[Dossier énergies renouvelables] #21 - Quand la géothermie s’adapte à la rénovation des bâtiments en milieu urbain

Source d’énergie renouvelable efficace, la géothermie nécessite une surface importante d’installation et d’importants moyens de mise en oeuvre. Elle est donc privilégiée pour le neuf… ou du moins c’est l’idée que l’on s’en fait. De nouveaux systèmes géothermiques sont en train d’être développés pour s’adapter à la rénovation notamment en milieu contraint, à l’image de ceux testés dans le cadre projet européen GEOFIT.

La géothermie présente l’avantage de fournir de l’énergie thermique en hiver (et d’en absorber en été) a une température qui varie peu et qui est supérieure à la température moyenne de l’air sur la période de chauffage. Couplée à une pompe à chaleur, elle permet donc d’améliorer l’efficacité du système énergétique auquel elle est associée. Cette source d’énergie renouvelable présente de véritables atouts pour la réduction des consommations d’énergie associées aux bâtiments.

Même si la géothermie a fait ses preuves en termes d’efficacité, le nombre d’unités vendues en France diminue d’années en années au profit de l’aérothermie. 

 

Une source d’énergie, 3 technologies

Parmi les systèmes géothermiques, on distingue les systèmes de géothermie de surface et les systèmes de géothermie profonde.

La géothermie de surface horizontale, qui consiste à installer un échangeur souterrain à une profondeur d’environ 1m, est une solution couramment employée dans le cadre de petites installations (< 50 kW). Elle a fait ses preuves en termes de faisabilité et de performances mais elle nécessite une surface importante à proximité du bâtiment auquel elle est associée tout en restreignant son usage (pas de plantation d’arbre notamment). Ainsi elle trouve sa place dans des maisons individuelles construites sur des grandes parcelles. Mais elle n’est pas appropriée pour une installation en milieu dense ou contraint par la présence de nombreux réseaux souterrains

La géothermie de surface verticale, quant à elle, se divise en 2 techniques principales : sur sonde et sur nappe. Les 2 techniques consistent au forage sur une profondeur de quelques centaines de mètres. La géothermie sur sonde exploite la surface d’échange à la verticale avec le sol, en comparaison avec la géothermie de surface horizontale qui exploite la surface d’échange à l’horizontal. Elle permet donc de s’affranchir de l’encombrement souterrain induit par l’installation de surface. La géothermie sur nappe quant à elle nécessite la présence d’une nappe souterraine, de laquelle on extrait et réinjecte de l’eau pour en valoriser la chaleur. Ces 2 techniques de géothermie de surface verticale font appel à d’importants moyens de mise en place ainsi qu’à des études spécifiques de faisabilité, au vu des profondeurs. Son intégration en espace contraint n’est donc pas aisée mais des solutions sont en développement

Avec la géothermie compacte, Les échangeurs géothermiques sont des échangeurs installés à quelques mètres de profondeur, sous forme de serpentin ou de spirale et constitue une solution intermédiaire entre la géothermie de surface horizontale et la géothermie de surface verticale.

Dans la plupart des projets géothermiques, l’échangeur souterrain est couplé à une pompe à chaleur classique à compression, régulée suivant les besoins du bâtiment qu’elle dessert.

 

GEOFIT, des systèmes énergétique géothermiques innovants pour de la rénovation en milieu urbain

Le projet GEOFIT se positionne sur la géothermie de surface en ciblant les usages du chauffage, de la climatisation et de la production d’eau chaude sanitaire.

Ce projet européen H2020, qui réunit 24 partenaires*, a pour objectif de montrer la faisabilité d’une installation géothermique en espace contraint, pour différents types d’usage (chauffage, climatisation, production d’eau chaude sanitaire) sur des bâtiments existants et dans différents climats européens (Irlande, France, Italie, Espagne). La finalité est de proposer des systèmes géothermiques améliorés en termes d’intégration et de performances thermiques et environnementales. 

Plusieurs typologies d’échangeurs souterrains de surface sont envisagées et définies pour permettre leur intégration à l’espace disponible tout en garantissant les besoins thermiques. Ainsi le type d’échangeur est sélectionné suivant l’espace disponible à proximité du bâtiment et suivant le type de pompe à chaleur envisagé, qui détermine la puissance géothermique à assurer.

Des techniques de détection innovantes sont intégrées afin de valoriser pleinement l’espace disponible sans générer de préjudices sur les réseaux déjà présents et limiter les restrictions d’usage du sol. Les techniques d’excavation et de forage peuvent être adaptées suivant l’étude du sol. Cela permet de mieux valoriser l’espace disponible et améliorer l’échange géothermique

Le système de chauffage et de climatisation est développé suivant le besoin et la capacité offerte par le sol. Un système hybride à adsorption pour la production de chaleur permet de limiter l’énergie extraite du sol pour assurer le besoin. La climatisation est produite par un système à compression améliorée, utilisant un gaz frigorigène à faible pouvoir de réchauffement global. L’équilibre thermique du sol est pris en compte, au regard des cycles thermiques en chaud et en froid

Un système d’acquisition performant et en temps réel, couplé à un contrôle prédictif, permet d’exploiter l’installation géothermique de manière optimale en termes de performances. En anticipant les besoins et en connaissant la réponse thermique du bâtiment aux apports thermiques, la production du système peut être lissée et le confort amélioré tout en réduisant la consommation du système

5 démonstrateurs dans toute l’Europe

Une fois développées, l’ensemble des composantes GEOFIT sont testées sur 5 démonstrateurs installés dans le cadre du projet. Les spécificités de chaque site en termes d’espace et de besoin permettent de valider l’intégration en rénovation de la géothermie dans plusieurs configurations représentatives du marché ciblé. Le système d’acquisition permet de déduire les performances thermiques après l’installation. Elles peuvent être comparées à celles qui existaient avant l’installation dans le cas où un système de pré-monitoring existait. Ainsi l’amélioration induite par l’installation peut être déduite.

À l’issue de toutes ces étapes, le projet comprend l’écriture des techniques de standardisation déduites de l’expérience acquise par la conception et la réalisation des démonstrateurs. Aussi, une analyse du cycle de vie complète est réalisée afin de caractériser la performance environnementale, tenant compte des impacts induits par l’installation aussi bien que des bénéfices qu’elle apporte.

Le projet doit s’achever d’ici le début de l’été 2021.

Article signé Romain Lhomer,  ingénieur et chef de projets, Nobatek/INEF4

 

* This project has received funding from the European Union’s H2020 programme under Grant Agreement No. 792210.

- En savoir plus sur GEOFIT et ses partenaires : https://geofit-project.eu/

 


Article suivant : #22 - Les réseaux fermés et les réseaux intérieurs dans les bâtiments (Dalkia/Ademe) 

 

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