Les technologies de géothermie de surface

Les ressources valorisables par pompe à chaleur (PAC)

La géothermie de surface est une énergie verte présente presque partout en France. Pour la valoriser, on utilise une pompe à chaleur (PAC) géothermique, à ne pas confondre avec une PAC aérothermique.

Ces ressources se situent soit au sein de roches du sous-sol (alors exploitées en boucle fermée), soit dans des nappes d’eau souterraine (alors exploitées en boucle ouverte), à des profondeurs généralement inférieures à 200 mètres.
 

Les ressources au sein des roches du sous-sol (boucle fermée)

Il est possible de connaître les ressources géothermiques potentielles du sous-sol sur une grande partie du territoire français en consultant les atlas régionaux réalisés par le BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières). Ces atlas sont accessibles sur l’espace cartographique. 

En se positionnant sur une commune sur la carte, l’utilisateur peut ainsi évaluer le potentiel en géothermie sur sondes géothermiques verticales. Cette première approche, sur un point donné ou un territoire plus large, pourra ensuite être approfondie par l’expertise d’un bureau d’études sous-sol pour des projets importants.

Plusieurs facteurs liés au sous-sol impactent la performance de l’installation géothermique, en premier lieu :

• sa conductivité thermique, c’est à dire sa capacité à transférer la chaleur ;
• sa température.

Dans certains contextes (présence de vides souterrains, de type karst par exemple, ou de minéraux réactifs en présence d’eau, comme l’anhydrite ou le sel gemme), l’exploitation de la ressource est déconseillée ou nécessite des dispositions particulières. Ces contextes particuliers sont pris en compte sur les cartes réglementaires relatives à la Géothermie de Minime Importance, accessibles sur l’espace cartographique.

Les ressources des nappes d’eau souterraine (boucle ouverte)

Les ressources géothermiques superficielles sur nappe sont nombreuses mais leur potentiel énergétique est très variable.

Elles sont décrites dans les atlas régionaux élaborés par le BRGM à partir de différents critères clés comme la profondeur, le débit d’eau exploitable et la température de ces nappes souterraines. 

En se positionnant sur une commune donnée de la carte, l’utilisateur peut ainsi savoir si le potentiel en géothermie sur nappe d’eau souterraine est plutôt fort, moyen ou faible. 

Dans certains contextes (jaillissement potentiel, possibilité de mise en communication ou de remontée de nappe), l’exploitation de la ressource est déconseillée ou nécessite des dispositions particulières. Ces contextes particuliers sont identifiés sur les cartes réglementaires relatives à la Géothermie de Minime Importance, accessibles sur l’espace cartographique.
 

L’accès à la ressource de surface

La technique utilisée pour implanter le système de captage de la ressource dans le sous-sol ou dans les nappes d’eau souterraines dépend de la profondeur de la ressource  et de la nature du sous-sol traversé.
 

Profondeur de captage de 0 à 10 mètres

Pour accéder à une ressource très peu profonde et la capter avec des échangeurs fermés spécifiques, il est nécessaire de faire appel à un entrepreneur de terrassement. Selon le type de technologie utilisé, il décaisse le terrain ou creuse les emplacements des échangeurs à la tarière ou au godet.
 

Profondeur de captage supérieure à 10 mètres

Pour accéder à une ressource plus profonde et installer les capteurs, il faut recourir à des techniques de forage (ou foration).

Les principales techniques sont les suivantes :

• Le marteau fond de trou (MFT) utilise un marteau pneumatique équipé de taillants, fixé à la base d'un train de tiges pour percuter le sous-sol par envoi d'air comprimé. Le procédé est très efficace en terrains durs et homogènes.

• Le forage rotary utilise un ensemble de tiges lourdes qui détruit la roche sous l'effet simultané du poids et de la rotation de l’outil. Ces tiges creuses évacuent les boues de forage sous pression. Le procédé est adapté aux terrains mal consolidés et meubles.

Le captage de la ressource

Les captages en boucle fermée

Les systèmes géothermiques dits "en boucle fermée" sont constitués d’une boucle de tuyau dans laquelle circule un fluide caloporteur qui transmet son énergie à une pompe à chaleur (PAC). 

Ce circuit est installé en sous-sol et peut se présenter sous différentes géométries.
 

Echangeurs horizontaux

Les échangeurs (ou capteurs horizontaux) sont constitués de tubes de polyéthylène installés en boucles enterrés horizontalement à faible profondeur (de 0,80 à 1,20 mètre). 

Plus d'infos sur les échangeurs horizontaux
 

Corbeilles (échangeurs compacts)

Les échangeurs compacts se présentent sous forme de ressorts cylindriques ou coniques. Implantés entre 1 et 10 mètres de profondeur, ils constituent un intermédiaire intéressant entre les capteurs horizontaux et les capteurs verticaux car ils ne nécessitent pas de forage et sont installées à des profondeurs où le sol est relativement stable en température au cours des saisons.

Plus d'infos sur les corbeilles
 

Sondes géothermiques verticales (échangeurs verticaux) 

Placé dans un forage d’environ 150 mm de diamètre et à une profondeur pouvant atteindre 200 mètres, l’échangeur est ici constitué d’une ou plusieurs sondes verticales. Chaque sonde est composée le plus souvent d’un tube en U (ou double U) en polyéthylène (PEHD). Les tubes sont scellés par une cimentation spécifique pour optimiser les échanges thermiques entre le fluide caloporteur et le sous-sol. L’ensemble forage (tubes) ciment est appelé sonde géothermique verticale. On parle de champ de sondes géothermiques lorsqu’un nombre élevé de sondes est mis en place. 

Plus d'infos sur les sondes géothermiques verticales
 

Fondations thermoactives (géo-structures énergétiques)

Dans le cas des fondations thermoactives, le réseau de tubes en polyéthylène dans lequel circule le fluide caloporteur est directement intégré au béton armé des éléments de fondations (pieux, parois moulées, dalles, semelles ou autres éléments en béton en contact avec le sol).

Plus d'infos sur les fondations thermoactives
 

Captage de l’énergie des eaux usées

Le principe du captage de l’énergie contenue dans les eaux usées (eaux d’assainissement) est différent. Un échangeur de chaleur peut être placé directement dans la canalisation d’eaux usées ou mis en place de manière déportée. Il transfère ensuite l’énergie à une boucle d’eau desservant une pompe à chaleur (PAC).

Plus d'infos sur l'énergie des eaux usées
 

Les captages en boucle ouverte   

Un système géothermique en boucle ouverte valorise l’énergie de l’eau souterraine et nécessite généralement deux forages (doublet).
Un premier forage (“de production”) est utilisé pour le pompage de l’eau souterraine. Il est acheminé à un échangeur thermique qui transmet l’énergie à une pompe à chaleur (PAC). Un second forage (“d’injection”) assure la réinjection de l’eau souterraine dans son milieu d’origine. 

D’autres situations peuvent être qualifiées de "systèmes en boucle ouverte" : 

• Captages sur eaux de surface (rivières, lacs, …)  ;
• Captages sur eau de mer ;
• Captage sur exhaures de mines.
   

Plus d'infos sur :

• le captage sur nappe d’eau souterraine ;
• le captage sur eaux de mer.
   

Le puits climatique

Un puits climatique permet d’alimenter un bâtiment en air tempéré en le faisant circuler dans une conduite enterrée à une profondeur généralement de 1 à 2 mètres.

Selon les conditions climatiques, l’air est refroidi (puits provençal) ou préchauffé (puits canadien) grâce à la quasi-stabilité en température du sol au cours des saisons à partir de quelques mètres de profondeur.

Plus d'infos sur le puits climatique
 

Production d’énergie avec une PAC géothermique

Avec une pompe à chaleur géothermique, il est possible de produire du chaud et/ou du froid, simultanément ou alternativement.

Produire du chaud

Pour produire du chaud avec une PAC géothermique, un échangeur thermique transfère la chaleur prélevée de la source froide (sous-sol, nappe) au fluide caloporteur de la PAC. Au niveau de l’évaporateur, le fluide change d’état et se transforme en vapeur. Le compresseur comprime cette vapeur, augmentant ainsi sa température. Dans le condenseur, la vapeur transmet sa chaleur au milieu à chauffer (source chaude). La température et la pression du fluide caloporteur s’abaissent après passage dans un détendeur, ce qui autorise une nouvelle absorption de chaleur et un nouveau cycle de la PAC.

Plus d’infos sur :

• le coefficient de performance (COP) des pompes à chaleur ;
• les usages et production de la géothermie de surface.
   

Produire du froid avec une PAC réversible

Grâce à une PAC réversible, il est possible de produire de la chaleur en hiver et du froid en été.

Pour cela, il convient d’inverser le cycle du fluide frigorigène. Le condenseur devient ainsi évaporateur et inversement. Il est alors possible de prélever, en été, de la chaleur du bâtiment pour la rejeter dans le milieu extérieur (nappe ou sous-sol par exemple), ce qui présente l’avantage de "recharger" thermiquement le sous-sol et ainsi d’augmenter la performance des installations pour la saison suivante.

Le géocooling

La géothermie de surface peut permettre de valoriser directement la température du sous-sol pour le rafraîchissement naturel d’un bâtiment en été. Cette technique s’appelle le géocooling.
 

Produire du chaud et du froid simultanément

Une pompe à chaleur peut produire simultanément du chaud et du froid pour couvrir de façon simultanée des besoins de chauffage et de climatisation. On parle alors de thermofrigopompe. L'énergie utile est alors à la fois celle qui est rejetée sur la source chaude et celle qui est prélevée à la source froide.

L’énergie excédentaire ou manquante pour les besoins du bâtiment est récupérée via l’échangeur géothermique.
 

Alimenter une boucle d'eau tempérée

Certaines ressources géothermiques, couplées à des besoins particuliers, permettent d’alimenter en chaud et/ou en froid un îlot de bâtiments, voire un éco-quartier dont les besoins sont mutualisés. Cette infrastructure est appelée "boucle d’eau tempérée".

Elle se compose généralement de deux tubes (un chaud, un froid) transportant de l’eau à basse température (par exemple à 10 ou 15 °C) à un ensemble de bâtiments équipés chacun de pompes à chaleur géothermiques. Les bâtiments nécessitant du chauffage prélèvent la chaleur et refroidissent le tube “froid”. Cela améliore les performances de la production de froid des bâtiments nécessitant du rafraîchissement, qui eux-mêmes réchauffent le tube “chaud” de la boucle.
 

Plus d’info sur boucle d’eau tempérée :

• Guide technique "La boucle d’eau tempérée à énergie géothermique", AFPG-2020
• Plaquette "Boucle d'eau tempérée pour une énergie verte et durable", AFPG-2016
   

Produire de l’eau chaude sanitaire

Une PAC installée pour du chauffage peut également permettre de produire de l’eau chaude sanitaire : on parle dans ce cas d’une PAC double service.

Le chauffe-eau thermodynamique (CET) est une pompe à chaleur de petite puissance dédiée exclusivement à la production d’eau chaude sanitaire. Les modèles "géothermiques" valorisent la chaleur du sous-sol.
 

Coefficient de performance (COP)

Le coefficient de performance(COP) théorique d’une pompe à chaleur est le rapport entre la quantité d’énergie produite et la quantité d’énergie électrique consommée pour cela. 

Le COP réel de la machine est cependant inférieur à ce COP théorique car il intègre les pertes et les consommations des équipements auxiliaires. Le COP théorique correspond à la performance énergétique de la PAC en mode chaud, mesuré selon les normes en vigueur définies au niveau européen (norme EN 14511-2). Plus cette valeur est élevée, meilleure est la machine. Les valeurs de COP réels données par les constructeurs sont généralement comprises entre 4 et 5, c’est à dire que pour 1 kWh électrique consommé par la PAC, 4 à 5 kWh thermiques sont restitués.

L’appellation EER (coefficient d’efficacité frigorifique) traduit l’efficacité d’un système thermodynamique quand il produit du froid (équivalent du coefficient de performance "COP" pour le chauffage).
 

Emission dans les bâtiments

Avant tout changement du système de chauffage et/ou de rafraîchissement d’un bâtiment, il est conseillé de réduire les consommations d’énergie. Les solutions passent par :

• l’amélioration de l’isolation des murs, planchers et toitures ; 
• l’adoption de pratiques plus sobres (mise en place d’une régulation des températures, baisse des consignes de température dans certaines pièces, …).

Par ailleurs, le type d’émetteurs de chauffage et/ou de rafraîchissement est déterminant sur les performances du système géothermique : plus basse est la température d’alimentation du circuit de chauffage, meilleure est la performance de la pompe à chaleur. Pour cela, l’émetteur doit avoir une grande surface d’émission afin de fonctionner à basse température (45-50 °C).
 

Les radiateurs basse température

Les radiateurs basse température sont adaptés à un chauffage par pompe à chaleur géothermique. Leur surface d’échange est nettement plus élevée que celle des radiateurs classiques haute température reliés à une chaudière : gain d’environ 150 %.
 

Les planchers chauffants rafraîchissants

Compte tenu de leur grande surface d’émission, les planchers chauffants basse température sont adaptés à un chauffage par pompe à chaleur.

La réversibilité pour apporter de la fraîcheur en été peut être envisagée, moyennant des précautions pour éviter la condensation de l’eau contenue dans l’air à la surface du plancher.
 

Les plafonds rayonnants hydrauliques 

Les plafonds rayonnants hydrauliques peuvent fonctionner en chauffage et rafraîchissement avec, dans ce dernier cas, des puissances particulièrement intéressantes.
 

Emetteurs d’air

Les ventilo-convecteurs sont les appareils basse température le plus couramment utilisés.

La mise en œuvre de ces équipements demande de la vigilance pour éviter de générer des courants d’air, un niveau sonore élevé, ou encore une sensation de chaleur et de froid excessifs.

Ils ont l’avantage de produire de la chaleur comme de la fraîcheur. Leur dimensionnement est généralement prévu pour une eau entre 40 et 50 °C pour le chauffage.
 

Poutres froides actives

Comme les ventilo-convecteurs, les poutres froides actives sont installées au plafond et assurent la ventilation, le chauffage et le rafraîchissement.
 

Batteries froides et chaudes de Centrale de traitement d'air (CTA)

Les batteries des centrales de traitement d’air peuvent valoriser l’énergie géothermique à condition de bien les dimensionner pour atteindre la puissance nécessaire à basse température.
 

Pour en savoir plus

Références

ADEME (2019), Chauffer et rafraîchir avec une énergie renouvelable, géothermie très basse énergie, Ils l’ont fait

ADEME (2018), La géothermie, pour chauffer et rafraîchir sa maison. Collection les Clés pour agir

AFPG (2020), Guide technique La boucle d’eau tempérée à énergie géothermique

AFPG (2016), Plaquette Boucle d'eau tempérée pour une énergie verte et durable
 

Liens utiles

ADEME, Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie

L’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME) est un établissement public sous la tutelle conjointe du ministère de la Transition écologique et du ministère de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation. Elle participe à la mise en œuvre des politiques publiques dans les domaines de l’environnement, de l’énergie et du développement durable. Elle met ses capacités d’expertise et de conseil à disposition des entreprises, des collectivités locales, des pouvoirs publics et du grand public, afin de leur permettre de progresser dans leur démarche environnementale.

Fonds Chaleur

En France, la production de chaleur représente la moitié des consommations d’énergie. Elle repose encore principalement sur les combustibles fossiles, alors que notre pays ne manque pas d’alternatives. Aussi, le Fonds chaleur a été mis en place pour financer les projets de production de chaleur à partir d’énergies renouvelables et de récupération (EnR&R) et favoriser l’emploi et l’investissement dans ces différents secteurs d’activité. Il est géré par l’ADEME depuis 2009.

AFPAC, Association Française pour la Pompe à Chaleur

Créée en 2002, l’Association Française pour les Pompes à Chaleur (AFPAC) regroupe un panel représentatif de membres de l’ensemble de la filière : industriels, bureau d’études, énergéticiens, distributeurs, laboratoires d’essai et centres techniques, syndicats professionnels, services institutionnels, organismes de certification et de contrôle. Elle réalise des actions de communication auprès des pouvoirs publics français et européens afin de les sensibiliser à l’intérêt énergétique et environnemental de ces systèmes de chauffage.

AFPG, Association Française des Professionnels de la Géothermie

L'Association Française des Professionnels de la Géothermie (AFPG) fédère une centaine d’adhérents représentatifs des métiers de l’énergie géothermique en France métropolitaine et en Outre-Mer : foreurs, équipementiers, gestionnaires de réseaux de chaleur, énergéticiens, bureaux d’études, organismes de recherche, ... Elle est organisée en deux filières : la géothermie de surface et la géothermie profonde. Elle mène des projets au plan régional, national, européen et international, s’inscrivant dans des thématiques telles que la réglementation, la qualification, la structuration de la filière géothermie à l’export en représentant les professionnels auprès des pouvoirs publics et dans de nombreuses associations et syndicats de la filière, en France et en Europe.

CEREMA, Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement

Le Cerema (Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement) est un établissement public tourné vers l’appui aux politiques publiques, placé sous la double tutelle du ministère de la Transition écologique et du ministère de la Cohésion des territoires et des relations avec les collectivités territoriales. Il développe des activités sur les réseaux de chaleur.

EHPA, European Heat Pump Association

EHPA, l’association européenne des pompes à chaleur, représente les intérêts des industriels du secteur au niveau européen et international.