Le terme de géothermie évoque à l'heure actuelle, en France essentiellement, l'utilisation de l'eau à 50-80 °C située à grande profondeur (entre 1 000 et 2 000 m) dans les grands bassins sédimentaires que comporte le sous-sol métropolitain. Dans un sens plus large, ce concept devrait inclure également l'exploitation thermique de nappes moins profondes, voire proches de la surface, qui constituent également une ressource thermique souterraine exploitable pour le chauffage.
Les nappes sont constituées d'une matrice poreuse saturée (sable, grès, calcaire ou craie fissurée) dont la structure permet la circulation et le pompage de l’eau. L’eau et la matrice sont à l’équilibre thermique à une température dans la plupart des cas constante (au-delà d'une quinzaine de mètres de profondeur, les fluctuations annuelles de la température extérieure ont une influence négligeable), température qui résulte d’un emmagasinement naturel de chaleur sous les actions conjuguées des échanges thermiques à la surface du sol, de l’infiltration des eaux de pluie et du flux géothermique. Les nappes superficielles sont à la température moyenne annuelle de l’air (de 10 à 15 °C selon la région), l’augmentation avec la profondeur étant de 3 °C par 100 m (gradient géothermique moyen). Elles sont largement réparties sur le territoire national et constituent une source de chaleur à très basse température tout à fait adaptée à l'utilisation des pompes à chaleur pour le chauffage domestique et le tertiaire. Ces ressources sont accessibles à des coûts beaucoup plus faibles que la géothermie « classique » et de ce fait permettent le montage d’opérations à plus petite échelle, le logement collectif moyen ou pavillonnaire regroupé représentant le marché principal pour l’habitat ; les techniques de forage sont également plus légères : forer à 100 m par exemple nécessite un chantier de 300 m² environ d’emprise au sol, pour 10 000 m² dans le cas d’un forage au Dogger à 1 700 m de profondeur en Région parisienne.
Échelle plus petite, souplesse d’implantation, ces ressources représentent par conséquent un complément attractif à la géothermie à grande profondeur. En Région parisienne, la nappe de l’Yprésien (figure 1) en est un exemple : il s’agit d’un horizon aquifère sablo-argileux limité à sa base par des argiles et à son toit par des calcaires le mettant en pression, qui couvre le nord de la Région parisienne ; la nappe est située en général entre 80 m et 100 m de profondeur, sa température est de 13 °C et le débit par forage est en moyenne de 60 à 80 m³/h. On peut y prélever en source froide de pompe à chaleur de l’ordre de 600 kW et raccorder environ 300 logements collectifs par forage, en disposant d’une pompe à chaleur dimensionnée à 50 % de la puissance de déperdition maximale par exemple. Le coût d'un forage, variable, est de l'ordre de 500 000 F H.T. pour un puits atteignant 100 m de profondeur. Bien reconnue dans l’agglomération parisienne, la nappe est particulièrement productive dans le nord de Paris en rive droite de Seine et au droit des banlieues est, nord-est, nord et nord-ouest (Seine-Saint-Denis et Val d’Oise).
La question qui se pose est de savoir comment exploiter une ressource de cette nature.
La première solution est de pomper l’eau, en extraire les calories par la pompe à chaleur et la rejeter dans un réseau de surface. Ceci est possible là où le réseau pluvial et le réseau assainissement sont séparés, le réseau pluvial, à condition d’être convenablement dimensionné, pouvant servir d’exutoire.
L'utilisateur devra en général, dans ce cas uniquement, s’acquitter de la taxe de prélèvement due à
l’Agence financière de bassin (de l’ordre de 12 cts par m³). Dans le cas où les réseaux ne sont pas séparés, la taxe d’assainissement, beaucoup plus élevée, rendra le projet en général infaisable sur le plan économique.
Il faut noter que ce type d’exploitation ne pourra en aucune manière se généraliser dans la mesure où les débits mis en œuvre sont loin d’être négligeables (de 500 à 1 000 m³ par an et par logement collectif) et que le taux de renouvellement naturel de la nappe est faible en regard des besoins potentiels. Rapidement on risque d’aboutir à la surexploitation de la ressource, ce qui est incompatible avec son utilisation principale actuelle, à savoir l’alimentation en eau potable. Malgré cela, cette technique est à l’heure actuelle possible, car elle ne pose pas de problèmes sur le plan administratif si le forage est exécuté à une profondeur inférieure à 80 m, auquel cas celui-ci est simplement soumis à déclaration aux autorités compétentes ; dans le cas où sa profondeur est supérieure à 80 m, le Service des Mines doit statuer et délivrer une autorisation préalable.
Il est en fait recommandé de réinjecter les eaux refroidies après passage dans la pompe à chaleur par l’intermédiaire d’un second forage convenablement situé par rapport au forage de production. De cette façon, on se contente de prélever la chaleur contenue dans l’eau, sans altérer le bilan hydraulique général de la ressource souterraine. En opérant ainsi, et à condition que la totalité des eaux prélevées soit réinjectée, l’utilisateur n’est assujetti à aucune taxation. La réinjection est toutefois soumise à une autorisation préalable délivrée par le Service des Mines ; l’échange thermique n’est pas assimilé à une pollution tant que la température de réinjection reste inférieure à 30 °C.
Sur le plan technique, il faut s’assurer qu’il n’y a pas de possibilité d’interférences thermiques entre puits de réinjection et puits de production avec, à terme, le risque d’une chute de la température au puits de production. Il faut, par conséquent, disposer d’une emprise au sol importante pour implanter les forages ; il existe des abaques et des modèles mathématiques de simulation du comportement thermique des nappes qui permettent de répondre à ces questions. Par ailleurs, il faut se prémunir contre les risques de colmatage des ouvrages d’injection, ce qui peut se produire soit mécaniquement par transport et injection de fines particules et réduction de la porosité utile de la matrice solide, soit chimiquement par précipitation de sels dissous (carbonates ou sulfates par exemple), soit bactériologiquement avec la possibilité de développement de ferrobactéries et de bactéries sulfato-réductrices qui, si elles ne sont pas pathogènes, constituent des « gangues » qui peuvent obstruer les conduites, les échangeurs et surtout les crépines des forages. Tout projet nécessite par conséquent une étude hydrogéologique prenant en considération les problèmes hydrodynamique (débit), hydrothermique, géochimique et bactériologique. Une étude géotechnique doit être également entreprise pour étudier l’incidence éventuelle des pompages sur les bâtiments.
En 1980, une étude de faisabilité était conduite dans le cadre d’une opération de 224 logements collectifs neufs à Aulnay-sous-Bois en Seine-Saint-Denis. Une étude hydrothermique a été réalisée à l’aide de modèles mathématiques de simulation des transferts thermiques en nappe, implantés sur ordinateur à l’École des Mines de Paris.
La figure 2 montre la répartition (théorique et calculée par modèle mathématique) de la température dans la nappe après vingt ans d’exploitation par la méthode du doublet avec un puits de production (b) et un puits de réinjection (a). Les traits pointillés symbolisent l’emprise au sol de l’opération. On s’aperçoit que, compte tenu de la configuration locale, la perturbation dans la nappe va bien au-delà de l’emprise au sol des logements, et qu’une chute de température se produit au puits de production (b). La méthode de réinjection pose donc un problème de protection thermique du milieu souterrain, en particulier en zone urbaine où les distances d’implantation des puits risquent d’être faibles et les terrains limités en regard des volumes et des énergies mises en œuvre.
À la suite d'un appel d’offres lancé en 1979 par l'ancien Commissariat à l'Énergie solaire et le plan Construction du ministère de l'Urbanisme et du Logement, nous avons proposé pour cette opération le système dit du « doublet héliogéothermique » qui fonctionne suivant le schéma de la figure 3.
L'hiver, l'eau est pompée au puits de production (b), puis réinjectée au puits (a) après extraction de ses calories par la pompe à chaleur. L’été, le régime hydraulique du doublet est inversé : l'eau froide est repompée puis réinjectée au puits de production après avoir été réchauffée par l’intermédiaire de batteries d’échange sur l’air fonctionnant en convection naturelle ; l’eau est portée de 5 °C à 14 °C grâce à l’air qui, durant l’été, a une température moyenne de 18 °C en région parisienne. Ce procédé permet d’éviter un développement trop important du front froid dans la nappe et assure une température constante au puits de production, comme le montre la figure 4, résultat d'une simulation mathématique du « doublet héliogéothermique » appliqué au cas précédent.
Dans l’habitat, ce système nécessite l'installation supplémentaire d’échangeurs sur l’air ou de capteurs solaires simplifiés qui permettent d’assurer une sorte de « garantie et de pérennité thermique de la ressource » par l'utilisateur lui-même et pour son voisinage. Il peut s'implanter facilement dans le cadre du tertiaire, par exemple où, aux besoins de chauffage l'hiver, s'ajoutent des besoins de climatisation l'été. Enfin, il convient de remarquer que ce procédé est exclusivement adapté aux nappes où l'écoulement régional est faible (de l’ordre de quelques centimètres par jour) ; il ne se justifie en général pas dans les nappes alluviales, par exemple, où l'écoulement naturel de la nappe est en général rapide.
Ce système a été mis en œuvre dans le cas de l’opération immobilière citée précédemment avec deux objectifs :
- - un objectif à moyen terme qui consiste à mettre en œuvre concrètement le concept du doublet héliogéothermique, à contrôler le comportement des batteries d'échange sur l’air, l'impact thermique sur la nappe, etc. ;
- - un objectif à plus court terme conduisant simplement à étudier sur un cas réel le comportement de la nappe à l'injection, les performances des pompes à chaleur, à optimiser le système et les régulations, et à en tirer des bilans clairs sur les plans technique, énergétique et économique.
L'opération, financée conjointement par le maître d’ouvrage (Foyer du Fonctionnaire et de la Famille), l’Agence française pour la maîtrise de l’énergie, le plan Construction et la Commission des Communautés européennes (Direction générale 12), a été réalisée en 1981 et 1982 et mise en service en mars 1983. Elle comporte deux forages à 85 m de profondeur, équipés chacun d'une pompe immergée, crépinés entre 65 m et 85 m au droit des sables yprésiens et distants de 120 m. Le débit d’exhaure nominal est de 50 m³/h (on a pompé en phase d’essai jusqu’à 120 m³/h) pour un rabattement de quelques mètres dans les puits (chute du niveau d’eau dans les puits en pompage permanent). L’eau à 12,8 °C est faiblement minéralisée et son niveau statique au repos est situé à une dizaine de mètres sous le niveau du sol (la nappe est dite « captive », c’est-à-dire qu'elle est physiquement à 80 m de profondeur, mais elle est mise en charge par les terrains encaissants et l'eau dans le forage se stabilise à un niveau plus élevé). L’écoulement régional est compris entre 5 cm et 10 cm par jour.
Le chauffage est assuré par deux pompes à chaleur chargées au fréon R 22, fournissant au total 500 kW chauds en régime normal, pour une puissance de déperdition maximale des bâtiments par – 7 °C extérieur de 900 kW (G = 0,83 W/m²/°C). La chaleur est distribuée par planchers chauffants en dalle pleine et radiateurs thermostatés : 70 % de la puissance est émise par la dalle et 30 % par les radiateurs ; la température de départ est de 45 °C par – 7 °C extérieur avec une chute de 10 °C entre départ et retour. Les PAC sont branchées en parallèle sur les retours de
BALLON DE STOCKAGE
Chauffage, la température de condensation suivant la température de départ, elle-même fonction de la température extérieure. Un appoint au fioul est prévu, par l'intermédiaire d'un échangeur raccordé à la chaufferie centrale de la ZAC dans laquelle s’intègre l’opération (figure 5).
L’eau chaude sanitaire est fournie en totalité de façon centralisée par une PAC de 160 kW chauds chargée au fréon R 500 pouvant fournir 60 °C en sortie condenseur pour 3 °C en sortie d'eau évaporateur. Durant les heures de nuit E.D.F., la PAC chauffe un stock de 20 m³, réparti en quatre ballons de 5 m³ chacun (calculé pour une consommation moyenne journalière de l'ordre de 100 l par logement) ; de jour, la PAC bascule sur un ballon de 5 m³ alimenté par les retours de boucle, et maintient la boucle d’eau chaude à 50 °C (figure 6).
Pour ce qui concerne la source froide, les évaporateurs des PAC chauffage sont montés en parallèle, avec l'évaporateur de la PAC ECS en série amont sur une boucle comprenant les échangeurs atmosphériques et l’échangeur géothermal (échangeur à plaques en acier inox). Le système a été optimisé de la façon qui suit.
L'hiver, on cherche à contrôler en permanence la température de sortie des évaporateurs en évitant qu'elle ne descende en dessous de 3 °C. Dès que la température extérieure est supérieure à 3 °C, on passe dans les échangeurs atmosphériques en y prélevant une partie de l'énergie de source froide, puis on passe dans l’échangeur géothermal où l’on prélève le complément. Le débit géothermal varie en fonction des besoins grâce à un variateur de vitesse électronique qui commande les moteurs des pompes immergées. Quand la température est inférieure à 3 °C, on déconnecte les échangeurs atmosphériques, la nappe fournissant seule des calories.
En été, la PAC ECS fonctionne seule et, par inversion du régime hydraulique des puits, la chaleur prélevée sur l'air ambiant fournit les calories de source froide à la PAC et assure la recharge de la nappe. Le variateur de vitesse commande cette fois le débit de la seconde pompe immergée dans le puits « froid » et interdit de réinjecter de l'eau au puits de production à une température inférieure à 13 °C (figure 7).
Les échangeurs sur l'air ont la forme de quinze batteries d’échange dont la surface développée totale est de 1 275 m² d'éléments plans constitués d'une trame de fil de cuivre enserrant des tubes également en cuivre dans lesquels circule l'eau glycolée alimentant les évaporateurs. Ces éléments présentent un fort coefficient d’échange avec l'air (de l’ordre de 45 W/m² °C pour un vent de 3 m/s).
Bilan d’investissement
Le bilan H.T. d’investissement de cette opération de 224 logements est le suivant, par logement (valeur 1981) :
- - distribution chauffage et eau chaude sanitaire ..................................... 7 800 F
- - forages + échangeurs + pompes immergées ............................................. 3 300 F
- - pompes à chaleur, boucle froide, régulation, équipement, centrale de chauffe ..... 6 100 F
- - échangeurs atmosphériques ............................................................ 3 200 F
- - surcoût génie civil (centrale de chauffe, terrasse, accès forages) ................. 2 200 F
- - coût total ................................................................................ 22 600 F
- - surcoût par rapport à une installation classique, avec radiateurs et chauffage au fioul domestique ........................................................................ 15 800 F
- - soit en valeur 1984, après ajustement du coût des travaux .......................... 18 600 F
Bilan énergétique de la campagne 1983/1984
Il est donné dans le tableau qui suit, dans le cadre de la chaufferie centrale au fioul, extérieure au bâtiment, qui alimente l'ensemble de la ZAC dans laquelle s’intègrent les 224 logements de l’opération.
Besoins énergétiques
Référence fuel
tep (tonne équivalent pétrole)
Héliogéothermie + appoint
(ann. électriques) tep
| Référence fuel (tep) | Héliogéothermie + appoint (ann. électriques) (tep) | |
|---|---|---|
| Chauffage | 1 893 MWh — 250 tep | 393 MWh — 27 tep |
| Eau chaude sanitaire | 580 MWh — 98 tep | 198 MWh — 14 tep |
| Auxiliaires | 121 MWh — 0 tep | 72 MWh — 7 tep |
| Total | 2 673 MWh — 348 tep | 712 MWh — 48 tep |
COP de la saison de chauffe : 3,8
COP global annuel (avec la recharge) : 3,1
Couverture des besoins par la PAC : 90 %
Tonnes de fuel déplacées par logement : 1,4
Bilan d’exploitation 83/84
Il se décompose comme suit (niveau 1984) :
| Solution de référence (fuel lourd) | Solution P.A.C. + héliogéothermie | |
|---|---|---|
| P1 (combustible) | 4 536 | 1 611 |
| P2 (entretien) | 563 | 741 |
| P3 (renouvellement) | 130 | 520 |
| Comptage | 190¹ | — |
| Total | 5 327 | 2 872 |
¹ Système à basse température et énergie nouvelle dispensé du comptage individuel
Économie annuelle TTC : 2 455 F au logement
18 600 × 1,186
Temps de retour brut de l’investissement : 9 ans
L’installation, qui a été mise en service en mars 1983, a couvert la campagne de chauffe 1983/1984 et fonctionne à nouveau depuis le début de la campagne 1984/1985. En été, l’eau chaude sanitaire est fournie, comme prévu, par les PAC avec les capteurs atmosphériques comme source froide.
Les principales difficultés techniques rencontrées ont porté sur l’isolation phonique des PAC et la régulation des pompes immergées par variation de vitesse ; elles ont été résolues sans difficultés particulières. La première recharge de nappe a eu lieu pendant l’été 1984 ; elle a été l’objet d’un suivi et s’est déroulée dans de bonnes conditions (à l’exception d’un incident survenu sur une pompe, mais qui n’a pas entravé le fonctionnement des PAC).
Sur le plan économique, le temps de retour brut des investissements de cette opération de démonstration est de 9 ans ; en phase de développement, on peut s’attendre à un abaissement jusqu’à 8 ans environ, ce qui peut être considéré comme économiquement compatible avec les modalités habituelles de financement de l’habitat, en particulier l’habitat social. Dans le cas où la recharge thermique ne s’impose pas, ce temps de retour peut être inférieur (de 4 à 7 ans) selon la productivité locale de la nappe, sa profondeur et le nombre de logements raccordables par doublet.
Dans le nord de l’agglomération parisienne, des opérations de 200 à 1 000 logements, dans le cadre de la rénovation énergétique de l’habitat existant (programme PERCHE C, par exemple) sont maintenant tout à fait envisageables dans des conditions économiques satisfaisantes. La nappe de l’Yprésien est par conséquent une « cible » énergétique régionale qui pourrait être avantageusement exploitée en complément de la géothermie à grande profondeur, mais c’est également une ressource en eau potable, et son exploitation thermique ne doit pas entrer en conflit avec cette utilisation traditionnelle de l’eau souterraine.
Or, il y a dans ce domaine une relative inadaptation juridique, dans la mesure où l’on constate une quasi-liberté d’action si le forage n’atteint pas 80 m de profondeur, et au contraire un contrôle administratif très rigoureux si le forage dépasse cette profondeur. Il convient certainement d’aménager l’aspect juridique des choses, d’imposer par exemple que toute installation soit effectuée suivant « des règles de l’art » bien précises, qu’une étude d’impact soit systématiquement menée, etc.
La question de la garantie de ressource dans le temps (garantie de débit, de température, des conditions de réinjection) est maintenant résolue par la mise en œuvre, par les pouvoirs publics, de la procédure Aquapac, qui permet de couvrir le risque géologique.
Les conditions sont donc maintenant remplies pour que ce type de ressource puisse être valorisé. Il ne faut toutefois pas perdre de vue la nécessité de recourir, pour la réalisation des forages, à des bureaux d’études spécialisés ; bien entendu, une bonne coordination devra exister entre ceux-ci et les concepteurs des installations de surface.
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