Avenir de la Géothermie : Développement des pompes à chaleur pour le chauffage et la climatisation
Quatrième source de production d'électricité par énergie renouvelable dans le monde après l'hydraulique, la biomasse et l'éolien, la géothermie occupe encore une place marginale comme filière de production d'électricité. Pourtant, le développement des pompes à chaleur pour le chauffage et la climatisation constitue un des axes à suivre du scénario de développement de la géothermie.
L'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) a proposé pour la géothermie plusieurs scénarios de développement construits sur la base d'hypothèses crédibles et réalistes au regard de ce qui se passe à l'étranger par exemple, ou du potentiel existant en France raisonnablement accessible d'un point de vue technique et économique. Il ressort de cet exercice prospectif d'évaluation que la géothermie pourrait contribuer pour près de 0,7 Mtep/an en 2010, à la production nationale de chaleur ; ce qui conduirait à multiplier par trois la production de 2003 et équivaudrait à réduire les rejets de CO2 dans l'atmosphère de près de 1,75 Millions de tonnes par an en 2010. La part relative de la géothermie dans le bouquet des énergies renouvelables thermiques passerait ainsi de 2 à 4%. Parmi ces axes, celui du développement des pompes à chaleur pour le chauffage et la climatisation
La France en retard
En France, par exemple, où 40 millions de tonnes de pétrole sont consommées chaque année à cette fin, il s'agit du premier poste de consommation d'énergie avec les transports. Or une bonne partie de ces besoins pourrait être couverte assez facilement par le recours à des systèmes géothermiques utilisant notamment des pompes à chaleur (avec des capteurs enterrés ou avec des sondes ou des pieux énergétiques, ou avec des forages sur des nappes d'eau souterraines) intégrés dès la conception des bâtiments, ces systèmes sont particulièrement bien développés dans les pays voisins, en Suisse, Suède, Norvège... alors que ces pays sont pourtant moins bien dotés que la France en ressources géothermales.
On n'imagine plus, dans ces pays, d'installer un chauffage électrique dont l'électricité ne serait pas utilisée pour des pompes à chaleur. Avec le réchauffement climatique, la demande de climatisation va augmenter, et il est essentiel que les nouveaux systèmes exploitent les potentialités de la géothermie pour la production de chaleur ou de froid. Il en est ainsi du système à deux puits que les spécialistes appellent communément système à puits chaud / puits froid.
Système à puits chaud / puits froid.
Cette technique de chauffage-rafraîchissement de bâtiment, aujourd'hui bien répandue en dehors de l'hexagone, consiste à réaliser deux puits sur une nappe d'eau souterraine et à coupler les deux puits à une pompe à chaleur. En été, on extrait l'eau d'un des deux puits pour, avec la pompe à chaleur, rafraîchir le bâtiment. L'eau extraite voit ainsi sa température augmenter et elle est réinjectée chaude dans le deuxième puits. La température de l'eau autour de ce second puits augmente donc progressivement au fur et à mesure de l'exploitation - on parle alors de puits chaud. En hiver, on puise de la chaleur dans cet ouvrage pour chauffer le bâtiment puis l'on rejette l'eau souterraine extraite refroidie dans le premier puits - on parle alors de puits froid. C'est de ce puits froid que l'on extraira l'eau, l'été. Ce fonctionnement permet d'accroître les performances de la pompe à chaleur, puisque en hiver comme en été, l'écart de température entre l'eau souterraine et l'eau du circuit de chauffage / rafraîchissement du bâtiment est minimum.
Des programmes de recherche en cours sur les pompes à chaleur géothermales sont menés en France et en Europe. L'objectif est d'améliorer les coûts, l'efficacité énergétique, la compétitivité et la pénétration du marché pour les dispositifs de pompes à chaleur géothermales (pour le chauffage et le refroidissement).
Pompes à chaleur couplées au sol de la haute technologie
Les Pompes à chaleur géothermique, ou Ground Coupled Heat Pumps (GCHP), sont des systèmes combinant une pompe à chaleur à un échangeur de chaleur au sol (systèmes en circuit fermé), ou alimentés par des eaux souterraines d'un puits (systèmes à boucle ouverte). Le sol échangeur de chaleur peut être un tuyau horizontal placé à l'intérieur d'un fossé ou d'un tuyau vertical à l'intérieur d'un puits. Celle-ci est désignée comme une Forage Heat Exchanger (BHE).
Avec BHE comme une source de chaleur ou de puits, les pompes à chaleur géothermique peuvent proposer à la fois le chauffage et le refroidissement dans n'importe quel endroit, avec une grande souplesse. Plus de 20 ans de recherche axés sur BHE en Europe ont abouti à un concept bien établi de la viabilité de cette technologie. Malgré l'utilisation de pompes géothermiques depuis plus de 50 ans (première fois aux USA), la pénétration du marché de cette technologie - évidentes dans certains pays comme l'Allemagne, la Suisse, l'Autriche, la Suède, le Danemark, la Norvège, la France et Etats-Unis – la PAC en est encore au ses débuts dans le marché de la climatisation des bâtiments. En outre, l'utilisation de pompes à chaleur géothermique en Europe est limité à l'exploitation pour le chauffage, ce qui correspond à seulement une fraction infime du total de la demande de chauffage résidentiel.
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La France en retard
En France, par exemple, où 40 millions de tonnes de pétrole sont consommées chaque année à cette fin, il s'agit du premier poste de consommation d'énergie avec les transports. Or une bonne partie de ces besoins pourrait être couverte assez facilement par le recours à des systèmes géothermiques utilisant notamment des pompes à chaleur (avec des capteurs enterrés ou avec des sondes ou des pieux énergétiques, ou avec des forages sur des nappes d'eau souterraines) intégrés dès la conception des bâtiments, ces systèmes sont particulièrement bien développés dans les pays voisins, en Suisse, Suède, Norvège... alors que ces pays sont pourtant moins bien dotés que la France en ressources géothermales.
On n'imagine plus, dans ces pays, d'installer un chauffage électrique dont l'électricité ne serait pas utilisée pour des pompes à chaleur. Avec le réchauffement climatique, la demande de climatisation va augmenter, et il est essentiel que les nouveaux systèmes exploitent les potentialités de la géothermie pour la production de chaleur ou de froid. Il en est ainsi du système à deux puits que les spécialistes appellent communément système à puits chaud / puits froid.
Système à puits chaud / puits froid.
Cette technique de chauffage-rafraîchissement de bâtiment, aujourd'hui bien répandue en dehors de l'hexagone, consiste à réaliser deux puits sur une nappe d'eau souterraine et à coupler les deux puits à une pompe à chaleur. En été, on extrait l'eau d'un des deux puits pour, avec la pompe à chaleur, rafraîchir le bâtiment. L'eau extraite voit ainsi sa température augmenter et elle est réinjectée chaude dans le deuxième puits. La température de l'eau autour de ce second puits augmente donc progressivement au fur et à mesure de l'exploitation - on parle alors de puits chaud. En hiver, on puise de la chaleur dans cet ouvrage pour chauffer le bâtiment puis l'on rejette l'eau souterraine extraite refroidie dans le premier puits - on parle alors de puits froid. C'est de ce puits froid que l'on extraira l'eau, l'été. Ce fonctionnement permet d'accroître les performances de la pompe à chaleur, puisque en hiver comme en été, l'écart de température entre l'eau souterraine et l'eau du circuit de chauffage / rafraîchissement du bâtiment est minimum.
Des programmes de recherche en cours sur les pompes à chaleur géothermales sont menés en France et en Europe. L'objectif est d'améliorer les coûts, l'efficacité énergétique, la compétitivité et la pénétration du marché pour les dispositifs de pompes à chaleur géothermales (pour le chauffage et le refroidissement).
Pompes à chaleur couplées au sol de la haute technologie
Les Pompes à chaleur géothermique, ou Ground Coupled Heat Pumps (GCHP), sont des systèmes combinant une pompe à chaleur à un échangeur de chaleur au sol (systèmes en circuit fermé), ou alimentés par des eaux souterraines d'un puits (systèmes à boucle ouverte). Le sol échangeur de chaleur peut être un tuyau horizontal placé à l'intérieur d'un fossé ou d'un tuyau vertical à l'intérieur d'un puits. Celle-ci est désignée comme une Forage Heat Exchanger (BHE).
Avec BHE comme une source de chaleur ou de puits, les pompes à chaleur géothermique peuvent proposer à la fois le chauffage et le refroidissement dans n'importe quel endroit, avec une grande souplesse. Plus de 20 ans de recherche axés sur BHE en Europe ont abouti à un concept bien établi de la viabilité de cette technologie. Malgré l'utilisation de pompes géothermiques depuis plus de 50 ans (première fois aux USA), la pénétration du marché de cette technologie - évidentes dans certains pays comme l'Allemagne, la Suisse, l'Autriche, la Suède, le Danemark, la Norvège, la France et Etats-Unis – la PAC en est encore au ses débuts dans le marché de la climatisation des bâtiments. En outre, l'utilisation de pompes à chaleur géothermique en Europe est limité à l'exploitation pour le chauffage, ce qui correspond à seulement une fraction infime du total de la demande de chauffage résidentiel.
| Les quelques chiffres clés fournis ci-après permettent de situer la place occupée en France par la géothermie au sein des énergies renouvelables. • En 2001, 4,5% de l'énergie consommée en France était d'origine renouvelable thermique, soit 12,2 Mtep, alors que la part de la consommation d'électricité d'origine renouvelable était de 16,9%, soit 78 TWh. • Les contributions relatives des différentes filières montraient que deux d'entre elles jouaient un rôle prépondérant : le bois-énergie pour les renouvelables thermiques (environ 78% de la contribution totale) -la France étant leader européen pour cette filière - et l'hydro-électricité pour les renouvelables électriques (près de 95% de la contribution totale), avec une part essentielle issue de la grande hydraulique (barrages). • La géothermie occupait une place modeste pour la chaleur (environ 2% de la contribution totale) et marginale pour la production d'électricité (0,023 TWh) mais avec une production concentrée sur une seule installation (à Bouillante en Guadeloupe). • Au plan européen, on retrouvait grosso-modo les mêmes répartitions, tant pour les filières majeures - bois énergie et hydroélectricité (avec néanmoins une contribution relative plus importante pour l'éolien) - que pour la place occupée par la géothermie. |
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