Géothermie

En remplacement de solutions conventionnelles (fossile ou électrique), en neuf ou pour des bâtiments existants, la géothermie est une bonne option, à étudier comme les autres ENR thermiques. Elle est particulièrement intéressante quand les besoins de froid sont importants.

La géothermie de surface (profondeur de moins de 200m) ou géothermie de minime importance, permet de produire du chaud, pour le chauffage et l’eau chaude et du froid pour le rafraîchissement de bâtiments, de process industriels ou de serres agricoles. A l’aide d’une pompe à chaleur, on peut répondre à l’ensemble des besoins de chaleur et rafraîchir les locaux en été par simple géocooling, en n’utilisant que la circulation de l’eau tempérée dans les émetteurs.

Si les besoins de froid sont simultanés avec les besoins de chaud, on peut utiliser une thermo-frigo-pompe.

En vigueur depuis 2015, le décret sur les gîtes géothermiques de minime importance (GMI) permet de sécuriser, simplifier et réduire les délais de réalisation de nombreux projets de pompes à chaleur géothermiques. Cette réglementation résulte d’une concertation entre les pouvoirs publics et les professionnels de la géothermie.

Le décret permet d’exclure du Code minier les ouvrages géothermiques de moins de 10 m de profondeur et facilite la plupart des opérations de faibles puissances par la création d’un régime déclaratif allégé et dématérialisé (télé-déclaration).

Il s’applique aux ouvrages de moins de 200 m de profondeur, prélevant moins de 500 kW au sous-sol. Pour les échangeurs ouverts, le débit d’eau prélevé doit être inférieur à 80 m3/h. L’eau ne doit pas excéder 25°C en sortie des ouvrages de prélèvement et doit être rejetée dans son aquifère d’origine.

Ce décret s’appuie sur 4 arrêtés :

• une cartographie réglementaire (définition de trois zones : verte, orange, rouge) ;
• les prescriptions générales (pour la réalisation des ouvrages) ;
• l’obligation de qualification des entreprises de forage (Qualiforage) ;
• l’agrément des experts en hydrogéologie (pour les opérations situées en zone orange).

Concernant la cartographie, les maîtres d’ouvrage doivent vérifier que leur projet se trouve dans une zone adéquate en consultant la cartographie réglementaire sur www.geothermies.fr/viewer/

Les cartes présentent 3 zones :

• des zones ne présentant pas de risques, dites « vertes » ;
• des zones « oranges » dans lesquelles, en l’absence de connaissances suffisantes ou compte tenu des risques déjà identifiés, il doit être joint à la déclaration l’attestation d’un expert hydrogéologue agréé. Voir liste des hydrogéologues agréés. Dans l’immense majorité des cas, les projets en zone orange aboutissent.
• des zones à risques significatifs, dites zones « rouges » où le projet ne pourra être réalisé qu’après autorisation de l’installation au titre du Code minier.

Un projet de géothermie doit être réfléchi à l’échelle d’un bâtiment ou d’un groupe de bâtiments, voire d’un quartier, en comparaison avec d’autres solutions renouvelables ou conventionnelles, afin d’en apprécier l’opportunité. Pour ce faire, des structures relais de l’ADEME disposent des compétences pour réaliser gratuitement des études d’opportunité.
 

La ressource disponible est très importante et disponible pratiquement partout. Certaines zones ne sont pas favorables à des forages, pour des questions de géologie et d’hydrogéologie. Les zones karstiques, par exemple, peuvent se révéler hasardeuses pour des forages en profondeur. Pour autant, l’utilisation de la géothermie par des capteurs de surface reste envisageable pour des petits bâtiments.

Pour optimiser le coût de la chaleur produite et le projet dans son ensemble, il est impératif de bien déterminer les besoins à couvrir, et prévoir leurs évolutions à venir.

Etant donné que l’installation technique et les forages seront dimensionnés au mieux par rapport à un besoin de chaud et de froid, mieux vaut bien prévoir quels sont précisément ces besoins, et s’ils vont être amenés à évoluer à l’échéance de quelques dizaines d’années.

En effet, une installation sous-dimensionnée ou surdimensionnée n’atteindra pas son optimum technique et financier, voire pourra rencontrer des difficultés de fonctionnement.

L’étude de faisabilité est faite pour trouver une solution technique et financière adéquate. Elle doit être réalisée par un professionnel indépendant et qualifié, avec le cahier des charges de l’ADEME.

L’étude de faisabilité peut découler sur d’autres études plus techniques ou plus juridiques :

- Etude de montage juridique pour la réalisation d’un projet

Cette étude peut être nécessaire dans le cas où l’installation de géothermie vise à approvisionner plusieurs bâtiments, voire un quartier via un réseau de chaleur. Une délégation de service public peut être envisagée, si le service de distribution de la chaleur est organisé par une autorité compétente (commune, agglomération, syndicat d’énergie) et alimente des bâtiments privés. Des montages avec la participation des citoyens peuvent également être envisagés.

- Campagne de test de réponse thermique (sondes)

Dans le cas où les données disponibles ne permettent pas de connaître de façon suffisante le potentiel de géothermie, on peut réaliser un test de réponse thermique.

Cette opération est préliminaire au dimensionnement d'un champ de sondes. Le test se compose d'une série de mesures qui s'étalent sur plusieurs jours. Il est réalisé sur site à l’aide d’une sonde géothermique pilote (sonde test installée sur le site même du futur système géothermique). De ce fait, les mesures effectuées ne sont valables que dans le contexte de sa réalisation, notamment en ce qui concerne le type et la profondeur de la sonde de test. Ainsi, la sonde de test doit impérativement être représentative, du point de vue de sa conception (forage, type de sonde utilisée, cimentation) et de sa profondeur, des sondes qui seront mises en place dans l'installation future.

Les mesures effectuées permettent de caractériser les propriétés thermiques moyennes du sous-sol sur le site, telles que, a minima :

• la température moyenne stabilisée du sous-sol ;
• la conductivité thermique du milieu rencontré ;
• la qualité, en tant qu'échangeur thermique, de la sonde de test

- Forage d’exploration

Si les réponses de l’étude de faisabilité sont concluantes, le maître d’ouvrage peut directement passer à la consultation des entreprises

Pour savoir quelle technologie choisir, il faut répondre à ces quelques questions :  

• Si l’installation est inférieure à 30kW

Il faut alors privilégier les corbeilles géothermiques, si le terrain disponible (gazon, cour…) est restreint et que le terrassement est simple (sol meuble) ou les capteurs horizontaux si le terrain disponible est suffisant et qu’il n’y a pas de terrassement simple.

• Si l’installation est supérieure à 30 kW, il faut prévoir d’employer des forages :

S’il existe une nappe facilement accessible, privilégier le forage sur nappe, plus efficace. Sinon, réaliser des sondes ou des géostructures :

Si l’installation se réalise dans le cadre d’une construction de bâtiment, l’utilisation de géostructures peut être envisagée s’il est nécessaire de réaliser des fondations importantes ou que le terrain disponible pour un champ de sonde est trop restreint. Sinon, les sondes géothermiques sont la solution la plus adéquate.

Comment fonctionnent ces installations de géothermie ?

Quelle que soit la façon dont l’énergie est récupérée, les installations de géothermie de surface fonctionnent toutes sur le même principe : La production de chaud et/ou de froid est facilitée par une machine thermodynamique, la pompe à chaleur.

La pompe à chaleur peut fonctionner alternativement en mode chaud ou en mode froid si elle est réversible, elle peut fonctionner en thermo-frigo-pompe pour produire simultanément du chaud et du froid, si nécessaire.

Les performances d’un aquifère ou d’un champ de sonde se mesurent de façon différente :

• Pour le champ de sonde, il est dépendant de la conductivité thermique du sol, de la température du sol, de la conception du champ de sonde et de sa mise en œuvre.
• Pour un forage sur aquifère, il est dépendant de la transmissivité (capacité à un fluide de traverser le substrat avec un différentiel de pression), la température du sol, et l’épaisseur de l’aquifère.

Les performances des pompes à chaleur sont calculées selon un coefficient appelé COP. Il correspond au rapport entre l’énergie consommée (l’électricité nécessaire à leur fonctionnement) et l’énergie restituée. La pompe à chaleur eau-eau offre l’un des COP les plus élevés, délivrant 3 à 7 kWh d’énergie par kWh d’électricité consommé.

Le COP s’évalue en tenant compte de deux températures données : la température du sol et celle de l’eau à sa sortie de la pompe à chaleur. Cette différence de  température est de -5°C pour les pompes à chaleur à eau.

Il ne faut pas confondre le COP machine, du COP Système (qui prend en compte la consommation des auxiliaires de la PAC) et le COP global (qui prend en compte les pertes liées à la distribution).

Le COP annuel global est ce qui permet de mesurer la performance réelle de l’installation en termes de production d’énergie.

Pour le fonctionnement en production de froid, les pompes à chaleur sont caractérisées par un coefficient de performance frigorifique (EER).

Pour les pompes à chaleur, les normes à respecter sont :

• EN 15450 Etude des installations de chauffage par pompe à chaleur.
• EN 12831 Installations de chauffage dans les bâtiments - Méthodes de calcul des déperditions calorifiques normalisées
• EN 15450 Installations de chauffage devant les bâtiments – Etude des installations de chauffage par pompe à chaleur
• NF DTU 65.16 Travaux de bâtiment : installation de pompe à chaleur
• Dispositions côté eau : EN 806 Règles techniques relatives aux installations d'eau chaude sanitaire. EN 12828 Systèmes de chauffage dans les bâtiments ; Etude des installations de chauffage à eau
• Disposition côté électrique : Norme NF C 1500
• EN 60335-1 et EN 60335-2-40 : Appareils électrodomestiques et analogues - Sécurité
• Dispositions côté fluide frigorigène : EN 378 Installations frigorifiques et pompes à chaleur - Exigences relatives à la sécurité et l'environnement
• (UE) N° 517/2014 Règlement (UE) n° 517/2014 du Parlement Européen et du Conseil du 16 avril 2014 relatif aux gaz à effet de serre fluorés et abrogeant le règlement (CE) n° 842/2006

Pour le forage géothermique les normes à respecter sont :

• NF X10-970 – Forage d’eau et de géothermie – Sonde géothermique verticale (échangeur géothermique vertical en U avec liquide caloporteur en circuit fermé) – Réalisation, mise en oeuvre, entretien, abandon.
• FD X10-980 – Forage d’eau et de géothermie – Réalisation, suivi et abandon d’ouvrage de captage ou de surveillance des eaux souterraines réalisés par forages – Démarches administratives.
• FD X10-990 – Forage d’eau et de géothermie – Réalisation, suivi et abandon d’ouvrages de captage ou de surveillance des eaux souterraines réalisés par forages – Captage d’eau minérale ou d’eau de source.
• NF X10-999 – Forage d’eau et de géothermie – Réalisation, suivi et abandon d’ouvrage de captage ou de surveillance des eaux souterraines réalisés par forages.

Pour faire un projet de géothermie réussi, il faut plusieurs facteurs :

• un potentiel exploitable, ce qui est très souvent possible, soit en sondes, soit sur nappe
• un dimensionnement bien adapté aux besoins. Nul besoin de prendre des marges de sécurité, il faut dimensionner au plus juste. L’économie du projet n’en sera que meilleure et les risques de dysfonctionnement seront d’autant limités
• un bon suivi de la mise en œuvre, de la mise en service et du fonctionnement dans le temps

Pour réaliser ce suivi, notamment dans la phase de travaux et de mise en service, on peut avoir recours au commissionnement. Un projet doit reposer sur une démarche globale, depuis la conception jusqu’à l’exploitation.

Pour conduire une telle démarche, il est nécessaire d’assurer, tout au long du projet, la cohérence entre les différentes étapes du projet et la cohésion entre tous les intervenants (maîtrise d’ouvrage, acteur missionné pour le commissionnement, maîtrise d’œuvre, entreprises d’installation, entreprises en charge de l’exploitation…)

Le commissionnement, ou l’inclusion de la pompe à chaleur dans un marché global de performance, permet notamment de prévoir les outils de mesures nécessaires au suivi des sondes ou du forage et des autres équipements techniques, notamment la pompe à chaleur.

En principe, une installation de géothermie est dimensionnée pour répondre à l’ensemble des besoins de chaleur et de froid du bâtiment. Cependant, dans certains cas, il est possible de faire appel à des énergies d’appoint :

• Installation de production existante

Si une chaudière est existante et en bon état, il peut y avoir un intérêt à la conserver pour passer les pics de consommation hivernaux et mieux dimensionner la pompe à chaleur pour fournir la base des besoins de chaud.

• Production de solaire thermique

La production de solaire thermique peut compléter utilement la production géothermique, notamment si :

• les besoins d’eau chaude sont importants (EHPAD, Santé, hôtellerie,…)
• les sondes géothermiques peuvent servir de stockage saisonnier pour la chaleur solaire excédentaire

Si la capacité du réseau de distribution du réseau électrique est limitée, on peut avoir à diminuer l’appel de puissance de la pompe à chaleur et utiliser une énergie d’appoint.

01 – Ain

• ZAC Ferney Voltaire Innovation à Ferney Voltaire (site mairie)

 03 – Allier

• Creuzier le Vieux – L’Oréal
• Moulins – Centre National du Costume de Scène
• Moulins – Centre aquatique

07 – Ardèche

• Guilherand Granges – Résidence Côté Parc

42 – Loire

• St-Etienne – Cité du design

63 – Puy de Dôme

• Beaumont – Hôtel de ville
• Billom-Saint-Dier – Centre Aquatique

69 – Rhône

• Lyon – Quality Suites Lyon Confluence
• Pusignan – Maison neuve individuelle
• Géothermie à Lyon sur l’Hôtel Dieu

73 – Savoie

• Moutiers – Ecole de la Musique
• Siège de Weishaupt à Chambéry
• Thermes à Aix les bains

74 – Haute-Savoie

• Pers-Jussy – Groupe Scolaire
• Boucle d’eau sur le lac d’Annecy (article AURA-EE)
• Boucle d’eau sur le lac Léman à Saint Gingolph (article Le Moniteur)
• Cusy – Mairie BBC