Comment géostocker l’énergie thermique ?

L’énergie thermique est l’une des 5 formes d’énergie (rayonnante, mécanique, nucléaire, chimique) dont nous sommes totalement dépendants alors que nous ne savons pas la créer spontanément. C’est pourquoi son stockage est l’un des principaux challenges de la transition énergétique des bâtiments. Les récentes avancées technologiques réalisées dans le domaine de la géothermie révèlent un extraordinaire potentiel de géostockage. Aujourd’hui on parle de pilotage intelligent en conduite continue, de chaufferie hybride alimentée par un mix énergétique, de géorégulation des sols par chaleur fatale, etc. Comment ces innovations décuplent-elles les capacités de stockage énergétique ? Comment dopent-elle les performances des solutions de chauffage et de climatisation bas carbone ? On vous dit tout ce qu’il faut savoir pour décarboner efficacement vos bâtiments avec des économies à la clé.  

 

Au sommaire :

1. De l’énergie thermique à la géothermie

Les différentes formes de l’énergie

D’où vient l’énergie thermique ?

Les réactions thermiques dues à l’apport de chaleur

Énergie géothermique ou énergie solaire ?

 

2. De la géothermie au géostockage

Quelles sont les caractéristiques de l’énergie thermique issue des sols ?

Quelles sont les applications concrètes de la chaleur souterraine ?

À quoi sert une pompe à chaleur géothermique (PACg) ?

Comment l’énergie thermique arrive-t-elle jusqu’à la PACg ?

Le stockage géothermique

Le géostockage vu par Accenta

 

De l’énergie thermique à la géothermie

Commençons par quelques brefs rappels qui nous aideront à mieux comprendre les principes de base du géostockage.  

 

Quelles sont les différentes formes de l’énergie ?

L’énergie thermique, c’est avant tout une énergie, donc une « force en action », selon l’ancien terme grec ἐνέργεια. Les physiciens définissent l’énergie par sa capacité à : 

• Modifier un état  ; 
• Produire un travail entraînant un mouvement  ; 
• Générer un rayonnement électromagnétique  ; 
• Produire de la chaleur.

 

 

Ces caractéristiques nous permettent d’exploiter l’énergie sous différentes formes.

 

 

Chacune de ces 5 formes d’énergie est interdépendante des autres. Comme issues d’un même flux, elles sont tantôt à l’origine, tantôt le résultat d’un changement d’état. L’une participe à produire l’autre et vice-versa. C’est magique, non ? 

 

Mais, le fait est que nous ne savons pas créer spontanément cette force en action. Sa production est systématiquement soumise à l’apport d’une autre ressource. Heureusement, nous maîtrisons certains préalables à son exploitation et à son stockage comme le transfert d’énergie d’un milieu vers un autre ou sa transformation en différents états. 

 

Il disait donc vrai ! « Rien ne se perd, rien ne se crée : tout se transforme ». Au fait, c’est de qui déjà ? La réponse est à la conclusion de cet article. 

 

D’où vient l’énergie thermique ? 

Comme souvent, la nature fait bien les choses, car l’énergie thermique est directement contenue dans la matière. Cependant, sa quantité dépend de 2 facteurs : 

• L’apport de chaleur ; 
• La quantité d’atomes et de molécules en présence (capacité thermique massique). 

 

Autrement dit, le volume d’énergie thermique emmagasinée dans un corps varie en fonction de la température du milieu et de la masse de la matière. 

Pourquoi ? Car les particules réagissent à l’apport de calories. Cela signifie qu’elles s’agitent et libèrent de la chaleur lorsqu’elles sont en contact avec des sources chaudes. Donc, plus il y a de matière, plus le potentiel énergétique est important.

 

Le saviez-vous ? 

Quand tous les atomes ou les molécules sont immobiles, la température atteint -273,15 °C, ce qui correspond au « zéro absolu ».

 

Les réactions thermiques dues à l’apport de chaleur

De fait, l’augmentation de la chaleur, issue de l’agitation des atomes, engendre différentes réactions. La plus connue est la combustion, comme celle nécessaire à l’exploitation des énergies fossiles. 

 

Mais, la flamme n’est pas le seul résultat de l’apport de chaleur dans un corps. D’autres conséquences sont observées, telles que : 

• Des changements d’état, comme la transformation de l’eau en vapeur ; 
• La production, comme l’électricité générée dans une centrale thermique ; 
• Une accumulation naturelle de calories dans certains corps comme les roches et les nappes d’eau des sous-sols ;
• Des échanges thermiques entre 2 éléments, appelés le transfert d’énergie. 

 

Nous verrons que ces réactions thermiques participent à l’utilisation et au stockage de l’énergie thermique.

 

Énergie géothermique ou énergie solaire ? 

Les 2 sources originelles de chaleur sont le Soleil et la Terre. D’après vous, à l’aune des infos partagées jusque-là, laquelle de ces 2 sources d’énergie détient le plus gros potentiel d’exploitation et de stockage : l’énergie solaire ou l’énergie géothermique ? 

 Réponse : la chaleur de la terre. Pourquoi ? Car : 

• Les calories du Soleil sont transférées à l’air et celles de la terre aux sédiments, aux pierres et aux eaux souterraines. Or, les matières qui composent le globe terrestre offrent une masse plus importante que celle de l’air (+ de particules = + de chaleur) ; 

• Le sous-sol offre une chaleur constante qui augmente en moyenne de 3 °C tous les 100 m dès 10 m de profondeur (chaleur = agitation des particules = production de chaleur).

 

Bref, le potentiel thermique des sols est plus important que celui de l’air. Il est en effet plus facile de produire et de stocker de l’énergie tempérée à partir de supports thermiques massifs et continus tels que les roches et les aquifères.  

Cette logique implacable nous (géo) transporte tout droit dans le monde fantastique de la géothermie. 

 

De la géothermie au géostockage

Initialement, la géothermie était surtout utilisée à des fins de chauffage. Aujourd’hui, les avancées technologiques permettent de générer et de stocker à volonté le chaud et le froid. 

 

Quelles sont les caractéristiques de l’énergie thermique issue des sols ? 

La géothermie renvoie donc à l’exploitation durable de l’énergie thermique produite et accumulée naturellement dans les sous-sols.  

L’énergie extraite propose des caractéristiques écologiques, énergétiques et économiques séduisantes. Retenez que la chaleur souterraine est : 

• Naturelle, renouvelable et non polluante ;
• Compétitive face aux énergies fossiles ;
• Non soumise aux conditions climatiques (à partir de 10 m de profondeur), donc disponible en continu ;
• Indépendante des évolutions géopolitiques et leurs conséquences (augmentation des prix, embargo, etc.) ;
• Locale, dans le sens où sa production et sa consommation se font dans un périmètre restreint, sans transport polluant ; 
• Discrète, car ses installations n’imposent pas de perturbations visuelles ou sonores à son environnement.  

 

Quelles sont les applications concrètes de la chaleur souterraine ? 

La richesse thermique des sols varie en fonction des zones géographiques d’exploitation. C’est pourquoi il existe au moins 3 types de géothermie et autant d’usages : 

1. Lorsque la température du sous-sol est supérieure à 120 °C, l’énergie géothermique est capable de produire de l’électricité en actionnant les turbines d’une centrale. Cette température est obtenue par des forages profonds en des endroits à fort potentiel, comme les zones volcaniques (Islande, Turquie, etc.)

2. Si la température des roches ou des nappes phréatiques exploitées se situe entre 60 et 80 °C, les calories retirées des sols peuvent alimenter directement le chauffage, et l’eau chaude sanitaire des bâtiments. C’est ainsi qu’un réseau de chaleur urbain pourvoit aux besoins de centaines de bâtiments, comme c’est le cas dans le Bassin Parisien.

3. À faible surface, c’est-à-dire jusqu’à 200 m, la température des sols est de l’ordre de 15-20 °C. La chaleur ne peut donc être exploitée directement. Sa température nécessite alors d’être adaptée aux exigences du bâtiment. C’est la mission des pompes à chaleur géothermiques. Le rafraîchissement et la climatisation sont alors possibles.

 

À quoi sert une pompe à chaleur géothermique (PACg) ? 

Nous savons depuis le XIXe siècle que la chaleur se déplace spontanément d’un milieu chaud vers un milieu froid. Une PACg est capable d’inverser cette orientation naturelle en captant les calories dans un milieu froid pour les injecter dans le milieu chaud. C’est ainsi qu’elle peut traiter l’énergie récupérée avant de la transmettre aux systèmes de diffusion (chaufferie ou climatisation).  

 

Chauffer ou rafraîchir les calories remontées de la Terre 

Pour chauffer un bâtiment, la PACg transfère les calories issues d’une source froide (énergie prélevée sous terre à 15-20 °C) vers une source chaude (chaufferie de votre bâtiment dans lequel l’eau circule entre  40 et 80 °C). 

Un fluide frigorigène circule dans le circuit de la PACg et change d’état (liquide/gazeux) grâce au travail électrique d’un compresseur (et de son élément opposé : le détenteur). L’échange thermique au niveau du condenseur permet de chauffer l’eau pour le bâtiment

Pour rafraîchir l’eau des climatiseurs en été (7-12 °C), le système est inversé : les circuits de distribution du bâtiment sont alors branchés sur l’évaporateur où le fluide frigorigène capte les calories. 

 

 

Source et Crédit image : Accenta

 

 

Notez que le transfert thermique est possible : 

• Grâce au fluide frigorigène (ou caloporteur) qui circule dans la PACg ; 
• À la faveur des changements d’état auxquels est soumise l’énergie (fluide et vapeur). 

 

Faire des économies

Vous l’avez compris, il est moins coûteux de chauffer une énergie prélevée entre 15 et 20 °C (proche de la température de confort des bâtiments), que l’air hivernal aspiré à 0 ou 5 °C. 

Idem pour l’énergie nécessaire à la climatisation : il est plus facile de porter à 10 °C un flux de 18 °C qu’une masse d’air estivale de 30 °C.

Nous verrons en fin d’article, la cascade de plus-values générée par la réduction de l’amplitude thermique traitée par les équipements thermodynamiques. 

 

Comment l’énergie thermique arrive-t-elle jusqu’à la PACg ?

Pour alimenter une pompe à chaleur géothermique (PACg), il faut bien entendu aller chercher les calories sous terre, dans les roches ou dans l’eau. Il existe 3 modes de captage de l’énergie souterraine : 

• Le captage horizontal de l’énergie géosolaire, destinée aux habitations individuelles ; 
• Le captage vertical sur aquifère ou nappe phréatique qui pompe directement l’eau géothermale et ses calories ;
• Le captage vertical sur champ de sondes, qui récupère la chaleur des solides par conduction.  

 

Bon à savoir :

On parle de champ de sondes lorsque plusieurs sondes participent à un même système. C’est le cas notamment pour approvisionner les grands bâtiments. En effet, le nombre de capteurs thermiques positionné dans les sondes doit être proportionnel aux besoins.   

 

Voilà, à présent tous les éléments sont réunis pour aborder les procédés de stockage souterrain de l’énergie thermique. 

 

Le stockage géothermique

Le principe du stockage de l’énergie thermique sous terre est simple : il consiste à élever ou à baisser la température d’un milieu solide ou liquide par rapport à un autre afin de réaliser un transfert énergétique.  

Rappelez-vous que la quantité d’énergie stockée est proportionnelle au volume, à l’élévation de température et à la capacité thermique du milieu de stockage, comme nous l’avons très bien expliqué précédemment 😊. 

 

Le stockage en aquifère, aussi appelé en ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) 

Ce système ouvert s’appuie sur l’utilisation de 2 pompes suffisamment éloignées pour éviter les mélanges thermiques. L’une véhicule un flux chaud et l’autre un flux froid. En hiver, la source chaude alimente la PACg, et la source froide rejette l’eau dans l’aquifère. En été, c’est le contraire. 

Ainsi, vous disposez en permanence de deux réserves thermiques : l’une réchauffée et l’autre rafraîchie. L’installation géothermique puise dans l’une de ces 2 réserves en fonction des besoins de votre bâtiment. Pour ce faire, il suffit d’inverser le sens de circulation du système. 

 

Le géostockage par champs de sondes, ou BTES (Borehole Thermal Energy Storage)

Installer un champ de sondes, c’est un peu comme si l’on enfouissait des roches d’une certaine température au sein d’autres roches d’une température différente. 

 

Simulation numérique de la répartition de la température autour d’un champ de sondes 

Source et crédit image : Accenta

 

 

Que se passe-t-il alors ? En théorie, vous disposez des informations nécessaires pour le deviner. Voici quelques indices : 

• Augmentation (apport de calories) ou réduction (apport de frigories) de l’agitation des particules de la matière ; 
• 2 milieux de température différente ; 
• Échange thermique ; 
• Transfert de chaleur par conduction ; 
• Conductivité thermique ;
• Etc.  

 

Vous avez trouvé les deux possibilités ? 

1. Le fluide caloporteur contenu dans les sondes modifie la température de la roche forée en fonction du degré de chaleur déterminé par la PACg. La matière emmagasine alors le chaud ou le froid reçu.  

2. Les calories ou les frigories accumulées par les roches traversées sont transférées aux capteurs thermiques des sondes avant d’être acheminées et traitées par la pompe à chaleur.   

Il ne vous a pas échappé que ces 2 options participent à un même fonctionnement. L’énergie thermique stockée dans la matière est prélevée ou alimentée en fonction du sens d’écoulement du fluide.

 

Le saviez-vous ? 

Les sondes géothermiques sont généralement alignées les unes à côté des autres, espacées de 5 à 10 mètres, selon les besoins. L’objectif de la disposition est de réduire l’emprise au sol tout en évitant le mélange des températures respectives de chaque sonde. 

 

Le géostockage vu par Accenta

Accenta, en collaboration avec le BRGM, étudie et élabore depuis plusieurs années des solutions de chauffage et de climatisation bas carbone. Ces investigations ont abouti à plusieurs innovations brevetées dont les avantages par rapport à la géothermie traditionnelle ne font pas débat. 

 

La régénération forcée de la température des sols 

Pour régénérer les sols exploités, Accenta y injecte des flux thermiques : 

• De la chaleur naturelle issue de la pompe à chaleur géothermique en mode climatisation
• De la chaleur fatale récupérée par un processus industriel du site
• De la chaleur solaire utilisée comme recharge thermique

 

Cette technique de géorégulation permet de stabiliser durablement la température moyenne de la roche et même de l’élever dans certains cas. 

Sans cet apport, la matière s’appauvrit en calories, ce qui provoque la baisse de la température au fil des années. Il en résulterait un sous-dimensionnement de la PACg, une chute de ses performances et une augmentation de la consommation d’électricité.   

 

Bon à savoir : 

« La chaleur de récupération (ou chaleur fatale) est la chaleur générée par un procédé dont l’objectif premier n’est pas la production d’énergie, et qui de ce fait n’est pas nécessairement récupérée (…). Il s’agit de capter puis transporter cette chaleur, qui serait perdue, pour favoriser son exploitation sous forme thermique. Dans un contexte de limitation progressive du recours aux ressources fossiles et de diminution des émissions de CO2, la récupération et la valorisation de l’énergie fatale gaspillée dans certains processus constituent un objectif essentiel pour une utilisation plus rationnelle de l’énergie, conformément aux objectifs de la transition énergétique. » Ministère de la Transition écologique et de la Cohésion des territoires. 

 

L’utilisation d’un mix énergétique en fonction des ressources du site. 

Outre la chaleur de récupération, Accenta exploite toutes les ressources thermiques disponibles au sein du bâtiment concerné. 

L’énergie solaire peut alors faire office de recharge thermique lors de l’abondance estivale. Au final,  la chaufferie hybride est alimentée par un mélange d’énergies composé de thermique, de solaire et de chaleur fatale. 

 

Le pilotage intelligent du système en conduite continue

Le logiciel Accenta entre en scène en calculant l’équilibre du mix énergétique selon la météo et en fonction des spécificités de chaque bâtiment, comme le taux d’occupation. Il agit alors comme un chef d’orchestre en ajustant chaque flux énergétique pour obtenir le meilleur rendement possible de l’installation. C’est là le principe de la conduite continue du système par intelligence artificielle. 

 

Les plus-values apportées par le concept

Pour finir, voici quelques exemples des avantages obtenus par les installations géothermiques dotées des solutions Accenta : 

• Vous réduisez vos émissions de CO2 jusqu’à 95 % ;
• Vous passez sereinement les pics de consommation sans recourir au chauffage d’appoint ; 
• Vous participez à la régénération des sols ;
• Vous réduisez de 80 % votre consommation et votre facture énergétiques ; 
• Vous réduisez la puissance ou le dimensionnement de votre installation, donc des coûts, tout en maintenant ses performances globales ; 
• Vous réduisez la surface au sol couverte par l’installation de 3 à 7,5 fois ce qui n’est pas négligeable au vu du prix du m2 de terrain dans certaines grandes villes. 

 

Le saviez-vous ? 

Lorsque Accenta installe un champ de 7 sondes sur une surface au sol de 252 m2 (écartement de 6 m), la géothermie pure en pose 14, en occupant une surface de 1 400 m2 (écartement de 10 m).  

 

Pour résumer, l’énergie thermique décuple son potentiel grâce aux progrès techniques de la géothermie. À l’instar du géostockage et de la conduite continue par intelligence artificielle, les systèmes avant-gardistes d’Accenta offrent un rendement exceptionnel et la garantie d’économies substantielles. Aujourd’hui, ces technologies sont adaptables presque partout. Vous souhaitez en savoir plus sur les performances possibles de votre bâtiment ? Vous voulez discuter de la mise en œuvre d’une solution de chauffage hybride bas carbone sur votre site ? N’attendez plus pour nous contacter.   

 

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1. Formule utilisée par le chimiste français Antoine Lavoisier (1743 – 1794)

2. BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières).

Sources : documents internes d’Accenta.