La Géothermie à basse température

Pompes à chaleur géothermiques

Les pompes à chaleur transfèrent la chaleur d’un endroit à un autre en utilisant l’électricité. Les climatiseurs et les réfrigérateurs sont deux exemples courants de pompes à chaleur. Les températures naturelles du sous-sol peuvent être exploitées avec la technologie des pompes à chaleur pour chauffer et refroidir les bâtiments. Les températures à environ 9 mètres sous la surface restent relativement constantes tout au long de l’année, entre environ 10 °C (50 °F) et 15 °C (59 °F). Pour la plupart des régions des États-Unis, cela signifie que les températures du sol sont généralement plus élevée que l’air en hiver et plus basse que l’air en été.¹

Les pompes à chaleur géothermiques (PACG), également connues sous le nom de pompes à chaleur sol-eau, tirent parti de ces températures souterraines constantes pour échanger efficacement la chaleur, chauffant les maisons en hiver et les rafraîchissant en été. Les PACG échangent de la chaleur avec le sous-sol, souvent par le biais d’un forage vertical peu profond, comme le montre cette animation. Une PACG fournit du chauffage pendant la saison froide et du refroidissement pendant la saison chaude. Le système ne brûle pas de combustible pour produire de la chaleur, mais transfère plutôt la chaleur du sous-sol vers l’espace en surface. Ainsi, les PACG sont très efficaces.²

Composants d’un système de pompe à chaleur géothermique

Un système de pompe à chaleur géothermique comprend trois composants, comme décrit ci-dessous :³

Un collecteur de chaleur souterrain : une pompe à chaleur géothermique utilise la Terre comme source de chaleur et puits (stockage thermique), en utilisant une série de tuyaux connectés enfouis dans le sol près d’un bâtiment. La boucle peut être installée verticalement ou horizontalement. Elle fait circuler un fluide qui absorbe ou cède de la chaleur au le sol environnant, selon que l’air ambiant (extérieur) est plus froid ou plus chaud que le sol.
Une pompe à chaleur : lorsque les températures ambiantes sont plus froides que le sol, une pompe à chaleur géothermique retire la chaleur des fluides du collecteur, la concentre et la transfère au bâtiment. Lorsque les températures ambiantes sont plus chaudes que le sol, la pompe à chaleur retire la chaleur du bâtiment et la transfère vers le sol.
Un sous-système de distribution de chaleur : un réseau de conduits conventionnel est généralement utilisé pour distribuer l’air chauffé ou refroidi par la pompe à chaleur géothermique dans tout le bâtiment.

Dans quelle direction la chaleur se déplace-t-elle en hiver, par exemple à New York, dans une pompe à chaleur géothermique ?

De la surface vers le sous-sol

Faux

Du sous-sol vers la surface

Vrai

Collecteurs de chaleur

Les pompes à chaleur géothermiques utilisent la température relativement constante du sol peu profond comme stockage thermique, ce qui permet un chauffage et un refroidissement efficaces. Les systèmes peuvent varier selon le type de collecteur et les connexions utilisés.⁴ Voici quelques exemples d’échangeurs de chaleur utilisés pour les pompes à chaleur géothermiques illustrés dans le diagramme ci-dessous :

Les PACG ne nécessitent pas de fracturation et leur profondeur varie généralement de 3 à 90 mètres (10 à 300 pieds),⁷ bien qu’elles puissent être plus profondes dans certains cas. Les systèmes en boucle fermée illustrés dans la figure ci-dessus utilisent des liquides pour déplacer la chaleur. Les boucles serpentines illustrées dans les deux exemples les moins profonds favorisent un fort échange thermique avec les sols environnants. ⁸ Une photographie de ces serpentins de pompe à chaleur montre comment ils maximisent le contact avec les températures du sous-sol.⁹

En été, les PACG transfèrent la chaleur de la surface vers le sous-sol pour la refroidir. En hiver, les PACG transfèrent la chaleur du sous-sol vers la surface pour chauffer les bâtiments. Cela est possible grâce à la température constante du sol entre 2 et 100 mètres de profondeur. Les scientifiques mesurent indirectement la température du sol à partir de la température des eaux souterraines et peuvent représenter ces informations sous forme de carte, comme illustré ci-dessous.

Quelle température des eaux souterraines n'est PAS observée au Texas ?

13,9 °C

Vrai

16,7 °C

Faux

19,7 °C

Faux

22,2 °C

Faux

Potentiel des pompes à chaleur géothermiques

Les pompes à chaleur géothermiques sont déjà en service dans de nombreux endroits aux États-Unis, ainsi qu’à l’échelle mondiale. Avec l’intérêt accru pour l’utilisation directe de la géothermie, le Laboratoire national américain des énergies renouvelables (NREL) s’associe à des entreprises énergétiques pour développer des systèmes de chauffage urbain dans certaines villes. Les chercheurs s’attaquent aux problèmes géotechniques, économiques et logistiques afin de comprendre les opportunités et les défis liés à l’utilisation de l’énergie géothermique.

Austin, au Texas, compte environ 21 000 forages verticaux de pompes à chaleur géothermiques, probablement la plus grande concentration de ce type dans tout le pays.
Steve Kavanaugh¹¹

Un exemple de système de chauffage urbain est illustré à partir des travaux du NREL ci-dessous. Dans cet exemple, pour les systèmes de chauffage et de refroidissement à l’échelle communautaire, des forages géothermiques d’une profondeur potentielle de 10 à 500 pieds sont réalisés. Les forages fournissent aux bâtiments interconnectés (quartiers) des températures constantes qui sont utilisées à la fois pour chauffer et refroidir les bâtiments via des pompes à chaleur. Le quartier utilise des tuyaux pour que l’eau puisse circuler entre les bâtiments. En été, une station d’énergie pompe de l’eau froide à travers des tuyaux vers les bâtiments du système. En hiver, de l’eau chaude est pompée à travers les tuyaux tandis que l’eau froide retourne à la station d’énergie pour être réchauffée.¹²

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Source d’image :

PACG géothermique en hiver et en été: U.S. Dept. of Energy, EERE
Types de collecteurs de chaleur souterrains: U.S. Dept of Energy, EERE
Serpentins géothermiques Boucles serpentines FOGIT: Kody Nelson, L'avenir de la géothermie au Texas
À toute vapeur: Marjorie Schott, NREL