructions plus importantes. Des apports énergétiques plus élevés que ceux transférés par des systèmes géothermiques moins profonds peuvent être obtenus par des forages géothermiques verticaux en raison des niveaux de température plus élevés caractérisant le sol aux profondeurs considérées.

Les géostructures énergétiques sont de nouveaux systèmes géothermiques qui couplent (à partir d’une profondeur de z=10-50 m) le rôle de support structurel de toute structure en contact avec le sol avec le rôle d’échangeur de chaleur des systèmes géothermiques peu profonds avec des résultats comparables et même plus favorables que les systèmes décrits précédemment.

Les sources thermales peuvent généralement être classées comme des systèmes géothermiques profonds, bien qu’elles puissent également être trouvées à des profondeurs caractéristiques des systèmes géothermiques peu profonds. Ces systèmes utilisent des puits ouverts entourés de réservoirs d’eau souterraine chaude qui sont situés relativement profondément dans le sous-sol (à partir d’une profondeur de z= 500-1000 m). Ils sont typiquement utilisés pour le bain et à des fins médicales en extrayant l’énergie thermique présente dans l’eau souterraine.

Les systèmes hydrothermiques extraient l’eau souterraine par des puits ouverts à des profondeurs qui permettent à la température et à l’énergie thermique présentes d’être suffisamment élevées pour réaliser des applications de chauffage à grande échelle (à partir d’une profondeur de z= 1000-4000 m). Les utilisations typiques de ces systèmes sont le chauffage urbain, mais le chauffage de grandes constructions industrielles ou agricoles peut également être réalisé de manière pratique.

Les systèmes pétrothermiques extraient également les eaux souterraines par des puits ouverts, mais à des profondeurs plus importantes que les systèmes hydrothermaux (à partir d’une profondeur de z= 4000-6000 m). La température et l’énergie thermique présentes dans l’eau à ces profondeurs peuvent être utilisées pour la production et l’alimentation en énergie électrique à grande échelle.