La géothermie

Définition

La géothermie ou « chaleur de la terre » se présente sous forme de réservoirs de vapeur ou d'eaux chaudes ou encore de roches chaudes. Lorsque le réservoir géothermique est à une température modérée, cette ressource est exploitée pour de la production de chaleur. Lorsque la température du réservoir géothermique est plus élevée, il est possible de produire de l'électricité.

Plus on fore dans la croûte terrestre, plus la température augmente (environ 20-30°/km). Dans les régions volcaniques, on observe pour de faibles profondeurs des températures très élevées. Selon la profondeur à laquelle on fore. On différencie alors 3 types de géothermie :

Les différents types de géothermie

la géothermie à haute énergie

La géothermie à basse et très basse énergie

La géothermie basse énergie explore des aquifères situés entre 1 500 et 2 500 mètres de profondeur. La température située entre 30°C et 80°C est trop faible pour produire de l’électricité mais idéale pour produire de la chaleur. Les applications vont du chauffage urbain au thermalisme, en passant par le chauffage des serres et le séchage des produits agricoles.

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La géothermie très basse énergie est l’exploitation d’une ressource peu profonde présentant une température inférieure à 30°C. Cette température ne permet pas une utilisation directe de la chaleur. Elle nécessite la mise en œuvre de pompes à chaleur (PAC) qui prélèvent cette énergie à basse température pour l’augmenter à une température suffisante pour le chauffage d’habitations par exemple.

Part des différentes applications de la géothermie à très basse énergie

Le marché de la géothermie

Le marché mondial

PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ ISSUE DE LA GÉOTHERMIE A HAUTE ÉNERGIE 

On dénombre aujourd’hui un peu plus de 350 installations géothermiques haute énergie dans le monde. La puissance mondiale de ces centrales électriques est d’environ 9,7 GW en 2007(contre 8 en 2000), ce qui ne représente que 0,3% de la puissance mondiale électrique installée sur la planète. La production d’électricité générée par géothermie est faible par rapport à celle d’autres énergies renouvelables comme l’hydroélectricité.

source : geothermie-perspectives.fr

PRODUCTION DE CHALEUR ISSUE DE LA GÉOTHERMIE A BASSE ET TRÈS BASSE ÉNERGIE

En 2000, la puissance installée dans les 55 pays qui déclaraient utiliser directement cette source était estimée à 15 GW et l’énergie utilisée à 53 TWh/an, ce qui équivaut à 1% de la consommation d'énergie mondiale. En 2005, plus de 70 pays déclaraient utiliser la géothermie pour produire de la chaleur. La puissance installée est estimée à l'heure actuelle à 27 GW, ce qui correspond à une production supérieure à 70 TWh/an.

source : geothermie.ch

* On distingue la production de chaleur de la production d’électricité, c’est pourquoi on utilise une unité qui est la même : le Watt. Le Giga watt correspond à la production de puissance. On rajoute un sigle pour spécifier si l’énergie produite est thermique (GWth) ou électrique (GWe).

• 1 Méga Watt : 1000 kilo Wat
• 1 Giga Watt : 1000 Méga Watt
• 1 Tera Watt = 1000 Giga Watt

Le marché européen

Puissance géothermique installée des pays de l'Union Européenne (à fin 2006) :

Source : Eurobserv'ER baromètre 2008

 * La Bulgarie et la Roumanie ne faisaient pas partie de l’UE en 2006
** PACG : Pompe à chaleur géothermique

Production d’électricité

La puissance électrique géothermique de l’ensemble des pays de l’Union Européenne était de 856,8 MWe en 2007. La production d’électricité géothermique est en hausse de 2,7% en 2007 soit 5845,5 GWh. L’Italie est dotée des principaux gisements de géothermie haute température de l’Union Européenne. La France ne possède qu’une seule usine productrice d’électricité. Cette dernière se situe à Bouillante en Guadeloupe.

Production de chaleur

Ce sont les applications liées aux usages de la chaleur qui sont les plus développées au sein de l’Union Européenne. 18 pays sur 27 ont utilisé la géothermie en 2007. Cette année là, l’usage de la chaleur géothermique (hors pompe à chaleur géothermique) a représenté une puissance installée de 2465,3 MWth, cette dernière a augmenté de 229,5 MWth soit une croissance de 10,3% par rapport à 2006. La Hongrie est le plus important utilisateur de géothermie thermique (hors Pompe à chaleur géothermique) avec une puissance installée de 715 MWth. La France est, après l’Italie, le 3ème utilisateur avec une puissance installée de l’ordre de 307 MWth en 2006.

Les pompes à chaleur géothermique au sein de l’UE ont une puissance installée de l’ordre de 8758 MWth. La suède possède la parc le plus important de l’UE avec près d’une pompe à chaleur sur deux installée sur son territoire.

Le marché français

En France métropolitaine, il n’y a pas de production d’électricité issue de la géothermie à haute énergie. La seule usine productrice d’électricité se situe en Guadeloupe à Bouillante et produit seulement 10% des besoins annuels de l’île en électricité.
l’application principale de la géothermie, en France, est la production de chaleur.

Le marché du neuf

Depuis quelques années, le marché des pompes à chaleur géothermiques pour le chauffage des maisons individuelles connaît en France et dans le monde également un réel développement. En effet, le nombre des maisons individuelles neuves équipée d’une pompe à chaleur construites en France chaque année s'élève à environ 9000.

Le marché de la rénovation

En 2005, 13 200 pompes à chaleur ont été installées dans des maisons existantes contre 700 en 1997. Depuis 2002, le marché a progressé de 70% environ. En 2006, il s'agit de 53 000 nouveaux appareils installés (géothermie et aérothermie comprises) ce qui fait de la France le deuxième marché européen derrière la Suède.

source : guide des énergies vertes pour la maison

Le plus grand projet "roches chaudes fracturées" dans le monde

Le granite de la région de Soultz-sous-Forêts (67) est naturellement fracturée et possède un gradient géothermal élevé, ce qui en fait un site idéal pour la géothermie profonde
Une centrale de production d’électricité d’une puissance de 5 à 6 MW a été mise en service en 2006. Les calculs montrent que, si le dispositif en cours d’essai confirme ses potentialités, la centrale géothermique pourrait assurer une production électrique équivalente à celle d'une dizaine de centrales nucléaires pendant plusieurs décennies. Et ceci sans aucune pollution.

La géothermie parmi les autres énergies renouvelables depuis 1973.

source : Ministère de l’Écologie

*  Production primaire d'énergies renouvelables en France.
** Unité : Million de TEP (Tonne équivalent pétrole)

Suite au 2ème choc pétrolier, on remarque que la géothermie s’est fortement développé en France à partir de 1979 contrairement à l’hydraulique qui n’a pas particulièrement connu un grand essor.

La géothermie chez vous

Capter l’énergie thermique du sous sol, la transformer pour la rendre utilisable, puis s'en servir pour chauffer votre habitation, votre piscine et même chauffer l’eau chaude sanitaire, voilà un des but principal de l’utilisation de la géothermie chez vous. En inversant le système, la géothermie vous permettra également de rafraîchir votre maison.

Ceci est possible grâce à un système technique : la pompe à chaleur géothermique.

La pompe à chaleur est une machine constituée d'un circuit fermé et étanche dans lequel circule un fluide frigorigène à l'état liquide ou gazeux selon les organes qu'il traverse. Ces organes sont au nombre de quatre (voir Principe de fonctionnement) :

En fait, la pompe à chaleur prélève un peu de chaleur du sous-sol de votre jardin, augmente son niveau de température et restitue une chaleur plus élevée dans votre habitation.

Principe de fonctionnement

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1 - Dans l'évaporateur, la chaleur prélevée dans le sol par les capteurs (source froide) est transférée au fluide frigorigène qui se vaporise,

2 - Le compresseur électrique aspire le fluide frigorigène réchauffé,

3 - La compression élève la température du fluide frigorigène,

4 - Dans le condenseur, le fluide frigorigène cède la chaleur au fluide du circuit de chauffage (plancher chauffant, radiateurs, convecteurs : les sources chaudes),

5 - En ce condensant, le fluide frigorigène revient à l'état liquide,

6 - Le détendeur abaisse la pression du liquide frigorigène. Il amorce ainsi la vaporisation.

Exploitation

Différents types d'exploitation
On peut exploiter soit l’énergie naturellement présente dans le sous-sol soit celle présente dans les aquifères.
Pompe à Chaleur sur le sous-sol
Pompe à Chaleur  sur eaux souterraines

Il existe différents types de Pompe à chaleur :

• PAC à détente directe (sol/sol) : elle utilise un fluide frigorigène pour absorber la chaleur du sol et pour restituer la chaleur. Ce dernier circule dans les capteurs et le plancher chauffant. . Ce procédé n'est utilisable qu'avec des capteurs horizontaux.
• PAC à fluide intermédiaire (eau glycolée/eau) : elle utilise de l’eau additionnée à de l’antigel pour absorber la chaleur du sol, et de l’eau pour restituer la chaleur. Le fluide frigorigène reste confiné dans la PAC. Le procédé est utilisable en capteurs horizontaux ou verticaux.
• PAC à moyen terme ou à procédé mixte (sol/eau) : Le fluide frigorigène de la PAC circule dans les capteurs et de l'eau circule dans les émetteurs de chauffage. Ce procédé n'est utilisable qu'avec des capteurs horizontaux.

Il existe également des systèmes qui ont le même principe de fonctionnement mais qui n’utilise pas à la base le même fluide. On peut citer les pompes air/air, les pompes air/eau et les pompes sur eau de nappe qui utilisent la chaleur de l’air ou de l’eau du sous-sol pour chauffer votre maison.

source : ademe.fr

Captage

Il existe deux styles de capteurs :

Capteurs Horizontaux

Le captage horizontal consiste à récupérer la chaleur par le biais de capteurs disposés horizontalement à environ 60 cm de profondeur. Ces capteurs sont des tuyaux en polyéthylène ou en cuivre gainé adaptés à la circulation sous pression et en circuit fermé du fluide frigorigène. Les capteurs horizontaux nécessitent une surface de terrain de 1,5 à 2 fois la surface à chauffer. Par exemple, pour une habitation de 100 m2, il faudra disposer d’au moins 150 m2 de surface extérieure.

Selon l’appareil choisi, il sera également possible de rafraîchir et climatiser sa maison par simple inversion du système : on parle de pompes réversibles. Ainsi, lorsqu’elle est en mode chauffage en hiver, la pompe extrait la chaleur du sol, alors qu’en été, en mode rafraîchissement, elle restitue à la terre les calories extraites.

Capteurs Verticaux

Cette technique est utilisée quand la surface du jardin n'est pas suffisante ou que la pente du terrain est trop conséquente. Cette technologie peut être exploité par un ou plusieurs forage(s) selon les besoins. Un trou d’une profondeur de 70 à 100 mètres est réalisé dans votre jardin afin d’y insérer des tubes. Le circuit comporte un tube formant une seule boucle verticale, en forme de U. Réalisé en polyéthylène, ce tube permet la circulation du fluide sous pression et en circuit fermé.
Ce système par captage vertical a l’avantage d’occuper une surface au sol nettement moins importante que le système horizontal.
D’un coût plus élevé que le captage horizontal, il offre une performance constante, la température à 80 mètres ne variant que faiblement. En revanche, il ne permet pas de rafraîchir votre maison l’été.

Contraintes d’espace
Pour les capteurs horizontaux, l’installation souterraine doit se trouver à plus de 2 mètres des arbres, être à au moins 1,50 m des réseaux enterrés non hydrauliques et à au moins 3 m des fondations, des puits, des fosses septiques ou des réseaux d’évacuations.

Pour une installation verticale, les capteurs doivent être au minimum placés à 5m des arbres.

source : guide-geothermique.org

Installation

A qui dois-je m’adresser ?

La conception d’une pompe à chaleur, ainsi que le dimensionnement et la pose de l’installation exigent un savoir-faire spécifique. Il faut donc avant tout s’assurer que l’on s’adresse à un spécialiste.

Qualité du matériel

Le procédé que l’on vous propose doit avoir reçu une certification Eurovent (ou avoir fait l’objet d’un Avis Technique du CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment). Votre installation doit être conforme à la législation en vigueur.
Pour cela, il est préférable qu’elle soit certifié du label « NF PAC » qui est une marque volontaire, délivrée par l’AFAQ-AFNOR Certification. Cette marque permet de vérifier la conformité des pompes à chaleur aux différentes normes en vigueur,  françaises, européennes et internationales ainsi que le respect des performances minimales fixées par les membres du Comité particulier de la marque NF-PAC.

Compétences de l’installateur

L’installateur doit être un spécialiste en chauffage par géothermie : il doit avoir reçu une formation spécifique pour assurer aussi bien l’étude préalable, que l’installation proprement dite et le service après-vente (l’entretien du compresseur est fondamental pour éviter toute surconsommation).
Pour cela, nous vous conseillons de faire appel à des installateurs certifié Qualipac.

Dans le cadre d’un forage par sonde ou sur nappe, l’entreprise de forage doit être soumise à la « garantie décennale bâtiment » souscrite auprès d’une compagnie d’assurances.

Entretien

Une pompe à chaleur est une installation robuste, mais qui doit être bien entretenu. Pour la maintenir en parfait état de fonctionnement, et pour ainsi avoir des performances optimum de votre pompe à chaleur, il vous est conseillé, par le biais d’un contrat de maintenance de la faire contrôler régulièrement. Il faut particulièrement faire attention à la pression dans les circuits pour détecter les fuites de fluide frigorigène. En effet, ces fuites sont nuisibles pour l’environnement, car les fluides frigorigènes contiennent des gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique.
En fin de vie de votre installation, un spécialiste doit venir récupérer le fluide frigorigène afin de le recycler ou le détruire.

Dimensionnement des PAC géothermiques :

Une erreur fréquente est de surdimensionner le système de pompe à chaleur. Trop puissante, elle sera plus chère à l’achat et aura des cycles courts de fonctionnement qui pénalisent fortement la performance et la durée de vie.

En première approximation, prévoyez une puissance selon les calculs suivants :

• 40W/m² pour une maison isolée selon la réglementation RT2000/RT2005,
• 50W/m² pour une maison isolée selon les normes des années 90
• 80W/m² pour une maison isolée selon les normes des années 80

La longueur du forage vertical est d’environ 15m de par kW installés. Si la longueur à prévoir dépasse 100m, il est préférable de faire deux forages.

Les coûts d'installation d'une pompe à chaleur

Coûts d’investissement et de fonctionnement par type de PAC (TTC)*

source : Guide des énergies vertes pour la maison

* Ces fourchettes de prix sont donnés à titre indicatif et sont fonction d’une valeur moyenne du marché. www.economiedenergie.fr ne pourrait être tenu responsable des évolutions tarifaires futures du marché.

A titre d’exemple

Pour un logement de 100m², votre investissement sera d’environ 14 800 € pour une PAC à capteurs verticaux et de 8 800 € si vous optez pour une PAC à capteurs horizontaux.
Pour l’option rafraîchissement, il faudra compter environ 5 000 € en plus.

Aides financières

Vous pouvez bénéficier d’aides fiscales et financières lors d’une installation d’une pompe à chaleur chez vous.

Aides fiscales :

• L’État accorde un crédit d’impôt pour l’achat d’une pompe à chaleur destinée à une résidence principale, neuve, en construction ou ancienne. Le taux est de 50 % si les dépenses ont été effectuées jusqu'au 31 décembre 2008 inclus. Pour l'année 2009, le taux est de 40%, puis dès 2010, il passera à 25%. Il suppose un COP d’au moins 3 c’est-à-dire que pour 1 kWh consommé, la PAC produit l'équivalent de 3 kWh de chauffage.
• Un taux réduit de TVA (5,5 %) est appliqué par les entreprises qui vendent le matériel et en assurent la pose, sous réserve qu’il s’agisse d’une rénovation (résidence principale ou secondaire de plus de deux ans). Valable jusqu’à fin 2010, ce taux concerne la main d’oeuvre, les matières premières et les équipements.

Aides financières :

• Des primes et subventions de l’agence nationale pour l’amélioration de l’habitat (ANAH), à laquelle doit être présenté un dossier. Elles concernent avant tout les propriétaires de logement de plus de 15 ans, dont les ressources sont limitées. Les subventions peuvent atteindre 20% du montant des travaux d’installation d’un appareil de qualité.
• Des aides d’EDF, qui peut accorder, sous conditions, des prêts à taux préférentiels pour l’équipement d’une pompe à chaleur, à condition qu’elle bénéficie du label privé Promotelec, qui en certifie la qualité et la fiabilité. Renseignez vous auprès de votre agence EDF.
• Certaines régions et quelques départements proposent des aides aux particuliers qui souhaitent se chauffer par géothermie. Pour cela, renseigner vous auprès de vos conseillers régionaux et généraux.

Les démarches administratives

Elles sont relativement simples et généralement effectuées par l’installateur ou l’entreprise de forage au nom du propriétaire.

L'article 131 du code minier oblige qu’une déclaration préalable soit faite à la Direction régionale de l’industrie, de la recherche et de l’environnement (DRIRE) pour tout forage dont la profondeur dépasse 10 mètres.

Compte tenu de la puissance calorifique d’un capteur vertical (de 30 à 50 W par mètre foré), les installations de pompes à chaleur sur sondes géothermiques verticales ne font l’objet que d’une simple déclaration (gîtes géothermiques, décret 78-498 du 28 mars 1978, article 17).