Chauffage Géothermique.

Hello à tous, je viens de mettre en ligne l'album du chantier que nous avons dans notre jardin.

Nos propriétaires on décidés de mettre un chauffage Géothermique ou plus connu sous chauffage de pompes à chaleurs...

Qu'est ce que c'est la Géothermie..

Plus de 99 % de la masse de la Terre est à une température de plus de 1000° C. Seul le 0.1 % de la masse de la Terre, c'est-à-dire les 3 kilomètres superficiels, sont plus froids que 100° C. A la surface de la Terre, la chaleur rayonne avec un flux moyen de 0.065 watt/m². Pour la seule superficie de la Suisse, cela représente une puissance quasiment inutilisée de 3'000 Mégawatts (MW), ce qui correspond environ à celle de l'ensemble des centrales nucléaires suisses.

L'exploitation de la chaleur stockée dans le sous-sol est appelée géothermie. Cette chaleur provient pour l'essentiel de la radioactivité naturelle des roches de la croûte terrestre, et pour une faible part, des échanges thermiques avec les zones internes de la Terre. Dans nos régions (Plateau suisse), à 500 et 1000 m de profondeur, les roches possèdent généralement une température de 25° C, respectivement 40° C. Dans d'autres régions où les conditions géologiques sont différentes, ces températures peuvent atteindre ou dépasser largement 100° C.

Cependant, la chaleur contenue dans les roches est trop diffuse pour être extraite de manière économique: il est nécessaire d'avoir à disposition un fluide caloporteur, généralement de l'eau, afin de transporter l'énergie vers la surface. Ce fluide peut être naturellement présent dans le sous-sol, il s'agit des aquifères, bien connus à faible profondeur (0 à 200 m), mais qui peuvent atteindre des profondeurs de 500 à 2000 m également. En l'absence d'aquifères, d'autres techniques existent, pour transférer à un fluide la chaleur contenue dans les roches. L'extraction de la chaleur du sous-sol est réalisée au moyen de forages.

On distingue plusieurs types de géothermie en fonction de la température de la ressource et du mode d'utilisation de l'énergie.

Classification des ressources géothermiques

• La géothermie de très basse énergie (<30° C): aquifères peu profonds, sondes terrestres, couplage avec une pompe à chaleur.
• La géothermie de basse énergie (30-100° C): aquifères profonds ou zones d'anomalie thermique.
• La géothermie de moyenne énergie (100-150° C): aquifères très profonds ou zones d'anomalie thermique à faible profondeur, technologie Hot Dry Rock (circulation en boucle induite dans des roches naturellement peu perméables).
• La géothermie de haute énergie (150-350° C): aquifères profonds dans des zones d'anomalie thermique à faible profondeur, technologie Hot Dry Rock.

 

 

Nappes d'eau souterraine profondes et modes d'exploitation des ressources géothermiques (Infos-Géothermie)

Modes d'utilisation de l'énergie géothermique

Géothermie à usage direct (chaleur)
Utilisation calorifique au moyen d'un échangeur de chaleur qui transmet les calories du fluide géothermique à un fluide de chauffage. Toutes les applications liées au chauffage et à la climatisation peuvent être envisagées (habitat urbain collectif ou individuel, locaux industriels et agricoles, thermalisme, balnéothérapie, usages industriels, pisciculture). Afin de rentabiliser au mieux l'utilisation d'une ressource géothermique, les rejets de fluide (réinjection dans l'aquifère) doivent se faire à la température la plus basse possible. La solution idéale est de refroidir le fluide géothermique par des utilisations successives en cascade, jusqu'à la température ambiante.

Géothermie à usage indirect (électricité)
En remontant dans un forage, le fluide géothermal, sous forme liquide ou diphasique, se trouve progressivement dépressurisé et se vaporise. La vapeur sous pression ainsi formée permet de convertir son énergie en électricité, au moyen d'une turbine et d'un générateur. A la sortie de la turbine, les rejets de fluide sont encore à près de 100° C, ce qui permet encore une utilisation calorifique de cette énergie.

L'exploitation de la géothermie dans le monde

Actuellement, quelques 50 pays utilisent leurs ressources géothermiques à un stade industriel plus ou moins avancé. Les ressources de vapeur à haute température et haute pression sont essentiellement exploitées pour produire de l'électricité. Une vingtaine de pays (USA, Philippines, Mexique, Italie, Nouvelle-Zélande, Indonésie, Japon, Islande, etc.) totalisent une puissance installée plus de 8'000 MW électriques. Par contre, les ressources à moyenne ou basse température servent pour des usages directs, en majorité le chauffage de bâtiments et de serres, mais aussi la pisciculture et les usages associés au thermalisme et à l'industrie. Près de 60 pays (USA, Chine, Islande, Turquie, Suisse, Allemagne, Canada, Suède, France, Hongrie, Japon, Italie, Nouvelle-Zélande, etc.) totalisent une puissance installée plus de 16'000 MW thermiques.

Au niveau du prix des installations et l'énergie géothermique, de nombreux facteurs interviennent, mais ce sont essentiellement les politiques énergétiques des pays concernés, qui modifient les coûts de l'investissement, de l'exploitation et du prix de vente de l'énergie. De manière générale, les investissements nécessaires pour réaliser une centrale de production d'électricité ou de chaleur géothermique sont sensiblement plus élevés que ceux d'une centrale à fuel diesel, par contre, les coûts d'exploitation annuels sont beaucoup plus bas dans le cas de la géothermie.

La géothermie en Suisse

Introduction
Il y a 25 ans, la Suisse était représentée par une tache blanche sur la carte géothermique de l'Europe. En effet, la prospection et l'utilisation des ressources géothermiques en Suisse n'était pratiquée que de manière confidentielle, par quelques rares spécialistes. A cette époque, personne n'imaginait que la Suisse deviendrait un jour un utilisateur important de la chaleur terrestre. Pour mémoire, si l'on compare à l'échelle mondiale la puissance géothermique installée par habitant (uniquement la production de chaleur), la Suisse arrive au troisième rang avec 70 watts par habitant, après l'Islande et la Nouvelle Zélande, tous trois réputés pour leur passé de pionniers dans le domaine de la géothermie. Bien entendu, plusieurs facteurs ont contribué à cet étonnant développement.

Une des caractéristiques de la géothermie suisse est représentée par la variété des ressources (quelques mètres de profondeur à plus de 2000 m) et des utilisations (de la villa familiale jusqu'au complexe résidentiel urbain).

Les sondes géothermiques

A partir de la profondeur de 20 m, la température du sous-sol est constante et ne dépend plus du jour ou de la nuit, ni des saisons. C'est le flux de chaleur venant de la profondeur qui commande le niveau de température. En Suisse, sur le Plateau et dans les vallées à une altitude inférieure à 1000 m d'altitude, cette température ne varie qu'entre 8 et 12° C. En dessous de 20 m de profondeur, la température augmente de 1° C tous les 33 m environ. Cette ressource géothermique dite de très basse température convient bien pour des installations de chauffage décentralisées, telles que maisons familiales, groupes de villas, petits immeubles, hôtels de ville, écoles, salles polyvalentes, etc. Plusieurs techniques peuvent être envisagées pour profiter de cette énergie à disposition de manière permanente. Le système le plus répandu en Suisse est la sonde géothermique verticale (SGV).

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Température moyenne du sous-sol sur le Plateau suisse

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Chauffage d'une maison familiale avec une sonde géothermique couplée à une pompe à chaleur (Infos-Géothermie)

Sonde géothermique verticale
Les SGV sont des échangeurs de chaleur installés verticalement dans des forages de 50 à 350 m. Un fluide est pompé en circuit fermé et permet d'extraire l'énergie du sous-sol à l'aide d'une pompe à chaleur. Ces SGV sont installées clés en mains par des entreprises spécialisées. Les quelques 25'000 installations qui existent en Suisse représentent la plus grande densité au monde de ce type d'installation! Les statistiques montrent que 70% des SGV ont une profondeur entre 80 et 120 m et servent à chauffer des maisons familiales.

Construction et fonctionnement d'une sonde géothermique Une SGV peut être installée dans presque tous les types de formation rocheuse. Un ou deux forages d'un diamètre de 10-15 cm sont réalisés très proches du bâtiment à chauffer. La profondeur du forage est déterminée d'après le volume des locaux à chauffer et le type de terrain. En fonction de la législation sur la protection des eaux souterraines, une demande d'autorisation doit être délivrée par les autorités.

Dans le forage terminé, on insère généralement un tube de polyéthylène en forme de U jusqu'au fond. L'espace vide restant est rempli d'un mélange de bentonite et de ciment, pour assurer un bon contact thermique entre les tubes et la paroi du forage. Ensuite, un circuit fermé est établi entre le forage et le sous-sol du bâtiment, et de l'eau additionnée de 15-20% d'antigel est pompée dans l'échangeur de chaleur ainsi créé.

Le fluide circulant dans le forage gagne la chaleur du terrain et fournit l'énergie géothermique à une pompe à chaleur (PAC). Celle-ci est dimensionnée pour la puissance de chauffage nécessaire et est installée dans la cave du bâtiment. La PAC permet de monter le niveau de température à environ 35° C et la part de l'électricité qui fait fonctionner la PAC se situe entre 25 et 30 % de l'énergie globale. Par conséquent, les coefficients de performance (COP) des PAC sol-eau, pour des sondes géothermiques atteignent actuellement 4 et sont en progression régulière. Ce système permet d'assurer toute la saison de chauffage d'une habitation par planchers chauffants ou par radiateurs à basse température (35° C). Cette installation peut également fournir l'eau chaude sanitaire à la température de 60° C.


Travaux pour l'installation d'une sonde géothermique (photo Engeo)

Quelques chiffres
Dans certaines conditions, notamment pour une maison neuve, les coûts d'investissement pour une SGV sont similaires à ceux d'un système de chauffage classique à mazout équipé d'une chaudière. Par contre, les frais de fonctionnements annuels sont très en faveur de la SGV (pas d'entretien et pas de combustible). Dans le cas d'une restauration de maison ancienne ou de changement nécessaire du système de chauffage, il vaut la peine d'évaluer les coûts et les avantages d'une sonde géothermique.

Finalement, le choix d'un chauffage avec une sonde géothermique est aussi celui d'une installation propre, en accord avec les normes sur la qualité de l'air. Elle est de taille réduite, sans dégagement de CO2, sans odeur et d'une durée de vie de 30 ans environ pour les équipements de surface et plus de 50 ans pour la SGV.

Caractéristiques et coûts d'une sonde géothermique verticale (SGV) pour une maison familiale sur le Plateau suisse.

Caractéristiques techniques
Surface de référence énergétique	150 - 200 m2
Puissance de chauffage maximale	8 kW (100%)
Puissance de la SGV	5.2 kW (65%)
Puissance électrique de la pompe à chaleur	2.8 kW (35%)
Profondeur du forage	110 - 130 m
Coûts d'investissements (en francs)1
Forage et SGV complète	10'000 - 11'000
Pompe à chaleur	9'000 - 10'000
Installation, matériel, système de régulation du chauffage et de préparation de l'eau chaude sanitaire	5'000 - 6'000
Total	24'000 - 27'000
Coûts annuels, incl. amortissement	110 - 130 m
Frais de capitaux, coûts annuels, énergie électrique	3'500 - 4'000

¹ A l'exclusion des coûts de distribution de la chaleur par planchers chauffants (env. 8500 francs), similaires pour tout type de chauffage à basse température.

Champs de sondes géothermiques et sondes profondes

Plus l'on s'enfonce en profondeur, plus la température augmente, généralement de 3° C par 100 m de manière assez régulière. Si l'on regroupe une série de sondes ou si l'on fore à plus grande profondeur, l'échangeur de chaleur disposera d'un potentiel plus important, et permettra donc de chauffer un groupe de villas ou des bâtiments de plus grande taille, tels que des petits immeubles, des locaux industriels ou administratifs, des salles polyvalentes, etc.

Champs de sondes géothermiques
Depuis quelques années, on assiste à la réalisation de systèmes de chauffage, ou de chauffage - climatisation, pour des bâtiments industriels ou administratifs. Une série (4 à 45) sondes géothermiques verticales de profondeurs variées (30 à 350 m) sont disposées sous le bâtiment à chauffer ou immédiatement à côté. Les conduites de chaque sonde se rejoignent à un collecteur qui alimente une ou plusieurs pompes à chaleur. Si l'on utilise le froid du terrain en été pour de la climatisation (free cooling), la profondeur des forages doit être limitée à 150 m, pour éviter une température trop importante du terrain.

Le fonctionnement de l'installation se déroule sur un cycle annuel, avec une extraction de la chaleur du terrain pendant la saison de chauffage (injection de froid) et une extraction de froid pendant la période de climatisation (réinjection de chaleur dans le terrain). Une chaudière est aussi installée, mais n'est mise en fonction que pendant les périodes d'entretien et de réparation.

Champ de sondes à Wollerau

Nom	Wollerau
Canton	Schwytz
Type de bâtiment	entreprise industrielle
Utilisation de l'énergie	chauffage + climatisation
Début fonctionnement	1995
Nombre de sondes	32
Profondeur	135 m
Type de sonde	double U
Volume de stockage	325'000 m3
Puissance de chauffe	186 kW
Puissance climatisation	211 kW

Sondes profondes
La tendance actuelle est de réaliser des sondes plus profondes (200 - 500 m) que dans les années 1990 (50 - 200 m). Ce type de sonde nécessite une plus grande attention tant au niveau du projet que ceux de la réalisation et de l'exploitation.

Il existe en Suisse de nombreux forages profonds désaffectés, provenant notamment de l'exploration pétrolière, mais aussi de la prospection des aquifères géothermiques. Deux sondes géothermiques vraiment profondes ont été conçues à partir de forages de prospection géothermique non productifs. La plus profonde atteint 2300 m et se trouve à Weggis dans le canton de Lucerne: couplée à une pompe à chaleur, elle permet de chauffer quelques 50 logements et d'assurer leur eau chaude.


Bâtiment chauffé par quatre sondes profondes à Wattwil, St Gall (photo NEK Umwelttechnik)

Nom	Wattwil
Canton	St Gall
Type de bâtiment	entreprise industrielle
Utilisation de l'énergie	chauffage
Début fonctionnement	1999
Nombre de sondes	4
Profondeur	250 m
Type de sonde	2x double U et 2x multiple U
Puissance de chauffe	52 kW
Demande d'énergie de chauffage	90 MWh/an

Géostructures et pieux énergétiques

La conductivité thermique et la capacité de stockage font du béton un matériau de construction idéal pour des absorbeurs d'énergie thermique. D'autre part, à quelques mètres sous la surface de la Terre (15-20 m), la température devient très rapidement constante (9-11° C sous notre climat). Ce niveau de température peut être utilisé pour le refroidissement de bâtiments en été et pour le chauffage en hiver.

Les géostructures nécessaires au soutènement et aux fondations de bâtiments de toute taille peuvent être équipées d'échangeurs de chaleur. Les pieux et les parois en béton en contact avec le terrain contiennent des conduites en matière synthétique, pour échanger la chaleur ou le froid du terrain. Ces conduites rejoignent un collecteur qui alimente une ou plusieurs pompes à chaleur.

Le fonctionnement de l'installation se déroule sur un cycle annuel, avec une extraction de la chaleur du terrain pendant la saison de chauffage (injection de froid) et une extraction de froid pendant la période de climatisation (injection de chaleur dans le terrain). Les puissances installées varient entre 20 kW et 1000 kW thermiques. Les avantages de ces installations sont la réduction des coûts d'exploitation en combustible fossile (env. 80%) et une réduction des émission de CO₂ (45 à 100%).

Les pieux énergétiques
Les pieux en béton armé sont généralement d'un diamètre de 0.4 à 1.5 m et atteignent une longueur de quelques mètres à plus de 30 m de longueur. A l'intérieur de ces pieux est installé un tube ou un réseau de tubes en polyéthylène, souvent des doubles ou quadruples U, selon le diamètre des pieux. Ces tubes sont ensuite noyés dans le béton pour assurer un bon contact thermique. Un fluide caloporteur, souvent de l'eau claire uniquement, circule dans un réseau en boucle entre les pieux et la pompe à chaleur, afin de pouvoir échanger la chaleur ou le froid du terrain.


Système de pieux énergétiques pour le chauffage en hiver et la climatisation en été (Infos-Géothermie)

Cette technologie simple et rationnelle ne demande pas des surcoûts excessifs mais nécessite, d'une part son intégration dès le début du projet, et d'autre part une réflexion globale sur les aspects de la construction et de la consommation de l'énergie. Il existe actuellement plus de 350 installations de type géostructures énergétiques en Autriche et en Allemagne, dont la puissance installée va de quelques dizaines de kW pour des petits immeubles jusqu'à 800 kW pour des grands bâtiments industriels. Actuellement en Suisse fonctionnent une trentaine d'installations de géostructures énergétiques, presque toutes situées dans le nord-est du pays.

Quelques exemples en Suisse
Dock Midfield, aéroport de Zurich
Il s'agit d'un nouveau bâtiment de 500 m de long sur 30 m de large en cours de construction qui servira de terminal dès l'automne 2002. Il s'appuie sur 440 pieux moulés de fondation d'un diamètre de 0.9 à 1.5 m d'une longueur de 30 m environ. Un total de 315 pieux seront équipés en pieux énergétiques. En été, quelques 470 MWh de froid seront soutirés au terrain pour climatiser le terminal (free cooling, sans utilisation de pompe à chaleur). La chaleur ainsi injectée dans le terrain sera récupérée en hiver (1100 MWh) et montée au niveau de 30-40° C par une pompe à chaleur.

Centre scolaire de Fully, Valais
La volonté de construire un bâtiment de type Minergie et la nature du terrain ont conduit à fonder ce centre scolaire de 20 salles de classe sur des pieux battus et de les équiper en tant qu'échangeurs thermiques. Ces pieux sont évidés et centrifugés, équipés de sondes géothermiques avec un remplissage de sable humide.
Les échanges thermiques avec le bâtiment sont minimaux et la recharge thermique du terrain est assurée par l'évacuation des charges internes en saison chaude, ce qui permet de rafraîchir le bâtiment par le réseau intégré en dalle. Associé à un principe de chauffage à basse température, ce dispositif donne des rendements élevés pour la pompe à chaleur.

Caractéristiques du système de pieux énergétiques du Centre scolaire de Fully

Type de bâtiment	Minergie
Surface de référence	2'635 m2
Volume net chauffé	7'018 m3
Utilisation de l'énergie	chauffage et climatisation
Début fonctionnement	2000
Demande d'énergie de chauffage	92'225 kWh/an
Énergie de rafraîchissement	50'000 kWh/an
Nombre de pieux équipés	41
Profondeur moyenne	23.2 m
Échangeur dans les pieux	tube en double U
Débit par pieu	310 l/h
Puissance spécifique soutirée	50 W/m
Énergie spécifique soutirée	75 kWh/m
Puissance de la PAC au condenseur	56 kW