Tout sur les sondes géothermiques verticales

01.03.2016 | 1
Tout sur les sondes
géothermiques
verticales
Les sondes géothermiques verticales
(SGV) font partie de la géothermie de faible
profondeur. Une sonde géothermique verticale est un tube en forme de U enfoncé
dans un forage destiné à utiliser la chaleur
de la Terre jusqu’à 500 m de profondeur.
Utilisation: chauffer et/ou rafraîchir
Individuellement, les sondes géothermiques sont
surtout utilisées pour des maisons individuelles,
que ce soit à des fins de chauffage, de rafraîchissement ou encore de stockage saisonnier (p. ex.
chaleur produite par des installations solaires thermiques). Pour le rafraîchissement, il ne faut pas excéder une profondeur d’environ 200 m, car au-delà,
le sous-sol est trop chaud pour absorber la chaleur
résiduelle des locaux. En été, la chaleur excédentaire de bâtiments est injectée dans le sous-sol, où
elle est stockée de manière temporaire. En hiver,
cette chaleur peut de nouveau être utilisée à des
fins de chauffage.
Diffusion et potentiel de la technologie: la Suisse
en tête
En Suisse, les sondes géothermiques verticales
représentent l’utisation de la chaleur de la Terre la
plus courante. À ce jour, il existe déjà plus de
90’000 sondes de ce type dans notre pays. Au plan
mondial, la Suisse se classe parmi les premiers:
Pays
ProductionProduction
(MWh/an)
(MWh) par habitant
Islande 7‘422‘00022.79
Suède14‘423‘380 1.40
Finlande5‘000‘400 0.91
Nouvelle-Zélande2‘394‘910
0.53
Norvège2‘294‘630 0.45
Suisse3‘288‘2600.41
Source: GEOTHERMIE.CH, sur la base des données de Lund, John
W. / Boyd, Tonya L.: Direct Utilization of Geothermal Energy 2015
Worldwide Review. Proceedings World Geothermal Congress 2015.
Melbourne, Australie, 19 – 25 April 2015, et Geothermics (en préparation)
Par principe, le potentiel d’utilisation existe partout.
Toutefois, il peut être limité si les eaux souterraines
servent de réserves d’eau potable, et en raison de
propriétés particulières du sous-sol (karst, gypse,
anhydrite, gaz naturel, artésianisme de l’aquifère,
etc.).
Principe de fonctionnement: en circuit fermé
En règle générale, des sondes géothermiques normales sont introduites dans des forages verticaux
allant jusqu’à 250 m de profondeur au maximum.
Entre 250 m et environ 500 m, on utilise des
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sondes géothermiques plus résistantes à la pression. Un fluide composé d’eau et d’antigel circule
dans le tube en forme de U. Ce fluide sert à capter
la chaleur du sous-sol et à l’acheminer vers la surface au moyen d’un échangeur de chaleur et d’une
pompe à chaleur jusqu’à un système de chauffage.
Le fluide refroidi est réinjecté dans le sous-sol, où
il peut de nouveau capter la chaleur de la Terre.
À 250 m de profondeur, la chaleur moyenne atteint
environ 14-16 °C. En été, cette température peut
être utilisée pour rafraîchir des locaux d’habitation,
sans avoir recours à une pompe à chaleur (free
cooling).
Écologie: jusqu’à 80% d’émissions de CO2 en
moins
La géothermie est une façon extrêmement écologique de produire de l’eau chaude, de chauffer ou
rafraîchir des habitations. À titre d’exemple, pour
obtenir la température de locaux souhaitée à l’aide
d’une sonde géothermique verticale, il faut, en règle
générale, 75% de chaleur de la Terre et 25% d’électricité pour la pompe à chaleur. La part géothermique est entièrement renouvelable. Pour les 25%,
le bilan écologique d’une installation de géothermie
est déterminé par l’origine du courant électrique utilisé. Ce bilan est aggravé lorsque l’électricité est
produite par des centrales à charbon, alors qu’il
est optimisé lorsque celle-ci est issue de sources
d’énergie renouvelables (eau, soleil, vent, biomasse).
L’utilisation d’une sonde géothermique verticale
permet d’éviter beaucoup d’émissions de CO2.
Cette économie dépend de la performance («coefficient de performance») de la pompe à chaleur et
de l’origine du courant électrique. La géothermie en
elle-même est pour ainsi dire exempte de CO2. Des
émissions de CO2 ne proviennent que de la fabrication du matériel et du forage.
Par rapport à des chaudières au mazout modernes,
les pompes à chaleur permettent d’économiser
jusqu’à 80% d’émissions de CO2. Ces chiffres ont
été estimés dans une étude sur le mix énergétique
bavarois et peuvent être reportés presque tels
quels au niveau suisse. Par exemple, si les émissions de CO2 atteignent 2’800 kg d’équivalent CO2
par kilowattheure lors de la production de chaleur à
l’aide d’une chaudière au mazout, celles-ci peuvent
être réduites jusqu’à 560 kg avec une installation
de pompe à chaleur. Par conséquent, une pompe à
chaleur permet, en moyenne, d’économiser chaque
année 2 tonnes d’équivalent CO2.
Du fait de l’extraction de chaleur, le sous-sol se refroidit légèrement. Après quelques années, un équilibre presque constant s’établit à un niveau de température plus bas. L’importance de ce refroidissement dépend de la profondeur atteinte par la
sonde géothermique, et peut donc être prédéterminée. Pour prévenir un refroidissement du sous-sol,
des sondes géothermiques verticales ne doivent
pas être placées trop près les unes des autres. De
plus, en été, de la chaleur excédentaire des locaux
ou de la chaleur produite par des installations solaires thermiques peut être stockée de manière
temporaire dans le sol et ainsi recharger le terrain
en chaleur.
La priorité absolue est accordée à la protection des
eaux souterraines en tant que réserves d’eau potable. Une pollution des eaux souterraines ne peut
être exclue si les forages ne sont pas réalisés dans
les règles de l‘art, et de ce fait, des sondes géothermiques verticales sont interdites dans de telles
zones (cf. «Autorisation»).
Mesures d’encouragement: se renseigner avant
tout
Aucun subside fédéral ne peut être attendu pour la
construction d’une installation géothermique de
faible profondeur. En revanche, certains cantons et
communes encouragent de telles installations. La
plupart du temps, il existe une aide financière pour
la pompe à chaleur. Il convient de se renseigner auprès d’un service de conseils en énergie ou de
consulter les sites Internet correspondants:
• Services cantonaux de l’énergie et services d’information en matière d’énergie: http://www.bfe.
admin.ch/dossiers/00677/index.html?lang=de
• Office fédéral de l’énergie: http://www.bfe.
admin.ch/dienstleistungen/05822/index.
html?lang=fr
• Énergie Suisse: http://www.suisseenergie.ch/
fr-ch/energies-renouvelables/financement-subventions.aspx
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Économie: faibles coûts d‘exploitation
C’est la profondeur du forage qui détermine les
coûts. Dans des zones géologiques exigeantes, on
peut s’attendre à un surplus de coûts dû à des
mesures techniques supplémentaire ou des expertises géologiques. Dans un cas normal, il faut
compter de 60 fr. à 90 fr. par mètre de perforation
et de sonde. En dehors du forage, il faut aussi
prendre en compte les frais occasionnés par la
pompe à chaleur et les raccordements en surface.
Coûts d‘investissement: exemple de coûts d’une
sonde géothermique verticale pour une nouvelle
maison individuelle sur le Plateau suisse, y compris
la production d’eau chaude:
Caractéristiques techniques
Surface habitable à chauffer
160 m2
Puissance calorifique, y
c. production d’eau chaude
5 kW (100 %)
Puissance de la sonde géothermique 3,9 kW (78 %)
Puissance de la pompe à chaleur
1,1 kW (22 %)
Profondeur du forage
100 m
Coûts d‘investissement (CHF)
Forage et sonde géothermique
~ 12‘000 CHF
Pompe à chaleur
~ 10‘000 CHF
Installation, matériel, système de
régulation et production d’eau chaude ~ 7‘000 CHF
Total
~ 29‘000 CHF
Coûts d‘exploitation: ils sont déterminés par la pompe à chaleur et
sa consommation d‘électricité.
En règle générale, les coûts d’investissement
sont plus élevés qu’avec un chauffage au gaz ou
au mazout, mais les coûts d’exploitation sont
moindres. Par conséquent, à moyen terme, une
installation géothermique est plus rentable.
Chaque installation est toutefois différente. Lors
de l’estimation des coûts d’investissement et d’exploitation, il faut donc prendre en compte ce qui
sert de référence énergétique et sur quoi reposent
les exigences en matière de chaleur et d’eau
chaude.
Planification et installation: exécution dans les
règles de l‘art
L’installateur en chauffage ou le planificateur détermine la profondeur requise en fonction du besoin
de chaleur et du sous-sol. La profondeur correcte
est fondamentale pour garantir un fonctionnement
irréprochable. La profondeur devrait être fixée selon les normes de la Société suisse des ingénieurs
et des architectes (SIA). Étant donné que la profondeur du forage doit être connue lors du dépôt de la
demande d’autorisation (cf. ci-après), la planification de l’installation doit avoir lieu au préalable. Si le
sous-sol est peu connu, il faut faire appel à un géologue ou à un hydrogéologue.
Le forage nécessaire à l’installation peut aller de 50
m à 500 m de profondeur, et le diamètre du forage
peut atteindre 160 mm. Après l’introduction des
tubes, l’espace entre les tubes et la terre est rempli
intégralement de bas en haut d’un mélange de bentonite-ciment (argile naturelle). Seule une exécution
dans les règles de l’art peut garantir un bon contact
thermique entre la sonde géothermique et le soussol. Des entreprises spécialisées exécutent ces travaux selon des critères de qualité définis. Le
Groupement professionnel suisse pour les pompes
à chaleur (GSP) certifie ainsi des entreprises satisfaisant aux exigences requises. Pour avoir un aperçu des entreprises certifiées en Suisse, consulter le
site Internet http://www.fws.ch/adressportal.html
Jusqu’à présent, il n’existait que des certificats
pour les pompes à chaleur, mais pas pour l’interaction efficace de tous les composants et une installation correcte. Le nouveau certificat «PAC système-module» tient compte de cette interaction optimale. Pour de plus amples informations, consulter le site PAC Système-module sous http://www.
wp-systemmodul.ch/de-ch/page/WaermepumpenSystem-Modul-Heizung-Energieeffizienz-4
Procédure d’octroi d’une autorisation: des différences selon les cantons
En premier lieu, l’admissibilité de sondes géothermiques dépend des zones de protection des eaux
souterraines appropriées servant de réserves d’eau
potable. Dans certaines régions, par exemple en
bordure nord de la Suisse, certaines couches rocheuses telles qu’anhydrite, gypse, karst, réservoirs
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de gaz naturel ou artésianisme des nappes aquifères
(eau qui jaillit avec pression en surface), peuvent restreindre l’utilisation.
En règle générale, des sondes géothermiques verticales
sont autorisées si les eaux souterraines ne sont pas
touchées, et si les conditions géologiques le permettent. Des cartes cantonales montrent où de telles
sondes sont possibles, et à quelles conditions. Presque
tous les cantons en disposent. Si un forage n’est pas
autorisé, il faut examiner d’autres systèmes (p. ex. corbeilles géothermiques, capteurs horizonatux, sondes
géothermiques par processus de forage radial aussi
appelé procédé GRD).
Avant de procéder à un forage, il faut demander une autorisation. La procédure d’octroi d’une autorisation est
différente selon les cantons. Les procédures cantonales s’appuient sur l’aide à l’exécution «Exploitation de
la chaleur tirée du sol et du sous-sol» publiée par l’Office fédéral de l’environnement (OFEV) destinée aux autorités d’exécution et aux spécialistes de géothermie. Il
faut disposer, au minimum, d’une autorisation de forage communale et d’une autorisation cantonale. Si
d’autres documents sont requis, ils doivent être joints à
la demande.
Étant donné que les procédures d’octroi d’autorisations,
les critères d’admissibilité et d’autres documents (expertises, etc.) varient d’un canton à l’autre, il est recommandé de s’informer en consultant le site Internet du
canton concerné. La plupart du temps, les cantons
fournissent les informations requises sur les procédures sur la page «Environnement» de leur site Internet.
Beaucoup de cantons ont d’ailleurs établi des directives
pour la procédure d’octroi des autorisations et/ou des
notices d’information.
Sondes géothermiques verticales aussi possibles en
cas de rénovation
Lors de rénovations de bâtiments, il vaut la peine d’examiner le recours possible à des sondes géothermiques
verticales. Même si elles ont été développées initialement pour des chauffages à basse température (chauffage au sol), il existe aujourd’hui des pompes à chaleur
produisant des températures de 50 à 60°C. Au moyen
de radiateurs, elles permettent de chauffer des maisons
rénovées équipées avec un degré de rendement
élevé. Pour réduire le besoin énergétique total d’un
bâtiment, et dimensionner exactement la sonde
géothermique et la pompe à chaleur, un assainissement énergétique (partiel) du bâtiment est indiqué.
Ce n’est que lorsque tous les assainissements énergétiques ont été réalisés qu’un nouveau chauffage
peut être conçu en fonction du nouveau besoin en
chaleur réduit. Pour une maison devant être rénovée, il est économiquement défendable d’installer
une sonde géothermique verticale après une évaluation préalable du bilan énergétique du bâtiment.
Avantages
• Énergie renouvelable.
• Chauffage et/ou rafraîchissement au moyen de
la même sonde et de la même installation.
• Peu d’encombrement en surface.
• Brève durée de forage (1 à 2 jours).
• Aucune visibilité en surface, car la sonde géothermique est enfouie dans le sous-sol.
• Place libérée du fait de l’absence d’un chauffage au mazout ou au gaz.
• Plus de cheminée requise.
• Fiabilité élevée et longue durée de vie.
• Degré de rendement élevé du fait que le soussol est chaud toute l‘année. Plus les sources de
chaleur sont élevées et plus la température
d’utilisation est basse (côté chauffage), plus le
degré de rendement est meilleur. C’est la raison
pour laquelle des sondes géothermiques verticales sont plus efficaces en moyenne annuelle
que des capteurs horizontaux ou des corbeilles
géothermiques. L’avantage est particulièrement
grand par rapport à des pompes à chaleur air/
eau, étant donné qu’en hiver, l’air extérieur est
froid et que la pompe à chaleur doit être d’autant plus efficace.
• Rentabilité à moyen terme, du fait que les coûts
d’investissement sont normalement amortis
après quelques années. Les tarifs de l’électricité influencent la durée d’amortissement.
• Pratiquement aucune émission de CO2 et de
particules fines.
Inconvénients
• Pas utilisable partout en raison de la protection
des eaux souterraines et des conditions particulières géologiques locales (anhydrite et gypse)
• Refroidissement indésirable du sous-sol lorsque
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•
•
•
des sondes géothermiques verticales sont placées
trop près les unes des autres.
Coûts d’investissement plus élevés que pour des
chauffages au mazout ou au gaz, par exemple.
Une installation non exécutée dans les règles de
l’art peut engendrer une exploitation inefficace ou
des pannes.
Surplus de coûts éventuel dû au manque de qualification du personnel en charge du forage et d’équipements techniques suffisants.