La géothermie de surface

La géothermie, du grec « geo » (terre) et « thermos » (chaud) désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes de la Terre, l’énergie thermique elle-même et les processus industriels qui visent à exploiter cette chaleur naturelle.

Ici, la géothermie dite de surface correspond à la partie de la géothermie qui se situe dans le proche sous-sol. Elle se réalise à des profondeurs faibles, généralement inférieures à 200 mètres. Elle permet la production de chaud et d’eau chaude sanitaire grâce au fonctionnement de la pompe à chaleur (PAC) qui prélève de l’énergie dans le sous-sol. Elle permet également la production de froid soit par contournement de la PAC soit par utilisation d’une PAC réversible.

La majeure partie des projets de géothermie de surface est qualifiée de GMI (Géothermie de Minime Importance) : il s’agit d’un cadre réglementaire englobant les projets qui se situent entre 10 et 200 mètres de profondeur et échangent une puissance inférieure à 500 kW. Une simple déclaration peut alors être suffisante pour la réalisation des forages. Pour ce faire, les professionnels réalisant les travaux de forage doivent être qualifiés. A ce jour, la seule qualification est Qualiforage, portée par Qualit’ENR.

La géothermie de surface peut s’adresser à un public multiple. Les secteurs concernés sont aussi bien publics que privés. Ainsi, l’habitat pour le particulier ou le résidentiel collectif, une collectivité territoriale, une entreprise ou le secteur tertiaire au sens large peuvent bénéficier de la production d’énergie par géothermie de surface.

Lire le guide publié en 2017 par l’ADEME sur la géothermie pour le particulier

Lire la brochure réalisée par le BRGM sur les avantages de la géothermie pour les collectivités

La réponse est clairement NON. Les solutions géothermiques sont à la fois compatibles avec la construction de bâtiments neufs mais sont également applicables à des rénovations ! Il faudra juste vérifier si les émetteurs de chaleur (radiateurs, plancher chauffant, …) sont cohérents par rapport à la PAC. Il est préconisé d’en profiter pour vérifier que l’isolation du bâtiment est suffisante : d’autant qu’une meilleure isolation permettra de diminuer la température dans les émetteurs de chaleur, rendant l’installation encore plus performante.

Pour voir des exemples de réalisations : Nos actions >> Nos références en régions

Exemple de réalisation dans le neuf : Pavillon neuf à Sennece les Macon

Exemple de réalisation en rénovation : Rénovation d’une ancienne école à Besançon

(à mettre à jour lorsque les cartos fiches opérations sera créée)

Les applications de ce type de géothermie sont nombreuses. Concernant des habitations, des bureaux ou des locaux quelconques, il est possible de chauffer, rafraichir et climatiser. Le chauffage se fait par une pompe à chaleur classique. Pour le rafraichissement, il suffit d’ajouter un bypass qui permet le contournement de la PAC et pour la climatisation, il faut que la pompe à chaleur soit réversible. Il est également possible de chauffer une piscine et de déshumidifier l’air ambiant.

Enfin, il est possible de faire de l’eau chaude sanitaire sans installation supplémentaire, soit à l’aide de pompes à chaleur ‘haute température’ ou en utilisant la technique d’eau chaude instantanée avec une pompe à chaleur standard.

La ressource exploitée est la chaleur naturelle de la Terre. Elle est accessible directement dans le sol ou la roche elle-même ainsi que dans les aquifères superficiels, juste sous nos pieds.

La chaleur récupérée dans le sol peut avoir plusieurs origines selon la profondeur de captage. Dans les 10 premiers mètres du sol, la chaleur puisée provient de l’ensoleillement, de l’action du vent et de l’écoulement et infiltration de l’eau de pluie. Dans cette zone, la chaleur dégagée des entrailles de la Terre n’a que très peu d’impact. Ici, ce ne sont que le climat de la zone géographique et les saisons qui influencent les températures.

A partir de 15 mètres de profondeur, la température reste constante toute l’année et dépend de la zone géographique et de l’altitude du lieu (typiquement entre 5°C pour des zones montagneuses et 15°C pour des zones proches du niveau de la mer et relativement chaudes).

Au-delà de ces 15 mètres, c’est la chaleur dégagée par la Terre qui définit l’augmentation de la température avec un gradient dit géothermique relativement constant d’environ 3,3°C/100 mètres. Ainsi, à 200 mètres de profondeur, il y a une température d’environ 16 à 18°C en France métropolitaine.

• Doublet de forages sur nappe : un premier forage permet le pompage de l’eau d’une nappe superficielle et le second permet la réinjection de cette eau dans le même aquifère afin que le niveau soit conservé. Cette eau dite froide qui est réinjectée doit être espacée d’une certaine distance du forage de production afin de ne pas refroidir la ressource puisée, et ainsi maintenir dans le temps une température constante.

• Sondes géothermiques verticales (SGV) : il est ici nécessaire de réaliser un ou plusieurs forages (ils peuvent se faire soit sous le bâtiment soit en périphérie de celui-ci). Une fois le(s) forage(s) réalisé(s), des sondes remplies de liquide caloporteur sont descendues et cimentées dans le forage. Ce liquide circule en circuit fermé et permet donc un échange thermique dans le sol sans contact entre ce liquide et le sol. Si plusieurs sondes sont nécessaires, on appelle cela un champ de sondes.

• Capteurs horizontaux: Aucun forage n’est nécessaire puisqu’il s’agit de placer des tuyaux remplis de fluides caloporteurs à très faible profondeur (environ 80 centimètres sous la surface), mais dans tous les cas à 20 centimètres sous le point de gelée de la région en question. Il faut prévoir une surface de terrain ‘réservée à la géothermie’ (environ deux fois la surface de l’habitation à chauffer, selon le niveau d’isolation du bâtiment). Il s’agit ici de travaux de terrassement : il n’est donc pas nécessaire de faire appel à un foreur qualifié, et il n’y a ni déclaration ni autorisation à demander au titre du Code Minier.

• Échangeurs compacts / Corbeilles géothermiques: Il s’agit ici de réaliser un trou de quelques mètres de profondeur (typiquement 3 à 4 mètres pour les corbeilles géothermiques), dans lequel est placé un tuyau enroulé permettant une grande surface d’échange avec peu de profondeur. Un forage n’est pas nécessaire, une pelle mécanique étant normalement suffisante. Plusieurs corbeilles sont nécessaires pour subvenir aux besoins thermiques d’une habitation. Dans ce cas également, il n’est pas nécessaire de faire appel à un foreur qualifié et il n’y a ni déclaration ni autorisation à demander au titre du Code Minier.

• Fondations thermoactives: il s’agit d’utiliser les pieux du bâtiment en installant un tube fixé sur le ferraillage de la fondation. De fait, la fondation devient un équipement permettant le transfert de froid et de chaleur. Cette technique permet de réduire l’investissement du captage, les forages des fondations étant déjà prévus. Dans ce cas également, il n’est pas nécessaire de faire appel à un foreur qualifié et il n’y a ni déclaration ni autorisation à demander au titre du Code Minier.

Pour en savoir plus :

Les différents types de captage pour le particulier ou pour le collectif

Ce tableau est tiré du guide pour le particulier réalisé par l’ADEME et le BRGM en 2017. Il correspond aux coûts moyens pour une maison de 130 m² occupée par 4 personnes :

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En juillet 2014, l’AFPG a publié une étude technico-économique sur la géothermie assistée par pompe à chaleur (= géothermie de surface). L’étude complète est disponible ICI et la synthèse ICI.

Pour des installations > 50 kW, les premiers coûts concernent la réalisation des études (5 000 à 10 000 € voire 20 000 € pour la réalisation du premier forage qui sera bien évidement réutilisé par la suite). Il s’agit des études en géosciences (caractérisation du sous-sol, présence d’une nappe d’eau, quantité, débit, …) et thermiques (besoins des locaux, capacité calorifique du sol, …).

Pour une installation chez un particulier où le dimensionnement est très rapide, cette somme-ci est toujours très réduite voire inexistante. Des aides sont disponibles pour cette partie de l’installation. Il faut bien évidement ajouter le coût de forage qui est différent entre nappe et sonde. Pour les sondes, compter 55 à 85 €/m de sonde et pour nappe compter 400 à 1 000 €/ml de forage (ici il ne faut que 2 ou 3 forages et un peut avoir été réalisé durant la phase d’étude). L’achat et l’installation de la PAC et de ses équipements est compris entre 500 et 1 000 € HT/kW. A ce jour, il existe de nombreuses aides pour soutenir les énergies renouvelables (EnR) dont la géothermie. S’il est vrai que le coût d’une installation de géothermie est plus élevé qu’une solution dite classique, il ne faut pas perdre de vue qu’une fois l’installation réalisée, la ressource calorifique est accessible gratuitement puisqu’il s’agit de la chaleur du sol. De plus, la pompe à chaleur ne consomme que très peu d’électricité (la consommation annuelle moyenne pour un particulier est comprise entre 1 et 3€/m²) ! Il faut aussi avoir en tête que du froid peut être produit gratuitement par géocooling, et/ou qu’une pompe à chaleur géothermique peut servir à climatiser avec d’excellents rendements.

Lire la synthèse technico-économique de la géothermie assistée par pompe à chaleur et les comparaisons avec les autres moyens de chauffage

Il existe deux types de pompes à chaleur :

• Pompe à chaleur à compression (la plus classique) :  

D’un point de vue températures, le fluide caloporteur provenant du sous-sol a une température d’environ 12°C (moyenne pour une installation pour le particulier). Cette température permet la vaporisation du fluide frigorigène circulant dans la pompe à chaleur (au niveau de l’évaporateur). Une vapeur basse pression d’une dizaine de degrés est ainsi créée. 

Cette dernière passe par le compresseur (unique consommateur d’électricité de la PAC) qui, comme son nom l’indique, comprime la vapeur. Cela induit une augmentation naturelle de la température de la vapeur à environ 40/45°C (lois de thermodynamiques). 

Cette vapeur haute température et haute pression va ensuite passer dans le condenseur où se situe également le réseau d’eau de chauffage de la maison. Par échange thermique, le circuit d’eau de la maison a une température d’une quarantaine de degrés alors que le fluide frigorigène de la PAC perd 10 degrés pour atteindre une température de 30 à 35 °C. Ce fluide est toujours en haute pression mais devient liquide. 

Enfin, le détendeur permet un abaissement de la pression et donc de la température. La température à la sortie du circuit est d’environ de 7°C. C’est à cette température que le fluide caloporteur du circuit extérieur retourne dans le sol pour se réchauffer. 

Il y a donc trois boucles distinctes qui cèdent leur température via des échangeurs de chaleur, sans aucun contact entre les fluides. 

• Pompe à chaleur a absorption (relativement rare) :  

Ce type de pompes à chaleur utilise un fluide composé d’ammoniac et chauffé par la combustion de gaz. Cette technologie ne sera pas développée puisqu’elle est relativement rare. 

Une pompe à chaleur est définie par son coefficient de performance (COP). Il correspond au rapport entre la quantité de chaleur ou de froid produit (kWth) et la quantité d’énergie électrique consommée (kWe). Ce coefficient est en moyenne de 5. Cela signifie que pour un 1 kWh consommé, 5 kWh sont restitués. Ce COP tend à augmenter car les technologies en jeu sont de mieux en mieux maitrisées. Actuellement, le COP peut atteindre 6. C’est ainsi qu’il est possible d’avoir 75 à 83% d’énergie gratuite puisée dans le sol et seulement 17 à 25% d’énergie électrique consommée.

La pompe à chaleur fonctionne avec de l’électricité mais elle peut donc restituer 4 à 6 fois plus d’énergie qu’elle en consomme.

Facteurs influant sur le rendement d’une PAC :

• température de la source de chaleur et du système de distribution 
• la consommation des auxiliaires (pompe,…) 
• le rendement nominal de la pompe 
• le dimensionnement par rapport à la demande et aux conditions de fonctionnement 
• la régulation de la pompe 

En ordre de grandeur, la chaleur utile pour assurer le chauffage de la maison est de 3 à 4 fois supérieure à l’énergie requise pour en assurer le fonctionnement. Le COP servira de mesure pour valider la performance de la pompe à chaleur : c’est donc un terme qui revient systématiquement dans la mesure de l’efficacité d’une PAC. A noter qu’un COP situé au-dessus de 4,5 est indicateur de très bonne performance. 

La puissance optimale de votre PAC dépend de vos besoins et de la surface habitable à chauffer : Un équipement surdimensionné risquerait d’augmenter votre consommation électrique… Passez en revue plusieurs devis et comparez les dimensionnements proposés. N’hésitez pas à en parler à votre installateur. 

Les pompes à chaleur géothermiques apportent un facteur de performance saisonnière (SPF) particulièrement élevé. Leur performance moyenne est calculée sur l’année entière, en tenant compte des conditions climatiques changeantes et des besoins d’énergie fluctuants du foyer.