Non classé La géothermie, fleuron de la révolution énergétique des bâtiments

17 juin 2022 By Accenta

La géothermie désigne à la fois, l’énergie thermique issue de la Terre, la science qui l’étudie et les technologies qui l’exploitent. C’est aussi l’une des principales actrices de la révolution énergétique imposée par la loi. Le décret tertiaire, la décarbonation des bâtiments, vous n’avez pas oublié ? -40 % d’émission de CO2 pour 2030 et neutralité carbone pour 2050. Si la géothermie est aujourd’hui plébiscitée par les experts pour son efficacité et sa compétitivité, elle n’en reste pas moins méconnue du grand public. Quelles sont les performances et les utilisations de cette énergie renouvelable ? Comment l’exploiter dans votre bâtiment ? Est-il possible de la stocker ? Préparez votre valise, nous partons sur les traces de Jules Verne pour un voyage surprenant : du centre de la Terre jusqu’à la chaufferie de votre immeuble. 

 

Au sommaire :  

 

  1. La géothermie qu’est-ce que c’est ?
  2. Pourquoi la géothermie est-elle en première ligne de la révolution énergétique ?
  3. Comment fonctionne une PAC géothermique ?
  4. Comment stocker l’énergie géothermique ?

 

La géothermie qu’est-ce que c’est ?

 

Avant de nous enfoncer dans les entrailles de la planète, faisons un rapide détour par l’un de nos berceaux sémantiques : dans la Grèce antique, la géothermie c’était tout simplement la chaleur (thermos) de la Terre (géo).

 

Une merveilleuse source d’énergie 

 

Tout commence à quelque 6 000 kilomètres sous nos pieds, au cœur du noyau terrestre. Il y fait chaud ! Plus de 6 000 °C… Composé à 80 % de fer, le magma en fusion réchauffe le manteau, puis la croûte terrestre. 

 

Crédit image : Parlons Sciences

 

Pourtant, ce rayonnement calorifique ne représente qu’une petite partie de la chaleur que nous exploitons. L’essentiel provient d’éléments radioactifs (uranium, thorium et potassium) situés dans les couches supérieures du globe (croûte et manteau).

 

En effet, la décomposition naturelle de ces 3 métaux alimente 90 % de la chaleur stockée dans les roches et les eaux souterraines. L’enveloppe terrestre dissimule donc de gigantesques réservoirs de calories qui ne demandent qu’à être utilisés. Mais pour en faire quoi ?  

 

De la chaleur gratuite à exploiter 

 

Intelligemment exploité, ce merveilleux potentiel énergétique est capable de répondre à tous les besoins de régulation thermique des bâtiments, et plus encore : 

 

  • Chauffer les lieux de vie et les eaux sanitaires à l’échelle d’un immeuble, d’un quartier ou d’une ville (réseaux collectifs). Le chauffage est en effet la principale utilisation de l’énergie géothermique en France : rien que dans le bassin parisien, pas moins de 220 000 logements sont chauffés grâce à l’exploitation d’aquifères. Le plus célèbre étant celui du Dogger.
  • Rafraîchir ou climatiser, car, oui, nous verrons qu’une source de chaleur peut tout à fait refroidir des volumes importants. 
  • Stocker des ressources thermiques par le biais du géostockage.
  • Produire de l’électricité grâce à la transformation opérée dans les centrales géothermiques.  

 

Le saviez-vous ? 

 

Les centrales géothermiques les plus rentables fonctionnent à proximité d’une activité volcanique récente ou en cours, notamment en Asie et en Amérique du Nord. Cette situation génère l’électricité la moins chère du monde (entre 38 € et 62 €/MWh) (2).

 

La France ne compte à ce jour qu’un seul site de production, à Bouillante (la bien nommée !), en Guadeloupe. D’autres sont cependant en cours d’étude comme à Soultz-sous-Forêts (67).

 

Vous vous dites sans doute que c’est bien beau tout ça, mais que pour autant, vous n’êtes pas prêt à poser votre maison au-dessus d’un volcan. Certes, mais lisez la suite…

 

Un potentiel à géométrie variable, mais exploitable partout 

 

C’est vrai, la richesse des sous-sols n’est pas la même partout, ce qui n’empêche en rien d’en adapter son exploitation.  

 

À chaque région son gradient géothermique

 

En France, la température sous nos pieds grimpe en moyenne de 1 °C tous les 30 m. Par contre, en Auvergne, fief volcanique, la hausse est de 8 à 10 °C tous les 100 mètres. En certains endroits du globe, le Celsius peut s’élever de 100° par centaine de mètres. 

 

On parle alors d’un gradient géothermique élevé. Celui-ci traduit le taux d’augmentation de la température des couches terrestres à mesure que l’on s’éloigne de la surface. 

 

Plusieurs types de géothermie pallient l’hétérogénéité des sous-sols. 

 

La géothermie de surface pour les bâtiments

 

Également appelée « très basse énergie », ce type de géothermie explore les sols peu profonds, jusqu’à 200 m. À cette distance, la température moyenne des roches et des aquifères se stabilise entre 12 et 18 °C.

 

L’énergie extraite nécessite donc d’être chauffée ou rafraîchie pour servir nos besoins de régulation thermique du bâti. Elle présente cependant l’avantage d’être disponible partout et adaptable à toutes les constructions (neuves et anciennes, individuelles, collectives ou industrielles). 

  

La géothermie basse température ou basse énergie 

 

Celle-ci nécessite des forages de 200 à 1 500 m afin de pomper la chaleur des nappes phréatiques et des roches à une température comprise entre 30 et 90 °C.

 

La géothermie profonde pour l’électricité 

 

Certains réservoirs géothermiques, au-delà de 1 500 mètres, livrent des fluides dont la température peut grimper jusqu’à 350 °C. Lorsqu’ils disposent d’une quantité et d’un débit suffisants, ils peuvent alimenter une centrale pour produire de l’électricité. 

 

Bien, il ne vous reste qu’à saisir votre pioche et un calorimètre pour débusquer cette énergie qui vous tend les bras, là, juste sous vos petons. Ou alors vous pouvez directement contacter Accenta qui vous aidera à creuser… l’idée. Quel que soit votre choix, vous aurez fait un grand pas vers la transition écologique. 

 

Pas si vite ! La géothermie n’est-elle pas simplement un effet de mode ? Le projet vaut-il vraiment l’investissement ? L’énergie souterraine est-elle à la hauteur de la profondeur du forage ? Voilà des questions bien légitimes. On vous dit tout, là, maintenant.

 

Pourquoi la géothermie est-elle en première ligne de la révolution énergétique ? 

 

L’énergie thermique offerte par la planète est inépuisable, gratuite et non polluante. C’est pourquoi la géothermie s’impose naturellement comme une des réponses les plus efficientes aux enjeux de la transition énergétique des bâtiments. 

 

Une énergie réellement durable 

 

La neutralité carbone n’est pas envisageable sans les changements radicaux exigés par les nouvelles législations. Par conséquent, les énergies renouvelables (EnR) doivent se substituer progressivement aux énergies fossiles polluantes comme le gaz et le pétrole. 

 

Oui, la géothermie est une source d’énergie véritablement renouvelable, au moins pour 2 raisons : 

 

  • D’une part, elle est abondante 
  • D’autre part, son exploitation est encadrée par des normes conçues pour permettre aux ressources de se régénérer naturellement et ainsi préserver l’équilibre thermique des sous-sols. 

 

 

Une ressource non polluante 

 

Les systèmes de chauffage et de climatisation des bâtiments sont en quête de solutions performantes et décarbonées

 

La géothermie génère une énergie propre dans la mesure où elle ne nécessite ni combustion ni transport (principal émetteur de gaz à effet de serre). De fait, son empreinte carbone est effectivement très faible. 

 

Par ailleurs, l’électricité utilisée par les pompes à chaleur géothermique (PACg) génère moins de 45 g de CO2e (équivalent CO2) (2) par kWh de chauffage, soit 7 fois moins qu’un équipement au fioul. Seuls les fluides frigorigènes contenus hermétiquement dans les PACg sont à surveiller, car ils sont estimés 2 000 fois plus impactant que le CO2.

 

Quant à l’exploitation profonde, le bilan carbone est quasi neutre puisque l’énergie récupérée ne nécessite pas d’être traitée par une PACg.  

 

Le saviez-vous ? 

 

Aujourd’hui, les calories issues des sols français permettent d’économiser chaque année 395 000 tonnes de gaz à effet de serre (1) ; pourtant, elles ne représentent que 5 % de la production de chaleur renouvelable. De fait, elles participent concrètement à l’amélioration de la qualité de l’air de nos villes. 

 

Une ressource locale, discrète et intégrée

 

Par définition, la géothermie alimente le bâti de proximité : les constructions sur site, du quartier ou de la ville. Elle n’occasionne donc aucune nuisance liée à son déplacement vers les points de livraison. 

 

Ses vertus environnementales sont même uniques, car contrairement à d’autres EnR, une installation géothermique n’entraîne aucune pollution visuelle, olfactive ou sonore

 

Une reine verte indépendante et disponible 365 jours par an

 

La géothermie mérite définitivement sa réputation de reine verte. En effet, sa couronne écologique est encore sertie d’autres avantages, comme celui d’être disponible partout et en permanence : 

 

  • Elle ne dépend pas des conditions climatiques puisque, dès 10 m de profondeur, nos sous-sols sont hermétiques aux variations saisonnières
  • Elle peut être stockée à certains moments de l’année et utilisée à d’autres. 
  • D’un point de vue géologique, l’ensemble du territoire français est adapté à une des techniques existantes.
  • Elle reste souveraine face aux contextes géopolitiques internationaux et aux fluctuations de prix constatées sur les énergies fossiles.

 

Et sur le plan économique ? 

 

Dans ce domaine aussi, la géothermie s’avère particulièrement concurrentielle

 

De faibles coûts de maintenance et d’exploitation 

 

Pour entretenir une pompe à chaleur géothermique (PACg) et ses composants, le budget moyen est de (4)

 

  • 156 €/an pour un particulier (8 kW)* ; 
  • 1 800 €/an pour un immeuble collectif (250 kW)* ; 
  • 3 120 €/an pour un bâtiment à usage tertiaire (400 kW)*. 

 

* puissance calorifique de la PACg

 

Des montants auxquels il convient d’ajouter le prix de l’électricité consommée par la PACg.

 

Un investissement rentable

 

Les derniers détracteurs de cette énergie soulignent l’importance des coûts initiaux. Ce n’est pas faux, si l’on ne considère que la dépense immédiate. L’installation est effectivement plus onéreuse que celle d’un chauffage traditionnel, en raison du forage

 

Néanmoins, le retour sur investissement intervient après 4 à 13 ans d’exploitation (4), sachant que le cycle de vie d’une PACg est en moyenne de 20 ans et celui d’un forage d’au moins 50 ans. En fait, les études démontrent que plus le volume à tempérer est important, plus la rentabilité du dispositif est rapide. 

 

En 2020, le coût moyen de l’investissement était de (4)

 

  • 12 700 € TTC pour une installation individuelle (8 kW) ;
  • 95 000 € TTC pour une habitation collective (250 kW) ; 
  • 120 000 € TTC pour un bâtiment du tertiaire (400 kW).

 

Ces montants peuvent varier selon le type de PACg, sa puissance et la nature des sous-sols.

 

Des aides aux coûts d’installation et de production

 

Notez que la Programmation Pluriannuelle de l’Énergie (PPE) 2019-2028 soutient concrètement le déploiement de la géothermie, notamment par le biais du Fonds chaleur piloté par l’ADEME. 

 

Ainsi différentes aides à l’investissement et à l’exploitation sont accessibles aux particuliers et aux entreprises, tant au niveau national que régional. 

 

Un gisement d’emplois locaux

 

Par ailleurs, la géothermie représente un important gisement d’emplois locaux. Comme pour toutes les énergies renouvelables, elle offre une possibilité de reconversion aux salariés victimes de l’indispensable mise en retraite des ressources fossiles. 

 

Voici donc les principales raisons qui propulsent la géothermie sur le front de la révolution énergétique. Dame Nature a enfoui sous nos pieds un trésor inestimable dont il serait bien dommage de ne pas exploiter pleinement le fantastique potentiel

 

Maintenant que vous connaissez les nombreuses vertus de la reine verte, regardons comment vous pouvez la mettre à profit au sein de votre parc immobilier.  

 

Comment fonctionne une PAC géothermique ?

 

 

Crédit image : Géothermies

 

Le principe de base d’une pompe à chaleur géothermique (PACg) ou thermopompe est simple : il consiste à drainer la chaleur stockée dans les sous-sols pour la transférer dans vos locaux. 

 

Le système a largement fait ses preuves, puisque certaines installations sont en service depuis plus de 60 ans ! Voyons de plus près comment la magie opère. 

 

Principe de fonctionnement d’une PACg 

 

Nous avons vu que dans le cas de la géothermie de surface, la température de l’énergie prélevée nécessite d’être ajustée. C’est la mission de la PACg. On peut schématiser son fonctionnement de base en 6 étapes : 

 

1. Des échangeurs thermiques transfèrent la chaleur des sous-sols vers la PACg grâce à un fluide caloporteur (voir système de captage dans le prochain chapitre) ;

2. L’évaporateur transforme le fluide en vapeur ; 

3. Le compresseur élève sa température en la comprimant ; 

4. Le condenseur transmet la chaleur vers le système de distribution sous forme de condensation ; 

5. Le détendeur diminue la pression afin de rendre au fluide son état initial ;

6. Un nouveau cycle thermodynamique peut alors recommencer. 

 

 

Crédit image : AFPG

 

Ce type de système se raccorde au réseau électrique afin de faire fonctionner le compresseur. Ce principe s’adresse tant aux particuliers qu’aux entreprises ou aux industries. La puissance de la PACg est adaptable aux nécessités et à la taille des bâtiments desservis. 

 

Quelle est la puissance d’une PACg ?

 

Une étude attentive de vos besoins et de vos sous-sols détermine la force calorifique nécessaire : 

 

  • Les pompes à chaleur affectées aux maisons individuelles embarquent généralement une puissance calorifique de 8 à 30 kW. Elles répondent à toutes les exigences thermiques du chauffage, de l’eau sanitaire et de la climatisation.
  • Les PACg destinées aux immeubles communs, bâtiments à usage tertiaire et usines peuvent produire une énergie quasi illimitée si la nature des sous-sols s’y prête. Dans de bonnes conditions géothermiques, une PACg collective est capable de produire plusieurs MWh, et ainsi être utilisée à des fins industrielles ou encore pour chauffer des piscines publiques. 

 

Le coefficient de performance

 

Un coefficient de performance (COP) est attribué à chaque pompe à chaleur. Le COP traduit le ratio entre le nombre de kilowatts électriques (kWe) consommés et la quantité de kW thermiques (kWth) restitués (chaud ou froid). 

 

On considère qu’une PAC géothermique renvoie en moyenne 4 kWth pour 1 kWe ce qui équivaut à un coefficient de 4. Les progrès technologiques permettent d’atteindre des coefficients 6. 

 

Bon à savoir : 

 

Pour guider votre projet de rénovation énergétique avec la géothermie, l’Ademe recommande certains labels de qualité, comme : 

  • Quali’Pac pour les pompes à chaleur ;  
  • L’attestation de capacité pour la manipulation de fluides frigorigènes ;
  • Quali’Forage pour les forages et l’implantation de sondes thermiques.

 

Par ailleurs, notez que la garantie Aquapac peut être attribuée gratuitement après examen du dossier. Il s’agit d’une assurance qui couvre les risques liés à l’exploitation d’un aquifère : 

 

  • En cas de diminution des performances énergétiques de l’installation dans la décennie qui suit sa mise en place (détérioration, usure anormale, etc.) ;
  • En cas de dépenses liées à une prospection souterraine non concluante comme une nappe phréatique non exploitable.

 

Justement, votre future PACg a beau être costaude et certifiée, il va bien falloir aller la chercher cette énergie ! Pour ceux qui ont renoncé à la pioche, voici les différentes méthodes. 

 

Les systèmes de captage de l’énergie géothermique 

 

Selon les formations géologiques en présence, les calories peuvent être puisées directement dans l’eau géothermale (nappe phréatique ou aquifère) ou dans les roches. 3 types de captage sont possibles. 

 

Le captage horizontal (énergie géosolaire) 

 

C’est le système le plus utilisé en France par les particuliers. Il consiste à installer un circuit fermé à plat, dans lequel s’écoule le fluide caloporteur composé d’eau et d’antigel (eau glycolée). La tuyauterie en polyéthylène est enterrée juste en dessous du point de gelée propre à votre zone d’habitation. 

 

En principe, l’enfouissement ne dépasse pas 1 min 20 s de profondeur, il peut être réalisé par un entrepreneur de terrassement.

 

L’énergie exploitée dans ce cas est qualifiée de géosolaire, car elle est surtout dépendante des calories apportées par le soleil, le vent ou les pluies. 

 

Crédit image : AFPG

 

Bon à savoir : 

 

Pour accueillir cette installation, votre terrain doit être dépourvu d’arbres (à cause des racines), et présenter une surface de sol 1 à 2 fois supérieure à celle de votre maison. C’est pourquoi elle est rarement aménagée pour les usages collectifs. 

 

Le captage sur aquifère ou puisage sur nappe phréatique 

 

Ce système à circuit ouvert est le plus efficace. Il est néanmoins dépendant de la présence d’un aquifère avec un débit suffisamment important. Dans ce cas, 2 forages sont nécessaires (doublet géothermique), l’un pour pomper l’eau et l’autre pour la reverser dans la nappe. L’eau fait alors office de fluide caloporteur. 

 

Pompe à chaleur géothermique sur nappe © ADEME-BRGM

Crédit image : Géothermies

 

Captage par sondes géothermiques verticales ou par champ de sondes 

 

Ce type d’installation permet de se soustraire à l’obligation d’accéder à une nappe phréatique. Son rendement pour les grands bâtiments est particulièrement intéressant grâce aux avancées technologiques réalisées ces dernières années. Le foreur agréé fixe alors les sondes géothermiques à une profondeur de 30 à 200 mètres, en fonction de la nature du sous-sol. La présence de nombreuses sondes (champs de sondes) optimise considérablement le système. 

 

Pompe à chaleur géothermique sur champ de sondes © ADEME-BRGM

Crédit image : Géothermies

 

Bon à savoir :

 

Certains bâtiments intègrent directement le champ de sondes verticales dans leur fondation. On parle alors de géostructure ou de géothermie sur pieux

 

 

Illustration d’une géostructure. Crédit image : AFPG

 

Étonnant, non ? Et ce n’est pas fini, figurez-vous que la technologie géothermique permet aussi de faire des réserves d’énergie. Si, si !  

 

Comment stocker l’énergie géothermique ?

 

Dit simplement, les techniques de géostockage se rapprochent du fonctionnement d’un ballon d’eau chaude. Le principe consiste à chauffer ou à rafraîchir la température d’un support de stockage (chaleur sensible). Mais au fait, à quoi bon faire provision d’une ressource dite renouvelable ?

 

Quel est l’intérêt de stocker une énergie réputée inépuisable ? 

 

Le stockage de l’énergie géothermique revêt plusieurs intérêts : 

 

  • Il permet au sous-sol de se régénérer et préserve ainsi sa durabilité ;
  • Il améliore les performances des installations ;
  • Il prévient un éventuel déséquilibre entre la production et les besoins de chaud ou de froid ;
  • Il contribue significativement à réduire les rejets de CO2 de vos bâtiments ;
  • Il diminue votre facture d’énergie. 

 

Les différentes techniques de stockage

 

Le mode de stockage de l’énergie géothermique dépend du type de captage qui alimente la pompe à chaleur de votre bâtiment ; autrement dit, de la composition du sous-sol. 

 

Le stockage en aquifère (ATES)

 

L’ATES, pour Aquifer Thermal Energy Storage, est un système de captage d’eau réversible. Souvenez-vous, ce dispositif requiert l’installation de 2 pompes : l’une pour l’injection d’eau chaude, l’autre pour le rejet de l’eau refroidie.

 

Les tuyaux ayant été suffisamment espacés pour éviter les interférences thermiques, ces 2 bulles d’eau distinctes forment des puits de stockage.   

 

En hiver, l’eau pompée dans la bulle chaude alimente votre PACg. À l’issue de son cycle thermodynamique, elle est reversée dans la bulle froide en prévision des besoins de climatisation. Lors du prochain été, le sens de circulation de l’eau est inversé. 

 

 

 

Crédit image : Académie des technologies (8)

 

Ce procédé d’une bonne maturité technologique est plus répandu à l’étranger. Les dépenses d’investissement peuvent varier de 200 000 à 2 500 000 8 € et son efficacité est de 70 à 90 %.

 

Le stockage en champ de sondes (BTES) 

 

Le système BTES, comme Borehole Thermal Energy Storage est une forme de stockage intersaisonnier de l’énergie thermique (Seasonal Thermal Energy Storage – STES). Cela signifie qu’il emmagasine le froid de l’hiver pour l’utiliser l’été, et vis versa. 

 

Là aussi, c’est la réversibilité du dispositif de captage vertical qui permet le stockage. Dans ce cas, ce sont les roches, généralement situées entre 50 et 100 mètres, qui engrangent puis transmettent le froid ou de chaud.

 

 

Stockage (à gauche) et déstockage de chaleur en champ de sondes. Source : Underground Energy

Crédit image : Académie des technologies (8) 

 

 

En hiver, le fluide caloporteur charge les calories en traversant les roches chaudes, il en refroidit d’autres dans la phase de reflux.

 

Au changement de saison, le cycle est inversé afin que les roches rafraîchies transmettent le froid stocké. Le rendement estimé est de l’ordre de 50 à 70 % selon la conductivité thermique des roches visitées par les échangeurs thermiques. 

 

Le saviez-vous ? 

 

« Accenta a mis au point une solution intelligente de stockage de chaleur intersaisonnier. Après avoir déposé deux brevets technologiques (…) et remporté le concours d’innovation du Programme d’Investissements d’Avenir de l’Ademe, la jeune pousse plonge dans le grand bain et lance la commercialisation de sa solution développée en partenariat avec les équipes de recherche du Centre Efficacité énergétique des Systèmes (CES) de Mines ParisTech (Armines) et du Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM). » Découvrez l’article

 

La géothermie réunit donc de solides atouts pour relever tous les défis de la révolution énergétique des bâtiments. Ses performances écologiques, calorifiques et économiques ne font plus débat. À l’instar des innovations réalisées par Accenta, les récentes avancées technologiques ont décuplé sa compétitivité. Désormais, la reine verte dévoile toute son efficacité à l’aune du pilotage par intelligence artificielle et de ses capacités de stockage. De fait, son formidable potentiel ouvre de nouvelles perspectives sur l’avenir, de quoi enfin entrevoir une croissance verte en harmonie avec notre environnement. 

 

Pour finir, retenez que la géothermie s’est largement démocratisée : elle est exploitable partout, quel que soit votre type de construction et accessible à tous par le biais d’aides publiques significatives. Il est maintenant temps d’amorcer votre propre transition énergétique grâce aux conseils personnalisés d’un expert Accenta

 

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Sources et liens utiles

 

1. Association Française des Porfessionnels de la Géothermie (AFPG)

2.Géothermies 

3. Géothermies 

4. AFPG

5. Ministère de la Transition écologique 

6. Ministère de la Transition écologique 

7. AFPG 

8. Académie des technologies 

9. Ademe/Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) 

10. Fonds chaleur Ademe 

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