Pour ce nouvel opus de notre série il est temps de parler d’une énergie de plus en plus mise en avant ces dernières années en France, à savoir la géothermie.
On voit justement la part qu’elle représente au niveau national sur le graphique ci-dessous.
Le principe de la géothermie est d’utiliser la « chaleur de la Terre », afin de produire de l’électricité, du chauffage et/ou du refroidissement. Cela est rendu possible du fait de la nature même de notre planète. Ainsi, plus on va s’enfoncer profondément dans la Terre plus la température va augmenter et rester constante sur toute l’année. En moyenne, au niveau de la croute terrestre (d’une épaisseur d’environ 30 km), la température augmente de 3°C par centaine de mètre de profondeur : c’est cette chaleur que l’on va venir exploiter.
Il existe différentes technologies de géothermie qui vont généralement être réparties dans deux grandes catégories qui sont :
- La géothermie dite de surface (de 0 à 200 m de profondeur) ou encore appelée (très) basse énergie ;
- La géothermie profonde (au-delà de 200 m de profondeur) ou haute énergie.
Au niveau de la France c’est la géothermie de surface qui est la plus répandue, car ne nécessitant pas de ressource particulière au niveau du sous-sol. Cependant la géothermie profonde est quand même utilisée notamment au niveau de certains bassins sédimentaires et fossés d’effondrement. La géothermie étant tout de même l’une des énergies renouvelables de production de chaleur parmi les plus répandues en France (Cf : Article sur les Énergies renouvelables).
Revenons maintenant un peu plus en détail sur ces deux catégories de géothermie.
La géothermie profonde
La géothermie profonde, comme indiqué ci-dessus, concerne les technologies utilisées sur des profondeurs allant au-delà de 200 m de profondeur et exploitant des ressources d’eau à des températures relativement élevées.
Cette technologie peut elle-même être scindée en deux sous-catégories qui sont :
- La géothermie de « basse énergie » avec des température entre 30°C et 90°C se situant entre quelques centaines de mètres de profondeur jusqu’à environ 2000 m ;
- La géothermie de « haute ou moyenne énergie », avec des températures supérieures à 90°C voir supérieures à 150 °C se trouvant généralement à plus de 1500 m de profondeur.
Les principaux usages de cette géothermie profonde sont la production d’électricité ainsi que la production de chaleur directe. Cette source d’énergie permettant d’alimenter des réseaux de chaleur voir même des procédés industriels ou agricoles.
En France c’est au niveau du bassin parisien et du bassin aquitain que celle-ci est la plus répandue.
La géothermie de surface
La géothermie de surface concerne quant à elle les technologies utilisées sur des profondeurs entre 0 et 200 m et des températures de la ressource inférieures à 30°C.
Là aussi on peut scinder cette technologie en deux sous-catégories qui sont :
- La géothermie sur nappe ou « boucle ouverte », qui utilise l’énergie des nappes phréatiques ;
Le principe de la géothermie sur nappe est de venir prélever l’eau d’une nappe phréatique, de capter ses calories via un échangeur et de réhausser la chaleur captée via une PAC (Pompe A Chaleur), tout en réinjectant l’eau prélevée dans la nappe.
- La géothermie sur sonde ou « boucle fermée », qui utilise directement l’énergie du sol via des sondes remplies d’un fluide caloporteur sans contact direct avec le milieu.
Le principe de la géothermie en boucle fermée, est de venir prélever les calories du sol via des sondes, plus ou moins nombreuses selon les besoins, contenant un fluide caloporteur circulant à travers elles. L’énergie obtenue sera là aussi rehaussée afin de pouvoir couvrir les besoins.
La géothermie sur sonde, contrairement à la géothermie sur nappe peut être utilisée sur une majorité du territoire français car ne nécessitant pas la présence d’une nappe phréatique dans le sous-sol terrestre.
Attention cependant, car pour tout type de géothermie un cadre réglementaire existe afin de préserver les ressources des sols et sous-sols, en lien avec le code de l’environnement. La géothermie de surface est encadrée notamment par l’arrêté du 25 juin 2015 applicable aux activités Géothermiques de Minime Importance (GMI), ainsi il faut que l’installation ne soit pas située sur une zone GMI rouge ou orange (zone définie par le BRGM, Bureau de Recherches Géologiques et Minières) car présentant des risques de désordre géotechnique et de pollution de sous-sol, en fonction des particularités locales (présence de captage d’eau, de multiple nappes polluées ou non, d’ouvrage de traitement d’eau et/ou de déchets, d’élevage, d’assainissement, de faille géologique…).
En géothermie de surface, quel que soit le type, l’utilisation d’une PAC est nécessaire afin de rehausser la température de l’eau. Cela permet donc d’alimenter en chauffage ou en eau chaude sanitaire tout type de bâtiment voir même de mettre en place ce qu’on appelle des boucles d’eau tempérées.
La géothermie de surface peut également être utilisée pour la production de froid via le géocooling ou une pompe à chaleur réversible.
Autres types de géothermie
Il existe également d’autres types de géothermie mais beaucoup moins répandus.
Voici quelques exemples moins répandues que celles citées précédemment.
- La thalassothermie : récupération des calories directement dans l’eau de mer.
- La cloacothermie : récupération des calories sur les eaux usées.
- Les corbeilles et murs géothermiques : récupération des calories dans le sol, avec un principe similaire aux sondes géothermiques, mais à des profondeurs beaucoup plus faibles (de l’ordre de 10 mètres maximum) et pour des besoins moindres, s’affranchissant ainsi du cadre réglementaire de la GMI.
Comment fonctionne la géothermie ?
La majeure partie des installations de géothermie se situant en France Métropolitaine sont des installations de surface, c’est donc celle-ci que l’on va détailler dans la suite de cet article.
Les équipements de ce type de géothermie se décomposent en plusieurs parties : la partie captage de la chaleur et la partie transformation/production de la chaleur.
Le Captage :
Pour la partie captage l’élément principale se trouve être les forages, que ce soit de la géothermie sur nappe ou sur sondes.
Ces forages d’une profondeur allant de 0 à 200 m servent à capter la chaleur du milieu. Pour les mettre en place, une machine spécifique appelée « foreuse » est nécessaire. Cette foreuse permet de réaliser le trou dans lequel la sonde, ouverte ou fermée, va pouvoir être installée. Suivant le type d’installation et la géologie du sous-sol la méthode de forage va être différente afin de limiter au minimum son impact.
Suivant le type d’installation, les sondes vont être raccordés à la chaufferie via un ou plusieurs collecteurs, afin d’alimenter la « chaufferie » avec le fluide caloporteur ayant récupéré les calories du sous-sol.
La chaufferie :
La chaufferie se trouve donc être la deuxième partie d’une installation géothermique, c’est dans celle-ci que l’on va trouver l’élément essentiel qu’est la PAC ainsi que tous les éléments périphériques nécessaires au bon fonctionnement.
Le principe d’une PAC géothermique (aussi appelée PAC Eau/Eau) est le même que celui d’une PAC aérothermique (aussi appelé PAC Air/Eau ou PAC Air/Air). La différence étant que pour un système aérothermique les calories vont être récupérées directement dans l’air extérieur, dont la température fluctue sensiblement sur une journée mais encore plus tout au long de l’année, ce qui impact largement la performance de celle-ci et peut alors engendrer des consommations importantes d’électricité (en hiver, et/ou en cas de mauvais dimensionnement, de bâtiment mal isolé, d’émetteurs non adaptés…). Dans le cas de la PAC géothermique, les calories vont être récupérées dans un milieu stable toute l’année (sol ou nappe) et à des températures permettant à la PAC d’avoir de très bonnes performances (entre 10 et 30°C).
C’est pour ces raisons que l’on considère généralement qu’en France métropolitaine les PAC géothermiques ont de meilleures performances globales que des PAC aérothermiques, le tout en valorisant une énergie renouvelable qu’est la chaleur de la Terre.
Et justement abordons maintenant les performances et l’exploitation de ce type d’installation.
Quelle performance attendre d’une installation en géothermie ?
On considère généralement et assez facilement que la géothermie permet d’avoir de bonnes performances. Cependant et à l’instar des PAC Air/Eau, pour avoir de bonnes performances ce n’est pas uniquement l’installation géothermique qui va compter (sondes et PAC) mais également les émetteurs de chaleur du ou des bâtiments raccordés. Car en effet, les PAC permettent de réchauffer l’eau à partir des calories prélevées dans le milieu (air, nappe, sol) mais leur capacité à rehausser la température est tout de même limitée, et plus on va chercher à produire de l’eau à des températures élevées plus on va venir baisser les performances (et donc le COP : Coefficient de performance) de l’installation. En effet le COP dépend de la température de la source dans laquelle on va venir puiser de l’énergie et de la température que l’on souhaite produire, et plus ces températures sont proches plus le COP va être élevé.
Tf : Température de la source froide (air, sol, nappe)
Tc : Température de la source chaude (température des émetteurs)
C’est pour cela que l’on considère généralement que les PAC, et donc la géothermie, sont plus adaptées à des bâtiments possédant des émetteurs de type basse voir très basse température, et qu’elle l’est moins pour des bâtiments possédant des émetteurs haute ou moyenne température. La géothermie est donc très adaptée pour des constructions ou des rénovation lourdes.
Comme dit plus haut pour définir la performance d’une PAC, géothermique ou non, on va généralement parler de COP (Coefficient de performance). Pour simplifier, ce COP correspond globalement au rendement de l’installation, il est défini pour des conditions particulières (de température de la ressource et des émetteurs).
Pour faire fonctionner une PAC il faut de l’électricité, c’est cette électricité consommée qui permet de calculer le COP en fonction de l’énergie qui va être restituée. Par exemple une installation avec un COP de 4, pour une consommation de 1 kWh d’électricité, 4 kWh thermique vont être restitués. On considère donc que 3 kWh ont été prélevés dans le milieu. (Pour le calcul des performances en refroidissement on va plutôt parler en EER : coefficient d’efficacité énergétique)
Pour illustrer, reprenons le schéma vu précédemment avec quelques détails supplémentaires.
Pour avoir quelques ordres de grandeur voici des COP moyens généralement attribués à la géothermie.
Ainsi pour des installations sur sonde on retrouve des COP entre 3 et 4 et pour de la géothermie sur nappe entre 4,5 et 3. La géothermie sur nappe permet donc de meilleures performances en règle générale mais n’est pas possible partout. Cependant beaucoup de critères exercent une influence sur ce COP : la nature du sol, la température du sol ou de la nappe, le débit de la nappe, le type d’émetteur etc. C’est pour cela que le COP peut être totalement différent d’une installation à une autre.
Un élément important pour ce type d’installation et qui n’est pas à l’avantage des PAC air/eau est qu’étant donné le milieu dans lequel sont prélevées les calories le COP va rester stable toute l’année.
En règle générale ce type d’installation permet d’avoir des coûts d’exploitation intéressants du fait des bons COP et du peu d’entretien nécessaire. Là où la géothermie va être pénalisée c’est au niveau de l’investissement, car pour des installations comparables, le prix d’une installation géothermique va être bien plus élevé qu’une installation classique, et ce principalement à cause des forages qui vont demander un investissement conséquent. Cet inconvénient va cependant être nuancé du fait des coûts d’exploitation intéressant permettant de rentabiliser relativement rapidement l’installation.
On voit également que sur l’aspect environnemental l’utilisation des PAC et à fortiori les PAC géothermiques est positif. Ceci est vrai en France car l’énergie utilisée pour faire fonctionner les PAC (électricité) est fortement décarbonée du fait de la production majoritairement nucléaire, de plus la massification du recours aux énergies renouvelables dans le mix énergétique français permet même de décarboner encore plus l’électricité produite.
Cette solution est donc bien une énergie renouvelable car émettant peu de gaz à effet de serre et permettant l’utilisation d’une énergie naturelle qui se renouvelle suffisamment rapidement.
Pour résumer
La géothermie est une alternative aux énergies fossiles possible sur une majorité du territoire français, sous réserve d’avoir un minimum de terrain proche à disposition et que la réglementation le permette. Le principal inconvénient se trouvant être l’investissement, mais bien souvent compensé par les coûts d’exploitation.
Si vous avez un projet de géothermie, des aides sont possibles pour tous les publics, pour en savoir plus sur ces aides n’hésitez à contacter vos conseillers France Rénov’ les plus proches pour les particuliers ou vos animateurs énergies renouvelables pour les autres publiques :
La mission des conseillers France Rénov’ a pour but d’accompagner les particuliers et les copropriétés dans leurs projets de rénovation énergétique et de déploiement des énergies renouvelables.
La mission des animateurs énergies renouvelables a pour but d’accompagner les collectivités, entreprises, associations, établissements de santé et bailleurs sociaux dans leurs projets de déploiement des énergies renouvelables.
Ces deux missions sont financées soit par la Région, l’ADEME, l’Etat et ses territoires ou l’Europe, il est donc possible de s’appuyer directement sur tous ces services pour poursuivre le développement de cette filière d’avenir.
Sur le territoire de l’Aire urbaine Belfort-Montbéliard-Héricourt-Delle c’est l’Association Gaïa Energies qui porte ces deux missions, sachant que la mission des animateurs énergies renouvelables s’étend même jusqu’au Pays du Doubs horloger et Pays du Doubs Central.
https://gaia-energies.org/particuliers/
https://gaia-energies.org/collectivites/
Et si vous souhaitez en savoir plus sur la géothermie, n’hésitez pas à consulter ces différentes ressources :
https://fondschaleur.ademe.fr/geothermie/
Rendez-vous au mois de Juin 2024 pour un article sur le solaire thermique.
