Questions sur le chauffage de l'habitat pompes à chaleur et géothermie

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  • Banner gauche Portail habitat Picbleu  Question sur la géothermie : Qu'appelle-t-on géothermie ?

    Lorsque l'on creuse profondément sous terre, par exemple une mine ou un forage, la température augmente peu à peu, en moyenne de 3 °C par 100 mètres. C’est ce qu’on appelle le gradient géothermique. La chaleur du sous-sol peut être utilisée pour le chauffage, et même, lorsqu’elle est suffisamment élevée, pour la production d’électricité. On parle de « la » géothermie, alors qu’il en existe de multiples sortes : la définition européenne est l’énergie emmagasinée sous forme de chaleur sous la surface de la Terre solide.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu  Quelle est l'origine de la géothermie et de quand date-t-elle ?

    L’eau chaude géothermique était déjà utilisée dans l’Antiquité, en Chine, au Japon et à Rome, pour les lavages, les bains et ses vertus thérapeutiques. Les Romains l’utilisaient également pour chauffer les parois et les planchers de leurs maisons.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu  La géothermie est-elle une énergie renouvelable ?

    La géothermie est une énergie renouvelable : toutefois, les perturbations thermiques générées (refroidissements locaux du sol ou de l’eau souterraine) disparaissent à des échelles de temps qui dépendent de l’exploitation qui est faite.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu  Existe-t-il plusieurs types de géothermie ?

    Selon la température du sous-sol ou de l’eau souterraine, on distingue 4 types d’énergie géothermique :

    Triangle Portail habitat Picbleu La géothermie très basse énergie :

    La température dans le sous-sol proche et dans les premières centaines de mètres est généralement inférieure à 30°C, et même 20°C pour les utilisations les plus répandues. De telles températures peuvent être utilisées directement pour le rafraîchissement passif en surface ; ou être valorisées par une pompe à chaleur géothermique pour des besoins de chaud en surface.

    Triangle Portail habitat Picbleu La géothermie basse énergie :

    La température du sous-sol et de l’eau souterraine est comprise entre 30 et 100 °C. La profondeur des réservoirs atteint 1 000 à 2 500 m. Elle est utilisée pour le chauffage. En France, le Bassin parisien et le Bassin aquitain fournissent des eaux géothermales. Ce type de géothermie est présent dans tous les grands bassins sédimentaires du monde et de nombreuses régions sont concernées : bassins du Mississippi, de l’Amazone, du Rio de la Plata, bassins artésiens en Australie, en Chine, en Asie centrale, bassin pannonien en Hongrie.

    Triangle Portail habitat Picbleu La géothermie moyenne énergie :

    La température du sous-sol et de l’eau souterraine est comprise entre 100 et 180 °C. Elle est présente dans les zones volcaniques, dans des réservoirs à moins de 1 000 m de profondeur, dans les bassins sédimentaires, mais dans des réservoirs à plus grande profondeur que ceux de la géothermie basse énergie (2 500 à 4 000 m). La géothermie moyenne peut être utilisée pour produire de l’électricité.

    Triangle Portail habitat Picbleu La géothermie haute énergie :

    La température de l’eau est comprise entre 180 et 350 °C. L’eau est utilisée sous forme de vapeur pour produire de l’électricité. On la trouve dans les zones volcaniques et à la frontière des plaques tectoniques en collision ou en formation (tous les archipels volcaniques bordant le Pacifique, notamment la « Ceinture de feu » –, l’Islande).

    Les techniques utilisées diffèrent selon qu’on utilise les eaux géothermales pour le chauffage ou la production d’électricité, et selon la température de l’eau.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu  Quelles sont les applications de la géothermie ?

    Le chauffage géothermique utilise :

    Triangle Portail habitat Picbleu soit les eaux géothermales de basse énergie, qui sont exploitées par des puits forés jusqu’au réservoir d’eau et des pompes

    Triangle Portail habitat Picbleu soit la chaleur du sous-sol à proximité d’échangeurs, dans lesquels circule en boucle fermée un « fluide caloporteur » (généralement de l’eau avec un antigel de qualité alimentaire ; parfois de l’eau pure, ou directement le fluide frigorigène de la pompe à chaleur).

    Le nombre de puits forés ou d’échangeurs géothermiques installés dans une même zone ne doit pas être trop important. Il doit être calculé très précisément pour permettre à la chaleur de l’eau de se renouveler à mesure qu’on l’exploite.

    La géothermie peut être utilisée pour chauffer des bâtiments, des logements, des serres ou des bassins d’élevage de poissons. Un doublet* d’un débit de 200 m3/h est capable de chauffer 2 000 à 3 000 logements.

    * Ensemble de deux puits ou sondages forés à faible distance l'un de l'autre servant à exploiter un gisement souterrain depuis la surface.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Quel est le principe de la géothermie ?

    Lorsque l’eau est suffisamment pure (ni trop chaude, ni à trop haute pression), il est possible de l’envoyer directement dans des radiateurs, comme en Aquitaine (Dax, Saubusse) ou en Islande. Dans le cas contraire, plus courant, un échangeur de chaleur doit être utilisé : le fluide caloporteur ou l’eau extraite du sous-sol communique sa chaleur à travers des plaques généralement en titane, ou des tubes, à un circuit secondaire d’eau pure alimentant des radiateurs.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Est-ce que la géothermie est une énergie non polluante ?

    Cette énergie n’est pas polluante tant que les règles de l’art sont bien appliquées. En effet, cette technique invasive est à même de polluer le sol en surface si l’eau du sous-sol est chargée en sels, en sulfure d’hydrogène H2S ou en gaz dissous : c’est pourquoi il est réglementairement interdit de la rejeter dans la nature, et qu’on doit la réinjecter dans son réservoir d’origine. On utilise pour cela la technique du double puits, ou doublet : un puits de pompage et un puits de réinjection. L’utilisation d’échangeurs en boucle fermée évite ces difficultés.Dans le cas de géothermie à grande profondeur (de plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres), le puits de réinjection peut être un puits dévié : ainsi, on réinjecte l’eau refroidie suffisamment loin du puits de pompage. Les forations profondes peuvent parfois créer de micro-séismes pendant la phase de forage, qui doit donc être réalisée par des acteurs qualifiés.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Que choisir entre une pompe à chaleur sol/eau à forage vertical et une eau Glycolée/eau à forage vertical ?

    Les pompes à chaleur sur nappe phréatique offrent un bon rendement théorique, car leur COP (coefficient de performance) est supérieur à 5 : 1 kWh d’électricité consommée pour faire fonctionner la pompe à chaleur permet de restituer plus de 5 kWh pour chauffer un logement. En pratique suivant le type de configuration du terrain et sa nature (argile, sable, calcaire) les échanges thermiques seront différents.

    Triangle Portail habitat Picbleu Dans le cas où l’on dispose d’une nappe d’eau suffisamment productive à faible profondeur, facilement accessible, on réalise généralement deux forages qui permettent de prélever et de réinjecter cette eau dans son milieu d’origine. Les températures sont stables (environ 12 °C en France métropolitaine) et permettent d’atteindre des coefficients de performance d’autant plus élevés que le chauffage se fait à basse température.

    Triangle Portail habitat Picbleu Dans le cas où une telle nappe n’est pas exploitable, on pourra installer des échangeurs géothermiques. Le plus courant est la sonde verticale « simple U » ou « double U », qui atteint généralement 100m de profondeur. Le fluide caloporteur est injecté froid dans cet échangeur, où il se réchauffe au contact du sol avant de revenir tiédi à la pompe à chaleur. Un bon dimensionnement des échangeurs permet une exploitation fiable dans la durée : ces installations sont réputées durer entre 50 et 100 ans, de sorte que tout doit être mis en place pour garantir une bonne qualité de pose et un dimensionnement qui ne refroidit pas trop le sous-sol au voisinage de l’échangeur.

    Tous ces forages excèdent généralement 10m et sont ainsi soumis à déclaration ou dans certains cas à autorisation. Les foreurs et les hydrogéologues ont l’habitude de les réaliser : mais cette procédure doit être prévue aussi tôt que possible pour éviter que les délais administratifs (1 mois, parfois plus) ne retardent le chantier. Dans tous les cas, lorsque l’installation géothermique est réalisée, aucun matériau n’est prélevé dans le sol sans y être restitué : il n’y a qu’un échange de calories.

    D'un point de vue environnemental, selon certaines associations de défense de l'eau, creuser parfois à 100 mètres de profondeur pour y puiser de l'eau relève du pillage et du gaspillage de ressources naturelles. C’est pourquoi il est obligatoire, en France, de réinjecter l’eau dans la même nappe. Ceci permet de surcroît de ne pas entraîner de baisse de niveau de la nappe, baisse qui serait susceptible d’empêcher l’alimentation du forage. Bien entendu, cette critique ne concerne pas les techniques de type « sonde verticale », où le fluide caloporteur circule en boucle fermée sans prélever d’eau souterraine.

    Banner gauche Portail habitat Picbleu Quelle est la différence entre une pompe à chaleur aérothermique et une pompe à chaleur géothermique ?

    Il existe deux types de pompes à chaleur qui exploitent les énergies renouvelables. La pompe à chaleur aérothermique appelée climatisation réversible par le grand public qui puise la chaleur contenue dans l’air pour restituer des calories en hiver et de l’air frais en été. Elle injecte de l’air réchauffé à l’intérieur lorsqu'il fait froid ou de l’air refroidi lorsqu'il fait chaud. Elle fonctionne avec de l'électricité. L'inconvénient de la PAC aérothermique est lié à l'air dont les paramètres sont très changeants (température, hygrométrie, etc.). La production d’air sera donc différente et variera selon le climat de la région dans laquelle la pompe à chaleur aérothermique est utilisée. La pompe à chaleur aérothermique reste donc plutôt conseillée dans les zones douces à climat tempéré. Dans des climats plus rudes, son rendement peut devenir médiocre, elle ne bénéficie pas de crédit d'impôt elle n'offre pas d'avantages significatifs : un système déconseillé. Ces pompes à chaleur ne nécessitent pas l’utilisation de forages ou d’échangeurs géothermiques décrits ci-avant.

    La pompe à chaleur géothermique puise la chaleur contenue dans le sol : un avantage important, car la température du sol reste toute l’année beaucoup plus stable que celle de l'air, ce qui permet une meilleure efficacité de la pompe à chaleur. Cette température du sol sous un mètre de profondeur se situe généralement entre 10 C° et 15 C °, et permet une utilisation de géothermie à très basse température. Son fonctionnement se fait au moyen d’ouvrages souterrains : forages d’eau, sondes verticales, échangeurs horizontaux, corbeilles géothermiques, pieux de fondation.Si la pompe à chaleur, géothermique comme aérothermique, fournit une énergie issue du milieu naturel, son fonctionnement nécessite une alimentation en électricité, ou en gaz pour certains modèles : en règle générale, une pompe à chaleur géothermique consomme 1 kWh sur le réseau électrique pour 4 à 6 kWh fournis en énergie de chauffage – une pompe à chaleur aérothermique restituera plutôt 3 à 4 kWh d’énergie de chauffage, en première approche. Certaines pompes à chaleur permettent de produire du froid en été lors de fortes températures : 1 kWh prélevé sur le réseau électrique par une pompe à chaleur géothermique permet généralement de restituer 3 à 4 kWh de froid dans le bâtiment. Cette utilisation généralement appelée pompe à chaleur réversible attire l'intérêt des particuliers par cette double fonction, mais rappelons que la climatisation augmente les dépenses énergétiques d'un bâtiment et oblige les centrales nucléaires à fonctionner dans des périodes pendant lesquelles elles sont normalement à l'arrêt pour maintenance. Une maison neuve RT 2012 ou un logement correctement isolé ne devraient pas avoir recours à ce mode de refroidissement qui augmente les besoins énergétiques. Les installations géothermiques peuvent également être conçues pour permettre un « froid passif », généralement appelé « géocooling » et fonctionnant sur le même principe qu’un puits provençal. En alimentant seulement les « pompes de circulation » (ou les « circulateurs »), la fraîcheur du sous-sol peut être utilisée pour rafraîchir le bâtiment. Dans le cas d’utilisation d’échangeurs en boucle fermée, ceci est particulièrement intéressant pour augmenter en été la température du sol, et éviter les risques d’appauvrissement thermique dans la durée.

    Astuce Quelle est la différence entre une pompe à chaleur air/air et une pompe à chaleur air/eau ?

    La différence entre une pompe à chaleur air/air et une pompe à chaleur Air/Eau se situe au niveau du vecteur de transmission de chaleur dans le logement. La PAC air/air diffuse la chaleur directement dans l’air par ventilo-convection (air pulsé) ce qui génère du bruit, un brassage de l'air, un inconfort lié à la baisse de température lorsque l'appareil s'arrête et le brassage et la diffusion des polluants contenus dans l'air du logement (poussières, COV, etc.). La pompe à chaleur air/eau transmettra la chaleur dans de l’eau, un vecteur naturel qui va alimenter le réseau de chauffage par des radiateurs basse température ou un plancher chauffant à très basse température, ou dans le cas de la pompe à chaleur thermodynamique l'eau contenue dans un ballon d’eau chaude destinée à l'eau chaude sanitaire (bains, douche, cuisine). Une remarque concernant les pièces surchauffées en été (généralement placées aux étages) : il faut absolument éviter de compenser les erreurs de bâti ou la mauvaise isolation en installant un système coûteux en énergie. Investissez plutôt dans l'isolation des combles ou du toit, le gain financier et l'amélioration du confort seront importants.

    Aide Portail habitat Picbleu Géoqual et S2e2

    Geoqual Se2E pôle de compétivité Se2E

    Merci à Xavier Moch animateur et chargé de projet de la filière géothermie en région centre pour ses précisions, son aide ainsi qu'à sa contribution pour la rédaction de cet article .

     

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