L’énergie du sous-sol

L’énergie du sous-sol.

La présence d’eau dans notre sous-sol favorise les échanges thermiques.

L'aquathermie de surface comme la géothermie profonde utilise l'eau comme véhicule thermique mais les différences entre ces deux techniques sont importantes.

Les aquifères profonds sont captifs ou en d'autre termes fermés ce qui revient à dire qu'ils ne sont pas aussi facilement réapprovisionnés en eau que les nappes libres superficielles pratiquement inépuisables compte tenu de la proximité de la rivière. Dans le cas de l'aquathermie superficielle la pompe à chaleur utilise une propriété particulière des fluides caloporteurs lorsqu'ils passent de l'état gazeux à l'état liquide en générant de la chaleur lors du changement d'état: l'enthalpie . Ce n'est pas le cas de la géothermie profonde ou les transferts thermiques se font directement dans des échangeurs à contre courant. Bien que dans les deux cas les transferts thermiques se fassent par l'eau, il y a donc une différence très importante entre la géothermie profonde et l'aquathermie superficielle. Contrairement à la géothermie profonde qui rejette l'eau servant de véhicule thermique à une température plus chaude que la température naturelle de la nappe phréatique, celle-ci est rejetée plus froide dans le cas de l'aquathermie superficielle ce qui augmente la teneur en oxygène dans l'eau, diminue l'activité microbienne. et protège l'écosystème constitué par la rivière et son sous-sol

Lorsque le forage se rapproche de la rivière celle-ci peut participer à
l'alimentation en eau de la pompe aquathermique

Un autre avantage de l'aquathermie superficielle est le fait que la pesanteur régit la circulation d’eau terrestre des écoulements superficiels (ruissellement et rivières) et souterraines (infiltrations, nappes libres) ce qui peut être une garantie de pérennité du débit si la rivière est toujours en eau. On ne réalise pas assez que le sous-sol alluvionnaire à proximité de nos rivières et de nos canaux favorise généralement ces écoulements. De plus, la nappe phréatique à proximité des rivières est souvent à faible profondeur ce qui rend son exploitation plus facile. Le BRGM* s'intéresse d'ailleurs de plus en plus aux nappes d'eau souterraines contenues dans notre sous-sol
Des progrès récents permettent maintenant d’utiliser l’eau contenu en dessous de la nappe phréatique pour chauffer une maison ou un immeuble.
Cette eau est pourtant à une température de l'ordre de 10 à 12 °C inférieure à la température souhaitée en hiver à l’intérieur de l’habitation (environ 18 à 20°C) et l'on peut légitimement se demander comment peuvent se faire les transferts thermiques permettant de chauffer une habitation dans ces conditions.

Dans les grandes plaines alluviales les écoulements souterrains des nappes libres s'effectuent sous l'action de la gravité en suivant sensiblement le cours d'eau principal, le fleuve pouvant alimenter la nappe ou inversement la nappe le fleuve suivant le niveau de la courbe piézométrique par rapport au niveau du fleuve (Source BRGM)

Les récents progrès permettent donc maintenant d’utiliser des sources "fraîches" pour se chauffer en utilisant des pompes à chaleur²⁾ Les propriétés enthalpiques des fluides caloporteurs modernes ont été soigneusement étudiées de telle sorte qu’ils puissent assurer des transferts thermiques importants et restituer leur chaleur au circuit d'eau du chauffage central après avoir été comprimé mécaniquement. Ces fluides ont considérablement évolués depuis les locomotives qui utilisaient de l'eau comme fluide caloporteur et la Machine de Carnot ou depuis le fréon qui était utilisé à l’origine pour les pompes à chaleur 1ère génération.
Comme les miracles n’existent pas il faut entraîner le compresseur avec un moteur électrique pour comprimer le fluide caloporteur. L’énergie électrique payante nécessaire à leur fonctionnement ne représente que 20 à 30% de l’énergie thermique gratuite restituée pour le chauffage. (1KWh électrique consommé par la pompe restitue en moyenne 3 à 5 kWh thermique pour le chauffage de l’habitation, le rendement étant amélioré lorsque la température de l'eau pompée augmente ou lorsque la température du circuit de chauffage diminue avec l'utilisation de radiateurs à grande surface de chauffe ou des planchers chauffants basse température)

Ces pompes à chaleur peuvent être utilisées pour le chauffage des maisons individuelles ou des collectivités (immeubles, écoles, mairies etc..)

La revalorisation de l'aquathermie basse profondeur en France est en cours. L'encouragement de la Région sous forme d'aides financières importantes qui valorisaient la mise en œuvre de ces énergies de surface dès la conception du bien ou pour les constructions anciennes lorsque les conditions sont favorables est en passe d'être remplacé par des prêts important à long terme et à taux zéro. Le risque pris par le maître d'ouvrage lorsqu’il lance le forage sans avoir la certitude qu'il sera fructueux est un frein moins important qu'il ne l'était. (Le fond de garantie géothermie, alimenté en partie par les pouvoirs publics, qui prémunissant le Maître d'œuvre contre les forages infructueux avait été supprimé en 1995).

Une amélioration par l'Etat de la formation des professionnels mettant en œuvre ces énergies de surface reste cependant à faire. Le fonctionnement d’une pompe à chaleur nécessite en effet de combiner les compétences de plombier, de thermicien, d'électricien, d'électronicien et récemment d'informaticien (domotique). Peu de professionnels sont suffisamment qualifiés pour couvrir simultanément ces 4 techniques. Pour tirer profit d'un chauffage par pompe aquathermique dans le cas d'un immeuble il convient de se plier à certaines règles qui ne sont heureusement pas contraignantes pour l'utilisateur.

L’énergie géothermique profonde

Chacun sait que le centre de la terre est constitué de roches en fusion. Ceci explique d’ailleurs pourquoi il fait si chaud au fond des puits de mines qui sont pourtant encore bien loin de la roche en fusion. Il faut dire que ces puits sont parfois très profonds parce ce que l’élévation de température en fonction de la profondeur n’est pas très importante (environ 3 à 4°C par 100m) L’homme a toujours chercher à récupérer cette chaleur. Cette récupération a souvent été facilitée par l’eau qui stagne dans les couches profondes de notre sol et qui se rapproche parfois de la surface. Certaines zones sont plus chaudes que d’autres, particulièrement les zones volcaniques. L’Islande par exemple est bien connue pour ses nombreux geysers. Cependant il arrive que des veines d’eau chaude circulent dans des régions de terrains sédimentaires comme le Jura ou même le bassin parisien¹⁾. Depuis longtemps on a réussi à récupérer cette chaleur en pompant celle-ci et faisant passer directement dans un échangeur de chaleur de l'eau froide à contre-courant de l’eau chaude pompée .

De nombreuses piscines à l’air libre sont chauffées ainsi en Islande par ce procédé très bon marché. Cela se fait actuellement dans le Jura et dans le massif central.

Ainsi la région Ile-de-France, de par la combinaison de sa densité à une importante ressource d’eau chaude dans son sous-sol, semble la plus à même d’investir dans la géothermie. Selon les propos de Guy Simenot, délégué régional de l’Ademe, « l’Ile-de-France est la terre de la géothermie ». Le conseil régional y consacrera donc, avec l'Ademe, environ 22 millions d'euros sur la période 2008-2013 répartis sur douze opérations, à savoir six réhabilitations et six nouveaux chantiers qui permettront de raccorder au minimum l'équivalent de 30 000 nouveaux logements.

Les responsables du BRGM attirent l’attention sur le fait que la France recèle dans son sous-sol un véritable « trésor énergétique » dont une infime partie est aujourd'hui exploitée. Ils précisent que le bassin aquitain et l’Ile-de-France recèle par exemple des bassins sédimentaires aquifères ayant des ressources d'eau chaude. C’est certainement sur leur conseils et recommandations qu’après les deux chocs pétroliers de 1973 et 1979, l'Etat a incité les collectivités territoriales à se lancer dans des opérations de géothermie. Quelques municipalités notamment en Ile-de-France ont été maîtresses d'ouvrage d’une cinquantaine d’opérations. La baisse du prix des énergies fossiles ainsi que les difficultés techniques rencontrées en raison de la corrosion des tubes métalliques ont affecté le développement de ces procédés mais malgré ces difficultés, la plupart des puits géothermiques construits à cette époque sont encore en exploitation.

Toutes ces premières réalisations ont cependant nécessité des forages profonds et coûteux. Ce procédé malheureusement pas assez connu est maintenant utilisé par certaines municipalités dynamiques pour assurer le chauffage domestique de groupes d'immeubles collectifs avec une énergie gratuite au départ pour un coût d'exploitation très réduit par rapport à celui de l'énergie produite à partir de combustible fossile. En forant à très grande profondeur (environ -5000m) la température de l'eau est suffisamment élevée pour faire tourner une turbine à gaz et produire de l'électricité. La France est leader mondial dans ce domaine avec la centrale de Soultz-sous-Forets en Alsace

* Bureau de recherche géologique et minière

** Ministère de l'écologie du développement et de l'aménagement durable