Le chauffage géothermique

La géothermie de basse énergie permet d’alimenter des systèmes de chauffage avec des eaux chaudes souterraines ou avec la chaleur du sous-sol terrestre. Pour exploiter ces sources de chaleur, on creuse des puits et on installe des pompes ou des capteurs géothermiques. Ces techniques de chauffage trouvent un grand nombre d’applications dans l’habitat, l’agriculture et l’industrie.

Le chauffage géothermique : fonctionnement.
© Keblow

Produire de la chaleur : des techniques géothermiques adaptées à chaque situation

Lorsque sa température est comprise entre 20 °C et 90 °C, l’eau géothermale est employée pour chauffer des bâtiments et des installations: on parle de géothermie basse énergie.





La chaleur que renferment les couches rocheuses du sous-sol peut aussi être utilisée directement pour le chauffage.

L’eau géothermale peut être employée pour chauffer bâtiments et installations diverses.

On peut installer un équipement de chauffage géothermique dans n’importe quelle région du monde.

Vrai. Dans tous les grands bassins sédimentaires de la planète, on trouve des eaux chaudes ou de la chaleur utilisables en géothermie de basse énergie : bassins du Mississipi, de l’Amazone ou du Rio de la Plata, d’Australie, de Chine ou de Hongrie, mais aussi Bassins parisien et aquitain en France.

Compte tenu du gradient thermique (hausse moyenne de la température selon la profondeur, dépendant des conditions physiques et géographiques dans chaque région), les réservoirs aquifères mobilisés pour ce type de géothermie se situent généralement entre 1 000 et 2 500 m de profondeur.

Quels que soient les équipements à installer, les géothermiciens commencent par réaliser des forages : ils creusent un ou plusieurs puits pour atteindre les terrains ou les aquifères dont il faut capter la chaleur.

Ensuite, ils introduisent dans chaque puits un long cylindre creux (ou tubage) qui consolide les parois et empêche l’effondrement du trou.

Pour qu’une installation géothermique puisse récupérer les eaux souterraines chaudes, ces eaux doivent avoir une pression assurant un débit régulier et suffisant, dans le puits comme dans le système de chauffage associé. Selon les sites, plusieurs cas de figure peuvent se présenter :

   •    quand la pression dans le réservoir rocheux est supérieure à celle de l’atmosphère, l’eau jaillit d’elle-même à travers le puits. On parle alors de puits artésien. Si l’eau est à la bonne température pour le chauffage (60 °C environ), si sa pression est constante et si elle n’est pas trop forte, on peut l’envoyer directement dans les radiateurs, comme cela se fait en Islande ;

   •    quand la pression de l’eau n’est pas assez forte pour qu’elle remonte seule dans le puits, on installe une pompe hydraulique à moteur. Cette pompe aspire l’eau chaude souterraine et l’envoie dans le système de chauffage.

Pour que l’installation de chauffage fonctionne bien, l’eau géothermale doit aussi être suffisamment pure. En effet, si des sels ou des gaz sont dissous dans cette eau en trop grande quantité, ils peuvent provoquer une corrosion des tuyaux (usure anormale et accélérée), voire les trouer ! En outre, l’eau chargée en sels minéraux et en gaz corrosifs ne peut être utilisée ni évacuée sans effets néfastes sur l’environnement. Face à ces problèmes, les géothermiciens ont mis au point des solutions techniques :

   •    si l’eau est peu corrosive, ils injectent au fond du puits des inhibiteurs de corrosion (produits chimiques freinant ce phénomène). De plus, lorsqu’ils mettent en place le circuit géothermique, ils utilisent des tuyaux faits de matériaux composites moins sensibles à la corrosion, à la place des tuyauteries classiques en acier ;

   •    mais si l’eau est plus corrosive, on ne peut pas l’injecter directement dans le système de chauffage. Entre le circuit géothermique et la tuyauterie de chauffage, on place alors un échangeur de chaleur. Il s’agit d’un appareil dans lequel le circuit géothermique est en contact avec des tuyaux remplis d’eau de ville, reliés aux radiateurs. Grâce à ce dispositif, l’eau géothermale cède sa chaleur à l’eau qui circule dans la tuyauterie de chauffage sans être en contact avec celle-ci, ce qui limite les risques de corrosion du système de chauffage.

Enfin, si l’eau du sous-sol est très chargée en sels et en gaz dissous, on ne peut pas l’évacuer avec les eaux usées. On la réinjecte alors dans son réservoir d’origine au moyen d’un double-puits également nommé "doublet". Ce système comprend un puits de pompage auquel sont reliés un échangeur de chaleur et un puits de réinjection : après avoir cédé sa chaleur au circuit de chauffage, l’eau rejoint son réservoir par le second puits, puis elle est réutilisée une fois réchauffée dans le sous-sol. Ainsi, un doublet présentant un débit de 200 m³ d’eau par heure peut chauffer 2 000 à 3 000 logements.

Pompes à chaleur et capteurs géothermiques : quels usages ?

Les systèmes de chauffage géothermiques et les échangeurs de chaleur associés fonctionnent avec une eau d’une température minimale de 40 °C. Toutefois, d’autres techniques permettent de produire de la chaleur sur les sites où l’on n’a pas accès à une eau présentant ces caractéristiques :

   •    les pompes à chaleur (PAC) peuvent récupérer la chaleur de l’eau contenue dans des nappes peu profondes (moins de 100 m) dont la température atteint 20 °C à 40 °C (on parle parfois de géothermie très basse énergie). Ces systèmes, s'ils sont correctement installés, permettent de produire l’eau à température plus élevée. À l’intérieur de ces pompes, l’eau à faible température fait bouillir un liquide dont la température d’ébullition est inférieure à 0 °C (par exemple de l’ammoniac, qui bout à -33 °C). Ce liquide passe à l’état gazeux, et le gaz obtenu est comprimé au moyen d’un compresseur électrique. Cette opération chauffe le gaz, qui cède sa chaleur à un système de tuyaux reliés à des radiateurs. Débarrassé de sa chaleur, le gaz se liquéfie et il est renvoyé en début de circuit ;

   •    on peut aussi employer des capteurs géothermiques enterrés dans le sous-sol, capables de prélever la chaleur des terrains qu’ils traversent et couplés à des PAC. Il existe des capteurs enterrés horizontalement à faible profondeur (0,60 m à 1,20 m) dont l’installation nécessite une surface de terrain équivalant à 1,5 voire 2 fois la superficie habitable à chauffer. Dans les zones urbanisées où l’espace disponible au sol est souvent réduit, on utilise de préférence des capteurs enterrés verticalement entre 30 et 150 m de profondeur ou sondes géothermiques. Dans les deux cas, les capteurs géothermiques sont composés de tubes enroulés sur eux-mêmes. Dans ces tubes circule de l’eau mélangée à un antigel. Une fois réchauffée au contact du sous-sol, cette eau remonte en surface et fait fonctionner une PAC. La chaleur ainsi récupérée alimente le plus souvent à un plancher chauffant.

Pour pouvoir produire de l’électricité, les PAC en consomment. Il serait moins coûteux d’utiliser directement l’énergie qu’elles dépensent.

Faux. Le fonctionnement des PAC nécessite de l’électricité, mais ces appareils fournissent finalement davantage d’énergie qu’ils n’en demandent pour fonctionner. Pour renseigner les consommateurs sur la quantité d’énergie que produit une PAC par rapport à celle qu’elle utilise, on a mis au point le coefficient de performance (COP). Il s’agit d’un chiffre indiquant combien de kilowattheures d’électricité fournit la pompe pour chaque kilowattheure qu’elle consomme. La plupart des PAC vendues aux particuliers ont un COP équivalant à 3 : pour 1 kWh d’électricité employé, elles en fournissent 3 kWh.

Les PAC peuvent aussi servir à récupérer la chaleur des eaux de mer chaudes. Ainsi, depuis 2007, la ville française de La Seyne-sur-Mer (Var) chauffe des bâtiments à l’aide de PAC grâce aux eaux de la Méditerranée (théâtre, hôtel, centre de conférence, logements sociaux).
Ce programme géothermique permet à la ville de réduire de 750 t ses émissions annuelles de CO₂¹. Les bâtiments chauffés par ce système se trouvent tous à moins de 600 m de la côte, conditions nécessaires pour que le projet soit rentable économiquement.

Par ailleurs, il existe des PAC qui récupèrent la chaleur présente dans l’air : on parle alors de PAC aérothermiques.

Les utilisations diversifiées du chauffage géothermique

Les techniques géothermiques basse énergie sont majoritairement employées dans les bâtiments publics et les habitations où elles font fonctionner des radiateurs et des planchers chauffants. Elles trouvent aussi d’autres applications telles que :

   •    le chauffage de piscines, d’établissements thermaux ou de balnéothérapie, de parcs de loisirs abritant une végétation ou une faune tropicale ;

   •    la production d’eau chaude sanitaire ;

   •    le chauffage de bassins de pisciculture ou d’aquaculture, de champignonnières, de serres agricoles ;

   •    le séchage de bois ou de poisson ;

   •    la mise hors gel d’installations industrielles (maintien d’une température empêchant la formation de gel dans les locaux industriels).

Par ailleurs, si le secteur industriel consomme de l’énergie calorifique , il pourrait également être amené à en fournir dans l’avenir. En effet, les installations industrielles comme les centrales électriques génèrent d’importantes quantités de chaleur. Cette énergie pourrait être récupérée grâce à des technologies proches de celles employées en géothermie de basse énergie.

[1]Source ADEME 2007