Comment utiliser la chaleur du sol de manière optimale ?
Dans notre quête d’énergie durable, le sol se révèle une source de chaleur digne du plus grand intérêt. La chaleur contenue dans le sol est à la fois stable et facile à extraire, ce qui explique que quelque 30 % des nouvelles pompes à chaleur puisent leur énergie dans la terre.
En matière de chaleur contenue dans le sol, il existe deux technologies possédant chacune un certain nombre d’avantages et d’inconvénients. Il s’agit d’une part du Stockage Géothermique Souterrain par Puits de Forage (Borehole Thermal Energy Storage ou BTES) et, d’autre part, du Stockage d’Énergie Thermique en Aquifère ou SETA (Aquifer Thermal Energy Storage ou ATES). Les systèmes BTES fonctionnent au moyen d’échangeurs de chaleur soit verticaux, soit horizontaux.
Un système ATES est dit ouvert, c’est-à-dire qu’il puise l’eau dans les nappes souterraines profondes. Après utilisation, l’eau est réinjectée dans le sol ou dans l’égout.
Un système BTES en revanche est dit fermé, c’est-à-dire qu’il récupère l’énergie du sous-sol via un échangeur de chaleur (sonde géothermique) placé dans un forage à faible profondeur.
Stockage d’Énergie Thermique en Aquifère (SETA)
En théorie, il s’agit de la technologie géothermique présentant la plus grande efficacité énergétique car elle puise l’eau dans des nappes aquifères très profondes, dont la température est extrêmement élevée (jusqu’à 100 ° C). L’inconvénient de ce système est qu’il nécessite des forages en profondeur, ce qui sous-entend des coûts d’investissement particulièrement élevés, sans garantie de résultat. Si on ne trouve pas de nappe aquifère exploitable ou que le débit est insuffisant, l’investissement demeurera sans effet.
On est en outre en droit de s’interroger quant au caractère durable de cette technologie. Le captage des eaux souterraines est en effet susceptible d’impacter les nappes phréatiques. Or cet impact est probablement sous-estimé. S’agissant des systèmes dans lesquels l’eau captée est rejetée dans l’aquifère après utilisation, il ne fait aucun doute que l’impact environnemental est important. Cependant, lorsque l’eau pompée est rejetée à un endroit ne permettant pas une recharge directe de l’aquifère exploité, l’impact sur l’environnement n’est pas toujours évident.
Stockage géothermique souterrain par puits de forage (BTES)
Nous nous trouvons ici en présence d’une méthode plus fiable et, par conséquent, plus populaire. Il s’agit d’un système dans lequel un fluide caloporteur circule sous pression, en circuit fermé, dans un réseau de tubes installés dans le sol. On distingue deux types de systèmes BTES : vertical et horizontal. Dans un système vertical, les tubes sont acheminés dans le sol jusqu’à une profondeur pouvant atteindre 100 mètres. Dans un échangeur de chaleur horizontal, les tubes sont enfouis à une profondeur d’environ 2 mètres et occupent une surface importante.
Il va de soi que la température d’un système horizontal est moins tributaire des influences climatiques telles que la température environnante, la pluie et la sécheresse. La température obtenue dans un système vertical est extrêmement stable et oscille autour des 10 °C, ce qui permet aux pompes à chaleur de fournir en hiver un rendement nettement meilleur que lorsque l’on cherche à puiser la chaleur dans l’air froid environnant. Cerise sur le gâteau : en été, l’installation peut être utilisée pour rafraîchir les bâtiments.
Savoir-faire et expertise
Pour chauffer le siège de Courtrai, Van Marcke a recours à l’un des champs BTES les plus vastes du Benelux. Le système comprend 34 kilomètres de sondes géothermiques et 519 puits de forage descendant jusqu’à 66 mètres de profondeur. Ce réseau procure une température quasi constante de 10 °C, qui permet aux pompes à chaleur utilisées pour le chauffage et le refroidissement de fournir un rendement particulièrement élevé (un COP de l’ordre de 5, voire même de 5,5).
En plus d’être une solution durable, le champ BTES a permis à Van Marcke d’acquérir et de développer une expertise et un savoir-faire dans ce type de systèmes. Un projet en cours, réunissant des futurs diplômés travaillant à leur thèse de fin d’études, a pour objectif de déterminer comment améliorer encore le rendement de l’installation. En l’occurrence, l’une des principales pierres d’achoppement est que le pompage du liquide circulant dans les sondes consomme énormément d’énergie, a fortiori lorsque la demande de chaleur est limitée. Le projet en question vise notamment à examiner les solutions permettant de réduire cette consommation.
Simulations
Les bureaux d’étude et les architectes peuvent compter sur Van Marcke Engineering pour les aider à déterminer l’opportunité (ou pas) d’utiliser la chaleur contenue dans le sol pour chauffer et refroidir les bâtiments et chauffer l’eau sanitaire. Selon les besoins en chauffage d’un projet, une simulation permet d’anticiper les performances de l’installation et de prévoir l’impact d’un certain nombre de choix spécifiques sur le rendement. Il est en outre tenu compte du coût d’investissement, ainsi que de la complexité technique de diverses solutions possibles.
Dans les immeubles à appartements, il convient de faire un choix entre système individuel et collectif. En matière de systèmes de chauffage individuels, l’option d’une pompe à chaleur air/eau semble aller de soi. En revanche, en matière de systèmes collectifs, le recours à des sources de chaleur alternatives devrait permettre d’obtenir un gain de rendement substantiel. Moyennant un dimensionnement adéquat, le temps de retour sur investissement d’un système BTES combiné à une pompe à chaleur eau-eau est relativement rapide.
