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CHAPITRE XXX – PARTIE YYY 1 GEOTHERMIE DE TRES BASSE TEMPERATURE Alain Dassargu

CHAPITRE XXX – PARTIE YYY 1 GEOTHERMIE DE TRES BASSE TEMPERATURE Alain Dassargues (1), Samuel Wildemeersch (1) (1) Université de Liège, Département ArGEnCo, GEO³, Hydrogéologie et Géologie de l’Environnement, Chemin des Chevreuils, 1, B52/3 Sart-Tilman, B-4000 Liège. alain.dassargues@ulg.ac.be, swildemeersch@ulg.ac.be. INTRODUCTION La géothermie s’est considérablement développée au cours des dernières années et des environnements très variés sont à présent envisagés pour la mise en place de systèmes de chauffage et/ou de refroidissement. La preuve en est que le nombre de systèmes géothermiques a considérablement augmenté partout dans le monde, y compris en Belgique, avec la mise en place de systèmes géothermiques de très basse température (Lund et al., 2011). L’expression « géothermie de très basse température » est utilisée dans le cas d’aquifères peu profonds, exploités de quelques mètres à moins d’une centaine de mètres de la surface du sol, au sein desquels la température de l’eau souterraine est comprise entre 5 à 30° C. La valorisation thermique de tels aquifères nécessite systématiquement l’usage de pompes à chaleur. L’objectif principal lors de la mise en place de systèmes géothermiques de très basse température est le chauffage (eau sanitaire ou chauffage central) et/ou la climatisation de maisons individuelles et d’immeubles. Les systèmes géothermiques de très basse température se scindent en deux grandes catégories (Fig. 1) : les systèmes ouverts (puits géothermiques) et les systèmes fermés (sondes géothermiques (Rafferty, 2003). Figure 1 – Puits géothermiques (système ouvert) vs sonde géothermique (système fermé). Les systèmes ouverts privilégiés sont le plus souvent constitués d’un puits de pompage et d’un puits de réinjection. L’eau souterraine captée par le puits de pompage est utilisée pour fournir (en mode chauffage) ou reprendre (en mode refroidissement) de la chaleur au milieu à chauffer ou à climatiser avant d’être réintroduite dans la nappe par le puits d’injection. Ces systèmes sont également repris sous l’acronyme ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) puisque la chaleur injectée lors des phases de climatisation, en été, sera (en partie) reprise par les pompages pour les phases de chauffage, en hiver. Il est évident que de tels systèmes ne peuvent être installés qu’au sein de formations géologiques suffisamment perméables permettant de pomper l’eau souterraine en quantité suffisante. Les systèmes fermés sont constitués d’un réseau de tubes en polyéthylène enterrés à l’intérieur desquels circule un fluide caloporteur pour extraire (en mode chauffage) ou restituer (en mode climatisation) de la chaleur au sol. Ces réseaux de tubes sont installés horizontalement dans une tranchée ou verticalement dans un forage. Ces systèmes peuvent être installés au sein de toutes les formations géologiques, y compris les horizons peu perméables ou non- saturés. PUITS GEOTHERMIQUES (SYSTEME OUVERT) Lorsque l’eau souterraine captée par le puits de pompage et servant de fluide géothermal est réinjectée dans la nappe via un puits de réinjection, le système est qualifié de « doublet géothermique » et une distance minimale doit être calculée entre les puits de pompage et de réinjection pour éviter toute interférence susceptible de limiter les performances du système. La variante habituellement la plus intéressante du doublet géothermique est le système qualifié de « puits chaud/puits froid ». Ce système qui allie chauffage et climatisation consiste à coupler les deux puits sur une pompe à chaleur. En hiver, l’eau souterraine est pompée dans le puits A (« puits chaud ») et, après passage dans la pompe à chaleur, est réinjectée plus froide dans le puits B (« puits froid »). En été, le système est inversé, l’eau souterraine est pompée dans le 2 A. Dassargues & S. Wildemeersch puits B (« puits froid ») et, après passage dans le milieu à climatiser, est réinjectée plus chaude dans le puits A (« puits chaud »). Ce système mise donc sur une certaine inertie thermique de l’aquifère pour obtenir de meilleures performances. Ce système de type ATES nécessite, en fonction des débits à pomper, que les formations géologiques sollicitées présentent des conductivités hydrauliques élevées. Ce dernier point peut, dans certains, être en contradiction avec un stockage efficient de chaleur puisque les formations les plus perméables sont souvent le siège d’écoulements souterrains significatifs lorsqu’un gradient piézométrique est présent. Afin de trouver les conditions optimales pour un tel système, il est nécessaire de caractériser de façon précise les conditions hydrogéologiques et thermiques et de les intégrer dans un modèle numérique couplant écoulement et transfert de chaleur. Cet outil est non seulement indispensable pour le dimensionnement optimal du système mais également pour estimer son impact, à moyen et à long terme, sur la nappe aquifère, y compris en tenant compte d’éventuels effets additifs dus à la multiplication de systèmes similaires en zones urbaines. Ces simulations ne sont pas triviales et nécessitent une caractérisation minimum de l’aquifère en termes de propriétés hydrogéologiques et thermiques. C’est d’autant plus vrai que des contraintes supplémentaires sont souvent à considérer, par exemple : • la limitation des rabattements induits, spécialement en cas de terrains superficiels susceptibles de se tasser (argiles, limons, alluvions tourbeuses…). Ceci demande d’intégrer dans les calculs les autres pompages existants et de prendre en compte les interactions éventuelles avec les eaux de surface. • la concertation avec le voisinage afin de ne pas placer son « puits chaud » à proximité immédiate du « puits froid » du voisin tout en tenant compte de la direction de l’écoulement souterrain et du transport de chaleur au sein de cet écoulement. • l’assainissement de l’état potentiellement contaminé de la nappe (en zone urbaine). Le système (avec pompage et réinjection) favorise la dispersion des éventuels contaminants, solubilisés ou non, présents dans la nappe aquifère ou au sommet de celle-ci. Il est possible, dans certains cas, de considérer que la hausse des températures près du « puits chaud » favorisera certaines réactions d’atténuation et de bioremédiation naturelles mais ces processus nécessiteraient au minimum de faire l’objet d’un monitoring voire d’un véritable contrôle. • l’impact hydrochimique potentiel sur la qualité de la ressource en eaux souterraines. Ce point est particulièrement important pour les zones dans lesquelles des potentialités de production d’eau sont reconnues. Il paraît, par contre, abusif voire trop conservateur d’un point de vue de la sécurité de la ressource en eau, de vouloir appliquer les mêmes règles aux puits de pompage géothermiques que celles pratiquées pour les captages d’eau potabilisables. Si l’eau souterraine captée n’est pas réinjectée dans la nappe, elle est rejetée dans le milieu naturel en surface, à condition que cela ne présente pas de risques pour l’environnement (eau fortement chargée), ou dans le réseau de distribution d’eau potable. Il est également possible de l’utiliser pour toutes autres applications (procédés industriels…) à condition que les contraintes chimiques, techniques et légales le permettent. SONDES GEOTHERMIQUES (SYSTEME FERME) Les sondes géothermiques peuvent être installées dans tout type de terrain et les tubes peuvent y être disposés dans différentes configurations. Quoiqu’un réseau de tubes horizontaux soit possible, le plus souvent, les sondes duplex ou coaxiales (Fig. 2) sont disposées dans des puits ou dans des tranchées de façon à minimiser l’emprise au sol. L’avantage du type duplex est que l’échange de chaleur a lieu tout le long du circuit alors que dans le type coaxial, il se fait uniquement pendant la descente ou la remontée (le sens de circulation peut être modifié pour l’extraction et l’injection de chaleur). Toutefois, dans le type coaxial, l’échange a lieu sur une plus grande surface. Le tubage interne des sondes coaxiales est souvent isolé pour éviter tout court-circuit thermique. Les puits dans lesquels sont installées les sondes peuvent atteindre 100 à 400 m de profondeur. Le fluide caloporteur est souvent de l’eau claire ou un mélange d’eau et d’antigel à base d’éthylène glycol (Tyberghein, 2005). Figure 2 – Sondes géothermiques duplex (tubes en U) et coaxiale (Gehlin, 2002). L’utilisation d’une pompe à chaleur est, dans la plupart des cas, indispensable pour transférer la chaleur au milieu à chauffer, ces dispositifs sont le plus souvent désignés par l’abréviation anglo- saxonne GSHP (Ground Source Heat Pumps). Ces systèmes ont intrinsèquement moins de rendement thermique que les systèmes ouverts et, pour de grands immeubles, les longueurs de CHAPITRE XXX – PARTIE YYY 3 forages cumulées deviennent parfois rédhibitoires pour fournir la puissance souhaitée dans le scénario le plus énergivore. Comme pour les puits géothermiques, les sondes géothermiques nécessitent également de caractériser le milieu souterrain saturé ou partiellement saturé dans lequel elles sont installées pour pouvoir dimensionner de façon optimale le système et estimer son impact sur les éventuelles ressources en eaux souterraines présentes au droit du site. PARAMETRES IMPORTANTS La quantité de chaleur qui pourra être extraite du milieu souterrain dépend de nombreux paramètres et variables caractéristiques de la zone concernée. Ceux-ci sont d’une importance capitale dans le dimensionnement du système (nombre de puits, positionnement des puits et débits à pomper pour les systèmes ouverts, longueur et nombre de tubes échangeurs de chaleur pour les systèmes fermés, capacité des pompes à chaleur…). Les principaux paramètres sont : • la géologie et l’hydrogéologie des terrains : nature et géométrie des couches en présence (continuité, épaisseur…), • les paramètres hydrodynamiques du milieu souterrain : conductivité hydraulique, uploads/Geographie/ geothermie-basse-temperature.pdf