Qu’est-ce que l’énergie géothermique ?
Les systèmes géothermiques de chauffage et de refroidissement des bâtiments reposent sur le principe selon lequel, à une certaine profondeur (6 à 10 m) , la température de la terre n’est pas modifiée par les variations de la température de surface. Elle est stable (8-10degC). La température de la surface de la terre est donc supérieure à celle de l’air en hiver, et inférieure à celle de l’air en été.
Un système géothermique se compose de trois éléments :
1) L’échangeur de chaleur souterrain (ECH).
2) La pompe à chaleur (HP).
3) Le système de distribution de la chaleur
L’échangeur de chaleur collecte la chaleur du sol et la pompe à chaleur. La chaleur est ensuite transférée au bâtiment via un système de distribution de chaleur. En mode refroidissement, la chaleur est transférée au système de distribution de chaleur et collectée par les pompes à chaleur. Enfin, la chaleur est rejetée dans le sol via l’échangeur. Un kilowatt d’électricité utilisé par la pompe génère en moyenne 3 à 5 kilowatts d’énergie. Le graphique ci-dessous montre le principe de fonctionnement d’un système géothermique.
Les pompes à chaleur géothermiques sont différentes des pompes à chaleur classiques qui utilisent l’air extérieur comme source d’énergie. Au lieu d’utiliser l’air extérieur, elles utilisent la terre comme source/rejet de chaleur. Cela leur permet d’atteindre des coefficients de performance (COP) élevés. Le COP est le rapport entre l’énergie produite par le système géothermique et l’énergie électrique qu’il consomme. Les échangeurs de chaleur géothermiques nécessitent une durée minimale pour prélever/rejeter la chaleur.
Les différents types de systèmes géothermiques
Les échangeurs de chaleur souterrains peuvent être utilisés pour transférer de la chaleur à la géosphère de différentes manières. On peut distinguer les systèmes suivants :
- les systèmes verticaux à boucles fermées (qui chauffent le sol en profondeur)
- les systèmes à boucle ouverte (qui captent la chaleur d’un lac, d’une nappe phréatique ou d’un autre plan d’eau à l’aide de deux puits);
- les systèmes à colonne permanente (PCP)(qui captent la chaleur d’une nappe phréatique ou d’un lac avec un seul puits);
- les systèmes horizontaux à circuit fermé qui captent la chaleur de la surface du sol.
Le système géothermique le plus courant au Québec est le système géothermique vertical à boucle fermée.
Un système géothermique vertical à boucle fermée est généralement constitué d’un trou de forage où sont installés une boucle en U (PEHD) et une solution de bentonite (figure 2). Le fluide caloporteur, généralement du propylène glycol, circule en permanence à l’intérieur de la boucle pour permettre un échange de chaleur par conduction (transferts de chaleur sans déplacement global de matière dû à une différence de température entre deux milieux en contact) avec le milieu géologique. Un échangeur typique de cette nature se situe entre 100 et 150 m de profondeur (figure 2).
Ces systèmes sont les plus connus et les plus documentés. Ils représentent 82,9 % de l’ensemble des systèmes québécois en 2010. Cependant, en raison de leur faible conductivité thermique (tuyaux en PEHD et grubb de bentonite), ainsi que de la faible conductivité thermique du milieu géologique, ces systèmes nécessitent des forages importants. Il en résulte des coûts de construction élevés. Le rapport 2012 de la CCÉG montre que ces systèmes peuvent coûter jusqu’à 8,263 $/tonne en moyenne (c.-à-d. 1 tonne = 12 000 BTU/heure = 35,2 kW
Système géothermique à boucle ouverte : Captage de la chaleur des eaux souterraines
Les systèmes en boucle ouverte sont très efficaces. Un système en boucle ouverte peut coûter jusqu’à 50 % moins cher qu’un système vertical en boucle fermée si la quantité d’eau souterraine de bonne qualité est suffisante. Ces systèmes ne sont pas adaptés à un usage urbain car les conditions hydrogéologiques requises pour leur installation sont rares. Les systèmes à boucle ouverte utilisent l’eau souterraine directement à partir d’un puits d’approvisionnement (25-40 m de profondeur) pour extraire/injecter de la chaleur. L’action de pompage provoque un rabattement, ce qui entraîne une infiltration d’eau dans un puits. Cela crée un apport d’énergie par advection (transport d’énergie dû au mouvement des fluides). Une fois l’échange thermique terminé, l’eau peut être réinjectée dans un autre puits.
Puits à colonne permanente (PCP), système géothermique : Peu connu mais très efficace
Les systèmes PCP pompent l’eau souterraine à la base d’un puits, puis l’injectent en partie ou en totalité au sommet d’un puits après échange de chaleur.
Ces systèmes sont plus efficaces que les systèmes verticaux en circuit fermé et peuvent être utilisés dans des conditions hydrogéologiques exceptionnelles, comme les systèmes en circuit ouvert. En période de forte demande énergétique, le PCP peut également créer des apports énergétiques supplémentaires en forçant l’eau souterraine à entrer dans le puits. Cette opération, appelée saignée, améliore temporairement l’efficacité thermique de l’ECS. Cela permet de réduire la longueur de l’ECS et donc les coûts de construction.
L’American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), a montré que les échangeurs géothermiques peuvent être de 49% à 78% plus petits lorsqu’on utilise des systèmes PCP qu’avec des systèmes verticaux en boucle fermée de capacité comparable.
Systèmes géothermiques horizontaux à circuit fermé : Pour les grandes zones du pays
Les systèmes à boucle horizontale sont moins efficaces pour une même longueur de tuyau que les systèmes à boucle verticale. Les systèmes horizontaux à boucle fermée nécessitent de creuser des trous dans le sol pour faire passer un réseau de tuyaux dans lesquels circule un liquide caloporteur (eau + gel) pour prélever/rejeter la chaleur.
Ces systèmes nécessitent une grande surface au sol, environ deux à trois fois la surface du bâtiment à chauffer. Ce système n’est pas recommandé pour les zones rurales ou la campagne.
Subventions disponibles
Revenu Québec offre un crédit d’impôt pour vous aider à installer un système géothermique qui a été certifié par la Coalition canadienne de l’énergie géothermique. Seule une entreprise certifiée par la CCÉG peut installer la thermopompe selon la norme CAN/CSA C448-16. Après l’installation, la CCÉG doit également certifier le système.
Un glossaire de termes
Advection : le transport d’énergie qui se produit à partir du mouvement des fluides.
Coefficient de performance : Le rapport entre l’énergie produite et la puissance électrique utilisée par le système géothermique.
Conduction : Transfert de chaleur sans déplacement global de matière dû à une différence de température entre deux milieux en contact.
Pompe à chaleur : Dispositif qui transfère la chaleur du sol au bâtiment en hiver (chauffage), et inversement en été (refroidissement).
Tonne : Unité de puissance du système. 1 tonne = 12 000 BTU/heure = 35,2 kW. Les besoins thermiques d’un bâtiment résidentiel se situent entre 2 et 3 tonnes.