Comment marche le système géothermique ?

Un système géothermique utilise la chaleur naturelle produite dans les entrailles de la terre pour la réutiliser en surface pour le chauffage de bâtiments et la production d'électricité.

Dans la pratique, u n long tuyau de polyéthylène ou de cuivre gainé de polyéthylène est enterré dans le jardin. On fait circuler dedans un liquide, qui se réchauffe un peu au contact de la terre. Comme ce liquide a la propriété de se mettre à bouillir à très basse température, il passe alors de l'état liquide à l'état gazeux. Cette vapeur est comprimée par un compresseur situé dans la maison. Le simple fait de la comprimer a pour effet d'augmenter sa température. Elle est alors conduite à un condenseur qui la refait passer à l'état liquide. Lors de ce changement d'état il se dégage à nouveau de la chaleur, qui est transmise à l’eau de chauffage (radiateur, plancher chauffant, ...).

Le liquide continue son cycle, et après s'être détendu, repart en circuit fermé rechercher de la chaleur dans la terre du jardin.

Issue de l'énergie de désintégration de noyaux instables qui constituent le noyaux terrestre, l'énergie géothermique se divise grossièrement en trois catégories distinctes :

Cette dernière exploitant aussi la chaleur du sol issue du rayonnement solaire grâce à des capteurs verticaux et horizontaux implantés directement dans le sol.

Notre étude s'axe autour de ces trois grandes parties.

Qu'est ce qu'une pompe à chaleur ?

Les pompes à chaleur sont des machines qui (pompe de la chaleur froide) de température basse (de l'air ambiant ou du sol) à une température plus élevée propre à réchauffer une pièce.
Pour ce faire, le compresseur de la pompe a besoin d'énergie éledrique, laquelle représente seulement un tiers de l'énergie calorifère livrée grâce au principe de la pompe elle-même.
Cette relation entre le rendement de chauffage et la dépense énergétique en électricité se nomme coefficient de performance (CEP).

Ce chiffre est un critère de qualité énergétique très important pour les pompes à chaleur. Principe de fonctionnement de la pompe à chaleur : La chaleur prélevée dans l'air, dans le sol ou dans l'eau est acheminée vers l'évaporateur qui la transmet au fluide calopodeur (à faible point d'ébullition) de la pompe à chaleur. Ce fluide change d'état et se transforme en vapeur.

Le compresseur comprime cette vapeur, augmentant ainsi sa température, C'est au niveau du condenseur que la vapeur surchauffée transmet sa chaleur au circuit à eau du système de chauffage. Le fluide caloporteur toujours comprimé redevient liquide. La soupape de détente réduit la pression du fluide caloporteur, et la température de ce denier s'abaisse fortement le rendant prêt pour une nouvelle absorption de chaleur de l'environnement et le cycle peut recommencer.

Nous vous proposons plusieurs systèmes géothermiques pour vous chauffer.

Les délais d’installation sont souvent moins longs que ce que l’on pense, ils peuvent aller de 1 à 4 jours dans la plupart des cas. Il se peut que ce délais soit plus important suivant la complexité de l’installation.

• Pompe à chaleur air/eau : Les calories utilisées par le système sont prises dans l'air extérieur.
• Pompe à chaleur eau glycolée/eau : Les calories utilisées par le système sont prises dans le sol soit par sondes profondes où capteurs enterrés horizontaux.
• Pompe à chaleur eau/eau : Les calories utilisées par le système sont prises dans un circuit, une nappe phréatique. (1 pompage et 1 rejet ).

La géothermie haute énergie (températures › 150 °C)

Exploite les gisements > 150 °C de nappes aquifères pour produire directement de l'électricité avec environ 8 GW produits dans le monde (0.006 en France !), Etats-Unis Philippines et Mexique surtout.

Il existe 2 grand types actuellement mais la plus utilisée est la haute énergie sur vapeur sèche :

Cette technologie est valable là où la source d'énergie est un lit de roches très chaudes, et sans eau liquide. Habituellement leur température est comprise entre 180 et 350 °C.

Des puits d'absorption sont creusés jusqu'à la zone riche en vapeur d'eau sous haute pression et haute température. La vapeur est acheminée à haute vitesse jusqu'à une turbine qui convertit la chaleur en électricité. Ensuite, la vapeur sous basse pression est rejetée dans l'atmosphère.

De plus en plus on observe plus souvent la mise en place d'un condenseur à la sortie du système qui transforme la vapeur basse pression en eau puis celle-ci est réinjectée dans la zone géothermique par l'intermédiaire de puits de réinjections secondaires.

Schéma de principe d'une centrale à vapeur sèche :

A l'heure actuelle, la seule référence française en matière de géothermie haute température se situe à Bouillante, non loin du volcan guadeloupéen de la Soufrière. La centrale de Bouillante, située en pleine agglomération, a déjà une longue histoire qui a débuté dans les années 1960 par des sondages et des forages d'exploration sous l'égide du BRGM. Quatre forages profonds ont suivi dans les années 70, réalisés par une entreprise privée innovante, la société Eurafrep. Un seul d’entre eux d’une profondeur de 300 m a été déclaré positif sur la base duquel l’installation d’une centrale de 5 MW a été décidée en 1984. A partir de 2000, un projet d'extension des activités géothermiques a été mis à l’étude pour multiplier par 3 les capacités intallées.

La géothermie moyenne énergie (entre 90 et 150 °C)

La géothermie moyenne énergie utilise des sources d'eau chaude à des températures allant généralement de 90 à 160 °C environ. Cette source d'eau chaude est issue d'un jeu de failles ou bien de zones aquifères propres à la haute énergie mais à des profondeurs moindres et donc relativement plus facile à utiliser.

• Plus facile a mettre en œuvre : Puits d'extraction moins profonds qu'en haute énergie généralement (de 2000 à 4000 m de profondeur) et les sources sont beaucoup plus courantes que celles de vapeur sèche.
• L'eau est dépressurisée et transformée en vapeur d'eau puis envoyée dans une turbine. Survenue de ce phénomène dans les tuyaux (cavitation).
• On préfère utiliser des échangeurs à une température de la source inférieure à 140 °C .Le fluide caloriporteur utilisé est de type fréon ou eau glycolique qui ont des températures d'ébullition basses.
• Apparue à la fin des années 80
• Production de quelques MW maximum
• Adaptée dans des zones insulaires isolées ou montagneuses, on comptait environ 200 installations dans le monde en 2001.

Au début des années 80, la géothermie basse énergie a connu un rapide démarrage sous les effets des chocs pétroliers et de la mise en place de politiques incitatives. Près d’une centaine d’opérations en majorité dans le Bassin parisien sont alors réalisées jusqu'en 1985 où des problèmes économiques (cours du pétrole), techniques (corrosion et dépôts dans les tubages) et financiers (prêts contractés avec des taux élevés en période d’inflation vite révolue) stopperont net le développement de la filière.

En 1989, les pouvoirs publics vont s'engager dans une négociation avec les maîtres d'ouvrage du Bassin parisien. Le rééchelonnement des prêts a permis de sauver une trentaine d’exploitations. et, depuis, les exploitations se sont poursuivies sans baisse des températures, conformément aux modèles développés par le BRGM.

La géothermie basse énergie (toute source qui dépasse 25 °C)

La géothermie basse énergie est plus locale car elle permet l'extraction de chaleur en vu du chauffage d'un habitat à partir d'une source de chaleur à partir de 30 °C seulement. Il faut cependant retenir que cette énergie se transporte difficilement et les pertes dans les tuyaux sont rapidement importantes (comme dans le cas du transport de l'énergie électrique).

La géothermie très basse énergie est définie par l’exploitation d’une ressource présentant une température inférieure à 30°C, qui ne permet pas, dans la plupart des cas, une utilisation directe de la chaleur par simple échange. Elle nécessite donc la mise en œuvre de pompes à chaleur qui prélèvent cette énergie à basse température pour l’augmenter à une température suffisante pour le chauffage d’habitations par exemple.

Cette opération requiert un peu d’énergie électrique et l’utilisation d’un fluide frigorigène dont le changement d’état (vapeur ou liquide) permet de transférer les calories captées dans le sous-sol vers les logements. Ainsi, une pompe à chaleur qui assure 100% des besoins de chauffage d’un logement consomme seulement 30% d’énergie électrique, les 70% restants étant puisés dans le milieu naturel.

La géothermie très basse énergie concerne l’exploitation de deux types de ressources : l’énergie naturellement présente dans le sous-sol à quelques dizaines – voire des centaines – de mètres et dans les aquifères qui s’y trouvent.

En France, la température moyenne au niveau du sol est en général de 10 à 14°C et au fur et à mesure que l’on s’enfonce dans le sous-sol, celle-ci augmente en moyenne de 4°C tous les 100 m (gradient géothermal).

La chaleur emmagasinée dans le sol est accessible en tout point du territoire. Les techniques de capture de cette énergie seront adaptées en fonction des besoins thermiques et des types de terrains rencontrés.

Les aquifères superficiels sont largement répandus sur l’ensemble du territoire. Il s’agit soit de nappes alluviales qui accompagnent les cours d’eau, soit d’aquifères présents à différentes profondeurs dans les bassins sédimentaires et dans les régions de socle qui peuvent présenter en surface une zone altérée qui contient de l’eau (Bretagne, Massif central).

Le concept de géothermie très basse énergie recouvre des applications qui vont du chauffage de maisons individuelles jusqu’au chauffage par réseau de chaleur. Ce type de géothermie se montre particulièrement adapté au chauffage de logements collectifs ou de locaux du secteur tertiaire (hôpitaux, administration, centres commerciaux…).

Pour en savoir plus

Agence Internationale pour les énergies renouvelables - Article de Wikipedia
Qu'est-ce que la géothermie ? Dossier Futura Science