Technologies de chauffage et de refroidissement géothermiques

Le terme géothermie provient des mots grecs "geo" (Terre) et "therme" (chaleur). La technologie géothermique utilise la chaleur de la Terre, qui reste à une température quasi constante à quelques mètres sous la surface, contrairement aux variations extrêmes de l'air ambiant en été et en hiver. En profondeur, la température du sol augmente en moyenne de 3,3 degrés Celsius tous les 100 mètres. Par exemple, à 100 mètres de profondeur, la température est d'environ 16-17°C, et à 200 mètres, elle atteint environ 20°C. La géothermie de surface exploite cette chaleur jusqu'à 200 mètres sous terre, où la température varie entre 10 et 20 degrés. Cette technologie est utilisée pour produire du chauffage, du refroidissement et de la climatisation grâce aux pompes à chaleur géothermiques.

Utilisation de la technologie géothermique

Les pompes à chaleur géothermiques peuvent être utilisées partout, tandis que les systèmes de géothermie directe et les systèmes profonds sont principalement limités aux régions où l'activité géothermique est naturellement élevée.

Types de technologies géothermiques

1. Pompes à chaleur géothermiques

2. Géothermie à usage direct

3. Systèmes géothermiques profonds et améliorés

Ressource renouvelable

L'énergie géothermique est une ressource renouvelable. Les pompes à chaleur géothermiques et les technologies de géothermie à usage direct servent principalement au chauffage et au refroidissement. En revanche, les technologies géothermiques profondes et améliorées exploitent des ressources géothermiques plus profondes et à haute température pour produire de l'électricité.

Pompes à chaleur géothermiques

Les pompes à chaleur géothermiques exploitent la différence naturelle de température entre l'air en surface et le sol souterrain pour chauffer et refroidir les bâtiments, ainsi que pour chauffer l'eau. Un système géothermique comprend une pompe à chaleur reliée à une série de tuyaux enterrés, installés soit dans des tranchées horizontales juste sous la surface du sol, soit dans des forages verticaux descendant à plusieurs centaines de mètres. La pompe à chaleur fait circuler un fluide caloporteur, souvent de l'eau, dans ces tuyaux pour transférer la chaleur d'un point à un autre.

Lorsque la température du sol est plus élevée que celle de l'air ambiant, la pompe à chaleur peut transférer la chaleur du sol vers le bâtiment. Inversement, elle peut déplacer la chaleur de l'air du bâtiment vers le sol, rafraîchissant ainsi le bâtiment. Les pompes à chaleur géothermiques nécessitent une petite quantité d'électricité pour fonctionner, et pour chaque unité d'électricité utilisée, elles peuvent fournir jusqu'à cinq fois plus d'énergie provenant du sol, ce qui représente un avantage énergétique significatif.

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

Les étapes ci-dessous expliquent le fonctionnement d'une pompe à chaleur en mode "chauffage" et en mode "refroidissement".

Mode Chauffage

1. Circulation : La pompe à chaleur fait circuler de l'eau ou un autre fluide dans une série de tuyaux enterrés, appelés boucles souterraines.

2. Absorption de la chaleur : Le fluide circule dans la boucle souterraine et absorbe la chaleur du sol, de la roche ou de l'eau souterraine plus chaude qui l'entoure.

3. Échange et utilisation de la chaleur : Le fluide chauffé retourne dans le bâtiment. Un échangeur de chaleur transfère cette chaleur au système de chauffage de l'air et de l'eau du bâtiment. Avec un désurchauffeur, le système peut également chauffer l'eau domestique.

4. Recirculation : Après avoir transféré sa chaleur, le fluide retourne dans la boucle souterraine pour être réchauffé. Ce processus se répète, transférant la chaleur du sol au bâtiment pour le confort de l'utilisateur.

Mode Refroidissement

1. Échange de chaleur et absorption : Le fluide absorbe la chaleur de l'air intérieur via un échangeur de chaleur, fonctionnant comme un climatiseur traditionnel.

2. Circulation : La pompe à chaleur fait circuler le fluide chauffé dans les boucles souterraines.

3. Évacuation de la chaleur : Le fluide cède sa chaleur au sol, à la roche ou à l'eau souterraine plus froide.

4. Recirculation : Une fois refroidi, le fluide retourne dans le bâtiment pour absorber à nouveau de la chaleur. Ce cycle se répète, transférant la chaleur du bâtiment au sol.

Avantages des Pompes à Chaleur Géothermiques

Les pompes à chaleur géothermiques sont relativement économiques, bien que l'installation des boucles souterraines représente la majeure partie du coût. Elles sont adaptées aux besoins de chauffage et de refroidissement des bâtiments dans presque toutes les régions. En augmentant la capacité des boucles, cette technologie peut s'appliquer à de plus grands bâtiments ou à des endroits nécessitant du chauffage et du refroidissement pendant la majeure partie de l'année.

Applications des Systèmes Géothermiques Directs

L'eau des systèmes géothermiques directs est suffisamment chaude pour diverses applications, telles que le chauffage de piscines, le chauffage et la climatisation de bâtiments, la production d'eau chaude à la demande, le chauffage urbain, le chauffage des routes et trottoirs pour faire fondre la neige, ainsi que certains processus industriels et agricoles. Ces systèmes exploitent l'eau chaude à quelques mètres sous la surface, généralement à moins d'un kilomètre de profondeur.

Geothermie en région parisienne

La faible profondeur des forages géothermiques en Île-de-France implique des coûts d'investissement relativement bas comparés aux systèmes géothermiques plus profonds. Cependant, cette technologie est limitée aux régions disposant de sources naturelles d'eau chaude souterraine à proximité de la surface.

Applications Potentielles

• Chauffage de piscines

• Chauffage de locaux

• Chauffage de l'eau chaude

• Refroidissement des locaux

• Chaleur pour les procédés industriels

Secteurs d'Utilisation

• Maisons unifamiliales

• Logements collectifs

• Hébergements

• Brasseries

• Restaurants

• Processus industriels

• Écoles

• Gouvernements municipaux

Géothermie Profonde et Améliorée

Les systèmes géothermiques profonds exploitent la vapeur provenant de grandes profondeurs pour des applications nécessitant des températures de plusieurs centaines de degrés. Ces systèmes injectent de l'eau dans le sol par un puits et ramènent l'eau ou la vapeur à la surface par un autre puits. Certaines variantes captent la vapeur directement du sous-sol. Contrairement aux pompes à chaleur géothermiques ou aux systèmes géothermiques à utilisation directe, ces projets nécessitent souvent un forage dépassant un kilomètre de profondeur, où la pression maintient l'eau liquide même à haute température.

Fonctionnement

1. Pompage : L'eau chaude ou la vapeur est pompée dans un puits profond. En remontant à la surface, la pression diminue et l'eau se vaporise en vapeur surchauffée utilisable pour des processus à haute température.

2. Livraison : La chaleur de l'eau chaude ou de la vapeur est transférée à un fluide secondaire ou utilisée directement.

3. Recirculation : L'eau refroidie est repompée sous terre après avoir transféré sa chaleur.

4. Dispersion : L'eau injectée se disperse dans le sol, contrairement aux systèmes en circuit fermé.

Les sources géothermiques profondes fournissent une chaleur efficace et propre pour les processus industriels ainsi que certaines applications commerciales et agricoles à grande échelle. La vapeur peut également générer de l'électricité en faisant tourner une turbine. Malgré l'absence de besoins en combustible et les faibles coûts d'exploitation, les coûts d'investissement initiaux, notamment pour le forage des puits, restent élevés. Les ressources en vapeur exploitables économiquement sont actuellement limitées aux régions à forte activité géothermique. Cependant, la recherche progresse pour développer des systèmes géothermiques améliorés exploitant des puits plus profonds, tirant parti du gradient de température naturel de la Terre et pouvant être installés partout.