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Géothermie L’utilisation de la chaleur terrestre

L’utilisation de la chaleur terrestre Aperçu, technologies, visions



Sommaire

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Vers la diversification Préface de Michael Kaufmann Directeur suppléant de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) et Chef du programme SuisseEnergie

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Géothermie Les potentialités de la chaleur terrestre La chaleur terrestre, source d’énergie durable et indépendante du climat, de la saison et du moment de la journée.

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Sondes géothermiques Chauffer et refroidir à l’aide de la chaleur du terrain Les champs de sondes permettent d’utiliser le terrain aussi bien pour chauffer que pour refroidir.

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Géostructures Le corps du bâtiment en contact avec le terrain Pieux de fondation et murs de soutènement peuvent faire office d’échangeurs de chaleur.

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Eaux souterraines Un flux énergétique constant De par leur capacité thermique élevée, les eaux sou­- terraines sont intéressantes aussi pour les systèmes de chauffage.

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Eaux souterraines profondes Exploiter les eaux thermales en surface L’exploitation des eaux thermales est très ancienne.

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Eau chaude des tunnels Tirer parti de l’énergie aux portails des tunnels En Suisse, on utilise depuis des années la chaleur issue des tunnels routiers et ferroviaires.

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Géothermie grande profondeur Extraire la chaleur de la roche cristalline A plusieurs kilomètres de profondeur règnent des températures qu’il est possible d’exploiter en vue de produire de l’électricité et de la chaleur.

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Recherche et développement Jeter les bases d’une utilisation optimale Les travaux de recherche sont une condition essentielle à la réussite d’un projet d’utilisation de l’énergie – y compris dans le cas de la géothermie.

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La géothermie dans le monde Des avantages qui suscitent un regain d’intérêt En fonction des conditions géologiques locales, les instal- lations géothermiques en fonctionnement aujourd’hui diffèrent d’un site à l’autre.

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Perspectives d’avenir Un approvisionnement durable en énergie La géothermie joue un rôle de premier plan dans les perspectives énergétiques du futur.

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Adresses, informations

Photo de couverture L‘utilisation de la géothermie s’est développée de façon progres­ sive – de la surface terrestre à des profondeurs toujours plus im­ portantes : pour le chauffage et le refroidissement de bâtiments, le réseau de chauffage à distance et pour la production d’élec­ tricité. (Geopower-Basel SA ; D4 ; CREGE)

Vers la diversification

Nous continuons de vivre dans un monde fossile. Plus de 80 % de notre consommation énergétique totale reposent sur le pétrole et le gaz naturel. Le dioxyde de carbone (CO2) et d’autres gaz à effet de serre sont à l’origine d’un changement climatique et les nuisances liées aux poussières et aux particules fines ont des conséquences négatives sur la santé. De même, nos dépendances pèsent lourd dans la balance, en raison de la situation géographique des réserves d’énergie fossiles. Dans ce contexte, les conflits internationaux constituent une menace sérieuse pour l’approvisionnement énergétique. La chaleur terrestre est omniprésente Alors que les réserves des sources d’énergie fossiles terrestres en voie d‘épuisement accaparent l’attention de tous, on commence tout juste à s’intéresser à une forme d’énergie durable et exempte d’émissions polluantes qui se trouve juste à côté : la chaleur terrestre. Elle présente un potentiel considérable et se trouve être l’une de nos sources d’énergie les plus prometteuses! Elle suscite un intérêt croissant dans le cadre de la stratégie qui prévoit la mise en œuvre de sources d’énergie diversifiées et renouvelables. Une grande partie des besoins énergétiques découle du chauffage et du refroidissement des bâtiments. L’évolution actuelle est marquée par deux tendances : d’une part, les grands progrès réalisés dans les techniques d’isolation des enveloppes de bâtiment contribuent à réduire la consommation de chaleur et, d’autre part, l’augmentation de la superficie d’habitation, le nombre grandissant d’appareils et de commandes électriques, l’utilisation toujours plus fréquente de pompes à chaleur, etc. entraînent des besoins accrus en électricité. Géothermie : chaleur, électricité et énergie en ruban Les énergies renouvelables ont le vent en poupe. Parmi cellesci, l’énergie géothermique revêt une importance particulière, car elle est toujours à disposition et ne dépend ni du vent, ni du temps, ni encore du rayonnement solaire. La géothermie permet de chauffer aussi bien de petites maisons individuelles que de grands complexes de bureaux, ou encore d’utiliser le terrain situé sous un bâtiment comme source de froid.

La géothermie profonde, actuellement en phase d’introduction en Suisse sous le nom de « Deep Heat Mining », gagne aussi en importance: la construction du premier générateur géothermique de ce type est en cours à Bâle. Cette source d’énergie quasiment inépuisable permet de chauffer un quartier tout entier en produisant de l’électricité. Certains signes annoncent la construction prochaine de telles centrales ailleurs en Suisse, ce qui permettra de produire de grandes quantités d’énergie en ruban. La Suisse a pour objectif d’augmenter la part de la production d’électricité renouvelable à 70 % au moins. La géothermie profonde y contribuera de façon sensible dans vingt à trente ans. Il va de soi que ces développements doivent s’accompagner de mesures complémentaires de soutien : le gouvernement a ainsi promis d’introduire des aides financières en faveur du capital-risque ainsi qu’un système de rémunération du courant renouvelable injecté dans le réseau public. Les travaux de recherche associés ne sont pas moins importants. Ces efforts nécessaires en matière de recherche et de développement et la mise au point de technologies d’exploitation et d’outils de cal­cul fort utiles reçoivent depuis longtemps le soutien actif de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN). Enfin, cette brochure – réédition des moyens d’information précédents – se propose d’offrir un aperçu actualisé des différentes formes d’exploitation de la géothermie ainsi que des défis qui nous attendent dans ce domaine. Michael Kaufmann Directeur suppléant de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) et Chef du programme SuisseEnergie



Géothermie



Les potentialités de la chaleur terrestre La chaleur terrestre est une source d’énergie durable pour la production de chaleur et d’électricité, qui ne dépend ni des conditions climatiques, ni de la saison ou du moment de la journée. La diversité des températures autorise une multitude de variantes d’utilisation.

La chaleur terrestre peut être utilisée de diverses façons; la température augmente continuel­ lement avec la profondeur. (CREGE)

La chaleur terrestre est une source d’éner­­­­­gie quasiment inépuisable. Sur la base de ce constat, la géothermie a sensiblement gagné en importance ces dernières années et suscite de grands espoirs dans le domaine de l’approvisionnement en énergie. L’importance de la géothermie dans les scénarios d’avenir en matière de politique énergétique ne cesse de croître. Les avantages de la géothermie La géothermie ne dégage aucune substance polluante; en outre, elle constitue une source d’énergie exploitable localement. Elle se distingue notamment par sa double fonction de réservoir de chaleur pour les systèmes de chauffage à basse température et de refroidissement. La chaleur terrestre réduit les dépendances des énergies importées et offre une multitude d’applications. La chaleur terrestre peut être utilisée de multiples façons. Une comparaison sur

le plan international place la Suisse en tête pour l’utilisation de la géothermie comme source d’énergie de chauffage à basse température. De nombreuses installations ont été réalisées pour la production de chaleur à l’aide de sondes géothermiques, de géostructures, de l’eau chaude des tunnels, etc. On travaille actuellement aussi à produire de l’électricité grâce à l’énergie géother­ mique des grandes profondeurs. Constance des températures en sous-sol Les variations de température sur une jour­­née sont perceptibles jusqu’à une pro­fondeur de 50 cm environ, contre une dizaine de mètres pour les variations saisonnières. Au-delà, la température du sous-sol (sans circulation notable d’eaux souterraines) reste extraordinairement constante. Selon une règle avérée, la température à 10 mètres de profondeur est, en moyenne annuelle, de un degré

plus élevée que la température de l’air au-dessus du sol. Sur le Plateau suisse, la température du sol est ainsi comprise entre 11 et 12 °C à cette profondeur. Entre 50 et 100 mètres au-dessous de la surface du sol débute la zone du gradient géothermique, soit celle qui ne subit pas l’influence de la surface et où la température augmente de façon continue avec la profondeur. Chauffage et refroidissement Jusqu’à présent, les technologies d’exploitation de la chaleur terrestre servaient principalement à produire de la chaleur pour des immeubles, bureaux ou habitations, pour des serres, pour le chauffage de chaussées et pour divers procédés industriels. Or, il s’avère que le sous-sol peut également faire office de réservoir de froid pendant l’été et permettre le refroidissement des bâtiments, un sujet de plus en plus d’actualité. Des sondes géothermiques, des géostructures et des puits canadiens permettent de refroidir les bâtiments sans devoir recourir à des machines frigorifiques gourmandes en énergie. Si l’on combine le chauffage et le refroidissement, la so­lu­ tion géothermique devient encore plus efficace et intéressante en termes de ren­ tabilité économique et offre un énor­­me potentiel d’applications. Diverses utilisations dans les couches superficielles Les sondes géothermiques sont des échan­geurs de chaleur forés verticalement. On les utilise le plus souvent pour fournir la chaleur terrestre nécessaire aux pompes à chaleur. Un liquide caloporteur circule dans des tubes en U. Pour le système combiné chauffage/refroidissement, les sondes géothermiques atteignent une profondeur maximale de 150 mètres, contre 400 mètres pour le chauffage seul. En Suisse, plus de 1’100 GWh d’énergie géothermique ont été



utilisés en 2005, un chiffre qui ne cesse de croître. Plus de 50 % proviennent des installations équipées de sondes géother­ miques. En 2005, on a réalisé en Suisse près de 800’000 mètres courants de sondes géothermiques. Les géostructures énergétiques reposent également sur le principe des échanges de chaleur avec les couches peu pro­ fondes. Dans ce cas, on utilise les fondations d’un bâtiment ou d’autres ouvrages de génie civil en sous-sol comme élé­ ments d’un système énergétique, en intégrant des conduites pour la circulation du liquide caloporteur dans les

Type et utilisation Puissance Puissance (%) (MWth) Sondes géothermiques verticales et 450 77 nappes de tubes horizontales Sources de la nappe phréatique 75.4 12.9 Sources thermales et forages 40.8 7 Géostructures énergétiques (chauffage et refroidissement) 7 1.2 Aquifères profonds 6.1 1 Tunnels (eaux de drainage) 5.2 0.9 Echangeurs de chaleur 0.2 0.03 en forages profonds Totaux 584.7 100

Production d‘énergie (%) 56

114.4 341.4

9.6 28.7

15.2 37.2 13.7 0.9

1.3 3.1 1.2 0.1

1189.2

100

Puissance installée et installations géothermiques réalisées en Suisse en 2005. (Rybach & Gorhan, 2005)

structures en béton. Ces dernières assurent le contact thermique avec le terrain, si bien qu’on obtient aussi un effet de chauffage et de refroidissement. De même, il est possible d’exploiter le potentiel énergétique des eaux souterraines peu profondes, qui se trouvent à des tempéra­tures comprises entre 8 et 12 °C. Contrairement aux eaux de surface, les eaux souterraines présentent des variations de température saisonnières réduites. Elles se trouvent essentiellement le long des cours d’eau, soit dans les vallées du Plateau et des Préalpes, mais aussi sur certains sites au cœur des Alpes présentant des couches de graviers perméables d’au moins 30 à 60 mètres d’épaisseur. Des forages ad hoc permettent d’exploiter l’eau des nap­­pes phréatiques.

Le rayonnement solaire et les conditions climatiques ont une influence sur la tem­ pérature terrestre jusqu’à une certaine profondeur. Au-delà, le flux d’énergie en provenance des profondeurs se fait de plus en plus remarquer par les tempéra­ tures élevées qu’on y rencontre. (Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie, HLUG, Wiesbaden)

Production d‘énergie (GWh/a) 666.3

L’eau chaude, source d’énergie Les eaux thermales issues de couches géo­logiques profondes contenant des nappes phréatiques sont également des sources potentielles d’énergie. Les bains thermaux, la plus ancienne forme d’uti­ lisation de la géothermie, sont un bel exemple d’exploitation de la chaleur terrestre. Alors qu’autrefois l’eau chaude servait exclusivement au bain, on s‘ef-

force actuellement de gérer de manière plus efficace la chaleur disponible. L’approvisionnement en énergie par des réseaux locaux de chauffage à distance alimente les débats et suscite de nouvelles réalisations. Les efforts visant à ob­ tenir un débit d’eau et une température plus élevés à l’aide de forages profonds ont contribué à cette évolution. Dans d’autres pays, des installations hydrother­ males tirent parti d’aquifères à des profondeurs de 1’000 à 3’000 mètres pour atteindre des températures de 60 à 350 °C. Les températures élevées des profondeurs En Suisse, où l’on dénombre plus de sept cents tunnels routiers ou ferroviaires, on a pu également exploiter la chaleur contenue dans les massifs montagneux. Les tunnels réalisant un « drainage » du massif traversé, il est possible de collecter et d’exploiter les eaux chaudes s’écoulant des galeries. En règle



générale, plus la hauteur de la couverture montagneuse est élevée, plus la température de l’eau augmente. Une demi-douzaine d’installations en Suisse ont permis de confirmer que cette tech­ no­­­­­­logie serait même exploitable dans le cadre des deux grands projets de tunnels que sont les nouvelles lignes ferroviaires à travers les Alpes (NLFA) (tunnels de base du St-Gothard et du Lötsch­berg). Les températures de l’eau qu’on y a relevées jusqu’ici sont très prometteuses. La réflexion se poursuit et les premières démarches ont déjà été entreprises pour des réalisations à la sortie des tunnels. Jusqu’à présent, les techniques d’exploitation de la géothermie se cantonnaient à la production de chaleur et de froid. La technologie SGS (système géothermique stimulé, ou, en anglais, EGS Enhanced Geothermal Systems), qui prévoit la création d’un échangeur de chaleur dans les profondeurs d’un massif rocheux granitique, représente un grand pas en avant vers la production d’électricité. Cette technologie, qui en est encore au stade expérimental, doit permettre de produire de l’énergie dite en ruban, c.-à-d. disponible à tout moment – un avantage rare dans le domaine des énergies renouvelables. L’eau injectée dans les forages est chauffée à 200 °C au cœur de la roche artificiellement fissurée à 5 km de profondeur environ. De retour à la surface, cette énergie permet d’actionner une turbine à vapeur couplée à un générateur.

Méthodes d’analyse Toute utilisation de la chaleur terrestre implique de procéder au préalable à des analyses approfondies des ressources géothermiques, qui portent à la fois sur les structures à grande échelle et sur les conditions locales. Les méthodes développées jusqu’à présent permettent ainsi d’intégrer les données qui relèvent de la géologie, de l’hydrogéologie et de la physique des roches sous forme d’une évaluation en trois dimensions. Ceci permet de mettre en évidence les écoulements souterrains et d’identifier les régions favorables à l’utilisation de sondes géothermiques. Les données de température, quant à elles, autorisent une analyse du champ de température autour d’une sonde géothermique ou d’un champ de sondes. Grâce à la mise au point d’un instrument de mesure sans fil qui se place à l’intérieur du forage, il est aujourd’hui possible de connaître les conditions locales de pression et de température sur toute la longueur du forage avant la mise en ser-

vice d’une sonde géothermique. Ces mesures permettent d’évaluer les caractéristiques du sous-sol et la puissance thermique disponible pour la sonde géothermique. L‘instrument, introduit dans le tube en plastique de la future sonde géothermique, est rejeté sous l’effet de la pression. Quand la sonde est définitivement installée, le test de réponse géothermique permet de déterminer, d’une façon intégrée, les caractéristiques thermiques du sous-sol sur toute la profondeur du forage. On fournit une certaine puissance thermique au liquide de la sonde et l’on mesure l’évolution de la température à l’entrée et à la sortie de celle-ci. Les valeurs obtenues peuvent également être utilisées pour réaliser une simulation tridimensionnelle du champ de température autour d’une sonde. Des travaux de recherche réalisés à l’Ecole polytechnique de Lausanne (EPFL) ont abouti à la mise au point d’un appareil portable qui permet ce genre d’analyses.

Encadré informatif: Géothermie Avantages – Energie en ruban, adaptable aux besoins – Source d’énergie sans émissions nocives – Energie durable et renouvelable – Application pour la production de chaleur et / ou de froid – Faible emprise sur le terrain en surface – Production d’énergie rentable – Perspectives énergétiques à long terme – Production locale de chaleur Défis à relever – Analyse et étude minutieuse des projets de géothermie – Installations de production d’électricité en cours de développement Renseignements – Office fédéral de l’énergie (OFEN) – Organisation faîtière GEOTHERMIE.CH, www.geothermie.ch

Sondes géothermiques

Chauffer et refroidir à l’aide de la chaleur du terrain Tandis que les sondes géothermiques isolées servent exclusivement au chauffage de maisons individuelles, les champs de sondes permettent l’utilisation du terrain à la fois pour le chauffage et le refroidissement de grands bâtiments. En Suisse, l’exploitation commerciale de la chaleur terrestre s’est développée de façon progressive – de la surface terrestre à des profondeurs toujours plus importantes. Diverses techniques sont aujourd’hui à disposition pour tirer parti de la température constante du sous-sol à faible et moyenne profondeur: – Le puits canadien, développé voici bientôt 25 ans, sert au conditionne- ment de l’air pour les installations de ventilation et les pompes à chaleur dans le cas des bâtiments de grandes dimensions. Des tubes sont placés horizontalement dans le sol. L’air qui circule à l’intérieur y est préchauffé ou refroidi, selon que la température ex- térieure est inférieure ou supérieure à celle du terrain. – Les « corbeilles géothermiques » sont placées à une faible profondeur. Un liquide caloporteur circule à l’intérieur et transmet à une installation de chauffage l’énergie captée. Ce systè- me compact constitue une alterna- tive aux sondes géothermiques.

– Les nappes de tubes enterrés, dites aussi collecteurs enterrés, sont placées horizontalement et ne nécessitent aucun forage. L’apport d’énergie subit toutefois l’influence des variations saisonnières de la température obser- vées jusqu’à 10 mètres de profondeur. – Les sondes géothermiques verticales constituent aujourd’hui la forme la plus courante d’exploitation de l’éner- gie géothermique à des profondeurs comprises entre 100 et 400 mètres. Elles garantissent un niveau constant de température et peuvent être uti­- lisées à des fins de chauffage, ou même de refroidissement si la profon- deur ne dépasse pas 150 mètres en- viron. Les installations de pompes à chaleur avec sondes géothermiques affichent en général le meilleur coef- ficient de performance moyen. Système combiné de chauffage et de refroidissement Alors que les sondes géothermiques représentent une technique idéale pour exploiter la chaleur terrestre à des fins

Des collecteurs horizontaux enterrés ou une sonde géothermique verticale, deux types de capteurs pour l’alimentation d’une pompe à chaleur dans une maison individuelle. (HakaGerodur SA / CHYN)

Température mesurée dans une sonde géo­ thermique à différentes profondeurs: évolu­ tion de 1986 à 2001 (L. Rybach et W.J. Eugster)

Mesures de longue durée à Elgg Une installation équipée d’une sonde géothermique, à Elgg (ZH), a fait l’objet de diverses mesures depuis sa mise en service en 1986. Celles-ci ont confirmé qu’une sonde géothermique n’entraînait pas de refroidissement durable du sous-sol, mais une stabilisation de la température à une valeur légèrement inférieure.

de chauffage des maisons individuelles, elles comportent également de grands avantages pour les systèmes énergétiques des bâtiments plus importants. Ce qu’on appelle des « champs de sondes », c.-à-d. des ensembles de sondes ver­ti­ca­ les disposées les unes à côté des autres, permettent la réalisation d’un système combiné de chauffage en hiver et de refroidissement en été. Des appareils de mesure et des modèles de calcul toujours plus performants permettent le dimensionnement de ces champs de sondes. La production com-





Dolder Grand Hôtel à Zurich: simulation du flux thermique au voi­ sinage d’une sonde géothermique, point de départ du dimen­ sionnement d’un champ de sondes. (Dolder Grand Hotel / Geowatt SA)

Pose des tubes de rac­ cordement des sondes.

Sondes géothermiques pour le Dolder Grand Hôtel à Zurich Au cœur du concept énergétique associé à la reconstruction du Dolder Grand Hôtel à Zurich, se trouvent septante sondes géothermiques de plus de 150 mètres de longueur chacune, qui permettent de prélever dans le sous-sol la chaleur et le froid requis. Dès les débuts de l’étude du projet, l’objectif énergétique était clair: réduire la consommation de moitié tout en doublant la taille de l’hôtel. En effet, la surface de référence énergétique a passé, avec ce projet, de 20’000 m2 environ à 47’000 m2. Par rapport à la consommation antérieure aux travaux, le but est de réduire les besoins en énergie de chauffage de 75 % et en électricité de 25 %. Un champ de sondes géothermiques, d’une longueur totale de 10,6 km environ, alimente en chaleur plusieurs pompes à chaleur pour chauffer le bâtiment en hiver. Ces pompes à chaleur permettent également de produire de l’eau chaude. En été, le champ de sondes sert de réservoir de froid pour le refroidissement des 178 chambres. C’est en 2003 déjà qu’un forage exploratoire a été effectué en vue de vérifier que le sous-sol, qui se compose principalement de marnes molassiques typiques, présentait les caractéristiques adéquates. Un « test de réponse » a permis d’analyser le com­­por­ tement géothermique pour déterminer la conductivité thermique du sous-sol. La mise en place et le raccordement de la batterie de distribution avec les con­ nexions pour les septante sondes ont eu lieu en mars 2005, car la dalle de fondation de 70 cm d’épaisseur de la nouvelle construction a été coulée peu après.

binée de chaleur et de froid améliore sensiblement leur rentabilité. Le transfert de la chaleur estivale au sous-sol ne nécessite plus, selon la charge thermique, qu’une pompe de circulation (free cooling); dans de nombreux cas, on peut se passer de machines frigorifiques. Sondes géothermiques isolées pour les petites installations L’énergie géothermique nécessaire à un système de chauffage peut, en principe, être captée au moyen de collecteurs horizontaux enterrés ou de sondes géothermiques verticales. Dans le cas des collecteurs, posés à une profondeur com­ prise entre 1 et 2 mètres, on procède généralement à une excavation à proximité du bâtiment. Il n’est plus possible de bâtir sur la surface ainsi utilisée. A l’inverse, la sonde géothermique verticale, qui affiche des performances et une efficacité supérieures et peut également servir au refroidissement de bâtiments, ne nécessite qu’une faible emprise sur le terrain. Elle peut être placée directement sous la bâtisse. Par exemple, pour une durée annuelle d’exploitation de 2’400 heures, dans une roche compacte normale ou un sédiment saturé en eau, la puissance thermique potentielle est évaluée à environ 50 W par mètre courant, contre seulement 16 à 24 W par mètre carré de surface avec des collecteurs enterrés. Les forages nécessaires à l’implantation de sondes géothermiques pénètrent à des profondeurs de 100 à 400 mètres et leur diamètre peut aller jusqu’à 160 mm. En règle générale, les sondes se composent de deux tubes en U en matière synthétique (polyéthylène) résistants à la pression, dans lesquels circule un liquide caloporteur. Ces sondes prélèvent la chaleur terrestre à travers la paroi du forage et garantissent ainsi le contact avec la source de chaleur. Généralement, le fluide utilisé est un mélange eau/glycol



(saumure). A l’aide d’un échangeur de chaleur, l’énergie est transférée au circuit du fluide de travail de la pompe à chaleur. En fonctionnement normal, on travaille avec des différences les plus faibles possibles entre les températures de départ et de retour (2 à 4 K), ce qui implique un débit élevé du caloporteur. Défis techniques lors de l’exécution Après la pose des tubes en PE, le vide qui se trouve entre ceux-ci et la paroi du forage est entièrement rempli par l’in­ jection d’une suspension de bentonite et de ciment. Ceci assure un bon contact thermique entre la sonde et le sous-sol et évite le risque de percolations hydrauliques indésirables le long des tubes échangeurs. La suspension est injectée dans le forage de bas en haut par un tube supplémentaire. Le forage et la pose des sondes sont réalisés par des entreprises spécialisées répondant à des critères de qualité. Le Groupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur (GSP) décerne un label aux entreprises qui satisfont à ces exigences. La place requise pour le po­ sitionnement de l’installation de forage est minime, la durée des travaux de forage brève: un à deux jours seulement, en fonction de la profondeur nécessaire.

Le concept énergétique comme base du projet Un projet de sondes géothermiques débute par l’établissement d’un concept énergétique global. A cet égard, toutes les interfaces des circuits hydrauliques de la source de chaleur, de la pompe à chaleur et du chauffage doivent être prises en compte; le rendement global de l’installation est meilleur si la température de départ du circuit du chauffage est basse, comme par exemple dans le cas d’un chauffage par le sol. Avec une sonde géothermique de 150 à 200 mètres de profondeur, il est généralement possible de chauffer une maison individuelle sans autre chauffage d’appoint. Les sondes géothermiques de plus grande profondeur permettent l’utilisation d’eau claire à la place de l’eau saumurée, puisqu’une température de la source plus élevée est disponible pour le liquide caloporteur. Ceci peut avoir son importance pour la sécurité de la nappe phréatique. Les coûts d’une sonde géothermique dépendent de plusieurs facteurs. En règle générale, il faut compter CHF 60.– à 90.– par mètre pour la sonde ou CHF 160.– par mètre si l’on inclut aussi la pompe à cha­leur et son raccordement à la sonde. Il faut faire un bilan d’ensemble et considérer les charges d’investissement en même temps que les coûts an-

TABS pour le chauffage et le refroidissement de grands bâtiments Des éléments de construction thermoactifs, c.-à-d. des tubes intégrés à la structure en béton d’un bâtiment à des fins de chauffage et de refroidissement, sont utilisés depuis longtemps dans les immeubles administratifs, les bâtiments publics, les hôtels, etc. On note un recours croissant aux sondes géothermiques comme alternative aux puits canadiens habituellement utilisés pour le conditionnement de l’air extérieur aspiré dans le bâtiment. Le système énergétique que sont les TABS tire parti des avantages physiques du caloporteur eau par rapport à l’air. Le champ de sondes absorbe directement l’énergie du bâtiment et le refroidit sans avoir recours aux pompes à chaleur. Il faut toutefois veiller à l’équilibre du bilan énergétique annuel pour éviter une modification continue de la température en sous-sol.

nuels de l’énergie; sous réserve de conditions générales appropriées pour le projet concerné, il en résulte des frais de fonctionnement globaux avantageux et un prix de revient de la chaleur fournie stable à long terme. Champs de sondes pour grands bâtiments Le fait de placer plusieurs sondes géothermiques les unes à côté des autres agrandit le volume du réservoir souterrain, ce qui permet d’approvisionner en chaleur ou en froid des bâtiments industriels, des bureaux ou des hôtels. Les groupes de sondes raccordées en série sont reliés à une batterie de distribution alimentant une ou plusieurs pompes à chaleur. En Suisse, on assiste ces dernières années à un remarquable essor des sondes géothermiques; leur longueur totale installée croît année après année. Cette évolution est liée à une utilisation plus fréquente de cette technique dans les maisons individuelles et à la multiplication des champs de sondes à des fins de chauffage et de refroidissement dans les grands bâtiments. Calculer les besoins en chaleur et en froid Le dimensionnement d’un champ de sondes nécessite de prendre en compte les besoins globaux en chaleur et en froid du bâtiment. L’approvisionnement en énergie est assuré par une installation qui comprend généralement, outre les sondes géothermiques, des circuits pour les fluides caloporteurs, des pompes à chaleur, des machines frigorifiques et les réservoirs nécessaires. On optimisera le flux d’énergie géothermique pour le chauf­fage et le refroidissement en même temps que celui prévu à l’intérieur du bâtiment. La profondeur des sondes géothermiques servant au refroidissement ne doit

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pas excéder 150 m, pour éviter les milieux à température plus élevée. Certaines installations intègrent également des capteurs solaires, qui permettent de produire de l’eau chaude durant l’été et de recharger le réservoir souterrain à l’aide de l’excédent d’énergie solaire. Sondes profondes pour des températures plus élevées Les sondes profondes atteignent des lon­ gueurs de 4’000 mètres. Les tubes utilisés pour les équiper sont coaxiaux: l’eau refroidie s’écoule vers le bas dans le pourtour du tube extérieur tandis que l’eau chauffée remonte par le tube central. Le tube extérieur se compose gé­ néralement d’une gaine en acier, entièrement cimentée au moins sur sa partie supérieure. Selon les conditions de température, le tube central se compose de fibre de verre, d’acier ou de matière synthétique, sans ou avec renforcement de fibre de verre. Une isolation par le vide entre les flux aller et retour est avan­ tageuse, mais onéreuse. La réalisation d’une telle installation né­­­­­cessite une autorisation de procéder à un forage profond et éventuellement une étude d’impact sur l’environne­­- Rentable grâce à des frais d’exploitation modestes La rentabilité d’une sonde géothermique, d’un champ de sondes alimentant un grand ensemble ou de l’utilisation énergétique d’une géostructure dépend de plusieurs paramètres. Ce genre de calcul conduit à des résultats variables selon la base de comparaison choisie (prix du pétrole, technologie considérée, etc.). En principe, les installations géothermiques sont aujourd’hui rentables de par leurs frais d’exploitation modestes, à condition de raisonner sur le long terme.

Les sondes géothermiques d’un champ sont toutes raccordées à une batterie de distribution. (Geowatt SA)

ment (> 5 MWth). La quantité de chaleur utilisable dépend du mode d’exploitation et de la profondeur du forage. Limitations à l’exploitation Selon le mode d’exploitation, l’extraction de chaleur dans la partie inférieure peut engendrer un réchauffement du voisinage du forage dans la partie supérieure. Il est également possible que de nouveaux circuits d‘eau se forment jusqu’à de grandes profondeurs à la suite du percement, qui devront être colmatés définitivement avant l’achèvement des travaux de forage. L’exploitation des sondes géothermiques profondes n’est rentable que si les con­ ditions requises sont réunies: forage facile, températures élevées et exploitation optimale de la chaleur captée. La « corbeille » énergétique comme alternative Les « corbeilles » énergétiques, en principe montées en série dans un circuit

hydraulique, sont placées à une profondeur de 2 à 4 mètres dans le sol. Un faisceau de tubes en forme de spirale d’environ 2 mètres de longueur, sans pieu de fondation, est placé dans une excavation verticale qui est ensuite comblée. Ces échangeurs de chaleur de faible profondeur tirent parti du décalage saisonnier des températures. Malgré la profondeur réduite, les premiers calculs indiquent des coefficients annuels de performance (rapport de la chaleur produite et de la consommation d’électricité) de 3,5 environ pour les pompes à chaleur raccordées. Dans le futur, les « corbeilles » énergétiques pourraient représenter une alter­native aux petites installations de sondes géothermiques. Elles sont également utilisables dans le cas où il n’est pas possible d’obtenir d’autorisation pour une sonde géothermique classique. Le CO2 comme fluide caloporteur pour les sondes géothermiques Dans les zones de protection des eaux souterraines, les sondes géothermiques ne sont généralement pas autorisées, en raison de la saumure utilisée comme liquide caloporteur. Dans ce cas, un tube caloduc contenant du CO2 comme fluide de travail offre une bonne alternative. En sous-sol, le CO2 capte la chaleur terrestre, s’évapore et monte à l’intérieur du tube scellé. En transmettant son énergie

Les sondes géothermiques permettent le stockage saisonnier de la chaleur (chaud/ froid) dans le sous-sol. (CUEPE / SUPSI)

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Le contracting, une alternative à l’achat d’équipements Dans le cas du contracting, le client ne fait pas l’acquisition de l’installation de production de chaleur; il achète uniquement la chaleur elle-même. L’étude du projet, sa réalisation et l’exploitation sont prises en charge par le « contractor », qui gère aussi le financement. Ce système est utilisé avec succès aussi bien dans le cas de petites installations pour des maisons individuelles qu’à plus grande échelle pour des bâtiments industriels, des bureaux ou des hôtels, ainsi que pour des réseaux locaux de chauffage à distance. Ceci évite au propriétaire foncier d’avoir à assumer les frais de gestion et d’investissement. Le contracting permet souvent aussi d‘alimenter différents consommateurs de chaleur à partir d‘une seule installation de production de forte puissance; en général, le rendement global d‘une telle installation est supérieur à celui de petites installations décentra­ lisées. Ceci vaut également pour les sources d’énergie géothermiques considérées comme faisant partie d’un système énergétique global optimisé. Plusieurs com­ pagnies d’électricité proposent leurs services comme « contractors » en Suisse. Renseignements: www.swisscontracting.ch

à un échangeur de chaleur placé dans la partie supérieure, le CO2 se condense et se liquéfie à nouveau, ce qui fait qu’il retourne vers le fond en s’écoulant le long de la paroi du tube. Ainsi, le dioxyde de carbone circule auto­ matiquement, sans nécessiter de pompe de circulation. Ceci permet de réduire les besoins en électricité et d’augmenter le coefficient annuel de performance de l’installation de pompe à chaleur (audelà de 5).

Encadré informatif: Sondes géothermiques Avantages – Possibilités d’utilisation multiples (de la maison individuelle aux grands ensembles) – Champs de sondes pour l’extraction de chaleur et de froid – Source de chaleur pour le chauffage indépendante des conditions clima- tiques – Technique éprouvée, entreprises de forage certifiées – Alternatives sous la forme de sondes à CO2 et de « corbeilles » énergé- tiques

Le D4 Lucerne Business Centre à Root (LU) utilise l’énergie géothermique pour le chauffage et le refroidissement. (D4)

Centre administratif de la SUVA avec réservoir souterrain Le centre administratif baptisé D4 Lucerne Business Centre de la compagnie d’assurance contre les accidents SUVA, à Root près de Lucerne, a été construit sur la base d’un concept énergétique global. Il comporte 49 sondes géother­ miques, qui forment l’un des plus grands réservoirs souterrains utilisés en Suisse pour le stockage saisonnier de la chaleur. En hiver, les pompes à chaleur per­ mettent d’obtenir la température requise pour chauffer le bâtiment. En été, le sous-sol est un réservoir de froid qui alimente la climatisation. Le réservoir souterrain possède une superficie de 2’343 m2 et une profondeur de 160 mètres. A cette profondeur, la température utile s’élève à 14,5 °C.

Défis à relever – Analyse détaillée des besoins en froid et en chaleur du bâtiment, des carac- téristiques hydrogéologiques du sol et de la conductivité thermique – Simulation des champs de sondes – Protection des eaux souterraines Bibliographie – Fiches d’information de GEOTHERMIE.CH (N° 7, 8 et 10) – Documentation SIA D 0179, « Ener- gie aus dem Untergrund – Erdreich- speicher für moderne Gebäude technik »

Géostructures

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Le corps du bâtiment en contact avec le terrain Toutes les parties de la structure du bâtiment en contact avec le terrain, comme les pieux de fondation et les murs de soutènement, peuvent faire office d’échangeurs de chaleur. Le sous-sol sert de réservoir énergétique pour le chauffage et le refroidissement de grands bâtiments.

Les grands bâtiments érigés sur des terrains instables ou de faible portance reposent généralement sur des pieux. En présence de sol avec de la boue, du sable fin, de la craie lacustre ou même des matières organiques, des systèmes spéciaux de fondation sont nécessaires. Il en va de même pour les remblais non con­ solidés et les dépôts meubles. Les pieux servent donc essentiellement à stabiliser l’ouvrage. La double fonction d’une géostructure La technique des géostructures garantit la stabilité nécessaire à l’ouvrage tout en

permettant un échange de chaleur terrestre. Munis de tubes de polyéthylène comme échangeurs thermiques, les pieux deviennent des pieux énergétiques capables d’extraire la chaleur ou le froid du terrain. Ces tubes peuvent être intégrés à des pieux de différents types. Le pieu préfabriqué est construit hors sol dans son entier ou par parties et est trans­porté tel quel sur le site. Dans le cas des pieux évidés de béton centrifugé, le montage des tubes en PE n’a lieu qu’a­ près le battage des pieux et les espaces restants de l’évidement sont comblés avec un matériau de remplissage présentant une bonne conductivité thermique.

Pour ce qui est du pieu en béton coulé sur place, les tubes servant à l’échange de chaleur sont préalablement fixés à la cage d’armature. Le tout est ensuite descendu dans l’espace pré-excavé du pieu, puis bétonné. Les évaluations de projets déjà réalisés ont confirmé que cette nouvelle fonction attribuée aux pieux de fondation représentait une base idéale pour un concept efficace de chauffage et de refroidissement des grands bâtiments. Impact sur le sous-sol Les pieux énergétiques n’ont généralement aucun impact sur les couches d’argile, qui se rétractent et se dilatent facilement. Cependant, en raison du danger que représentent les dommages liés au gel et à un contact thermique réduit du pieu avec le terrain, un refroidissement au-delà du point de congé­

Le terminal E approvisionné en chaleur terrestre Le nouveau terminal E de l’aéroport de Zurich est long de 500 mètres et large de 30 mètres. Comme il a été construit sur une zone phréatique, il a fallu utiliser 440 pieux de fondation, fichés dans une couche de moraine à env. 30 mètres de profondeur. 310 de ces pieux font office de pieux énergétiques: en été, ils contribuent à transmettre la cha­ leur au terrain par le biais d’un système de free cooling, et en hiver, la récupèrent pour chauffer le bâtiment. 75 % de l’énergie utilisée pour le chauffage et le refroidissement proviennent des pieux énergétiques, dont le dimensionnement a été facilité par des calculs de simulation détaillés pendant l’étude du projet. La double fonction des pieux énergétiques: assurer la stabilité du bâtiment et échanger de l’énergie avec le terrain. Ensemble de fers à béton disposés en corbeille avec les tubes de polyéthylene pour l’échange de chaleur. (CHYN)

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lation est à éviter. Le flux thermique de recharge ainsi que les conditions hydrogéologiques revêtent une importance cruciale pour le rendement des installations équipées de pieux énergétiques. Avec le temps, le sens du terme géo­ structures s’est élargi en même temps que celles-ci gagnaient en importance; elles englobent aujourd’hui différentes parties enterrées de bâtiments et d’infrastructures (comme le métro, par exemple), donc des éléments de construction bétonnés en contact avec le terrain, comme les parois moulées, les dalles de soutènement et autres ouvrages de génie civil. De telles constructions dotées d’une fonction énergétique peuvent prendre des dimensions diverses et variées et être utilisées tant pour de petits immeubles à plusieurs appartements que pour des projets de grande envergure. L’échange d’énergie ainsi créé per-

met de chauffer ou de refroidir les locaux. Une technique pour les constructions nouvelles L’installation de géostructures à des fins de production d’énergie ou d’échange de chaleur ne concerne que les projets de constructions nouvelles. C’est une forme d’utilisation de l’énergie qui tom­ ­be sous le sens. En règle générale, les pieux énergétiques affichent une profondeur de 10 à 40 m pour un diamètre compris entre 20 et 200 cm. Les rac­­­ cordements des pieux énergétiques à la batterie de distribution sont situés le plus souvent sous la dalle de fondation du bâtiment ou dans la couche de béton maigre. Dans la mesure où aucun tassement n’est à craindre, les tubes peuvent être disposés sous forme de nappes sur un lit de sable, en prenant soin de sépa-

rer les tubes aller des tubes retour. Il est recommandé de placer une isolation thermique entre les tubes et la dalle de fondation. Le concept d’exploitation de l’énergie géo­thermique doit être pris en compte dès le début de l’étude du projet. Des méthodes de calcul et des recommandations pour l’étude ont été élaborées, de sorte qu’aujourd’hui, la conception, le dimensionnement et l’exécution d’installations comportant des pieux énergétiques peuvent être réalisés de manière optimale. Rappelons qu’il est de toute façon nécessaire d’analyser auparavant les caractéristiques géologiques et hydrogéologiques du terrain. Calcul et simulation à l’aide d’un logiciel éprouvé Des logiciels de calcul et de simulation permettent d’évaluer les variantes et la

A l’école primaire de Fully (VS), des pieux énergétiques sont utilisés pour le chauffage et le refroidissement du bâtiment. (Centre romand de promotion de la géo­ thermie)

Sondes géothermiques accessibles, montées dans des pieux évidés L’école primaire de Fully près de Martigny (VS) a été conçue en 2000 selon les stan­­dards Minergie. Pour la production d’énergie thermique, le choix s’est porté sur des pompes à chaleur. En raison de l’instabilité du terrain, on a dû recourir à des pieux de fondation qu’il a ensuite été possible d’équiper pour les transformer en pieux énergétiques. Sur les 118 pieux creux, profonds de 23 mètres en moyen­ ­ne, 41 ont été dotés de tubes en double U (sondes géothermiques). Les pieux énergétiques situés à la périphérie du bâtiment sont – c’est nouveau – reliés à des tubes collecteurs pré-isolés, qui se trouvent dans la fouille située entre les fondations du bâtiment et le terrain non remanié qui les entoure. Les pieux du centre disposent, eux, d’une gaine technique accessible pour leurs raccordements. Ceci permet de garantir l’accès aux conduites de raccordement et aux têtes de sondes et contribue à réduire sensiblement le risque d’avarie pendant la phase de construc­­­­­­­­­­­­­­tion. En hiver, la température de l’eau glycolée en sortie de sonde s’élève à 5 °C. En été, le réseau de tubes permet de refroidir le bâtiment.

Les sondes géothermiques sont raccordées au tube collecteur à l’extérieur des fondations du bâtiment. (Tecnoservice Engineering SA)

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La documentation SIA D 0190 donne une vue d’ensemble de l’étude, du calcul et de la construction de géostructures de divers types utilisées à des fins énergétiques.

Documentation SIA sur les géo­ structures exploitées à des fins énergétiques La fonction première des pieux de fondation et des autres éléments de construction bétonnés en contact avec le terrain, désignés collectivement sous le terme de « géostructures », est de garantir la stabilité de l’ouvrage. Si ces éléments de construction sont équipés d’échangeurs de chaleur, ils peuvent également servir à l’exploitation des ressources de la géothermie peu profonde. Après la publication, entre 1988 et 2003, de trois documentations SIA sur l’exploitation thermique du sous-sol, une quatrième publication a suivi en 2005, qui porte sur les géostructures exploitées à des fins énergétiques. La documentation SIA D 0190 traite des aspects théoriques, de l’étude du pro­­­jet, du calcul et de la construction des géostructures, ainsi que des critères juridiques et économiques en rapport avec la configuration d’une installation. En outre, diverses réalisations y sont présentées.

faisabilité technique et de dimensionner les pieux énergétiques. Il est ainsi possible de calculer la puissance thermique du système et l’apport thermique que l’on peut attendre des pieux, et de comparer différents concepts du système. L’échange de chaleur est simulé de façon dynamique, ce qui permet d‘établir un bilan énergétique mensuel ou annuel et d’obtenir un dimensionnement adéquat de la pompe à chaleur et de la machine frigorifique. Une géostructure exploitée à des fins éner­gétiques est d’autant plus efficace que la température de la chaleur et du froid distribués dans le bâtiment est proche de celle du liquide caloporteur à la sortie des pieux énergétiques. En outre, il est préférable que l’intégration d‘installations supplémentaires soit limitée au plus petit nombre possible, que la durée de fonctionnement annuelle soit élevée et que le bilan annuel en termes de production de froid et de chaleur soit équilibré. En cas de déséquilibre, il faut prévoir

une recharge en chaleur du réservoir sou­ terrain. Pour garantir la stabilité à long terme de la géostructure, il est souhaitable de viser un bilan énergétique annuel équilibré dès le début du dimensionnement. Dangers pour la géostructure et les eaux souterraines Les géostructures exploitées à des fins énergétiques doivent être dimensionnées de façon à éviter la formation de gel dans le terrain qui les entoure, sous peine de nuire à la capacité portante des pieux de fondation ou d’entraîner des tassements ou des surrections inégales, sources de fissures dans les éléments bétonnés. Les géostructures peuvent avoir une influence notable sur les eaux souterraines, aussi bien en raison des travaux de construction que des effets liés au refroidissement ou au réchauffement. Il convient donc de respecter les directives de la protection des eaux souterraines.

Encadré informatif: Géostructures Avantages – Exploitation du sol à des fins de chauffage et de refroidissement en association avec les éléments structurels requis par la technique de construction (pieux de fondation, par exemple) – Plusieurs types de pieux énergétiques pour répondre aux conditions spécifiques du terrain et de la construction – Large palette d’éléments de construction en géostructure – Economiquement intéressant pour la conception des systèmes énergétiques dans les constructions nouvelles Défis à relever – Le système énergétique est le point de départ de la conception de la construction – Calculs de l’effet à long terme dans le cas de l’exploitation conjointe de la chaleur et du froid Bibliographie – Documentation SIA D 0190: « Utilisation de la chaleur du sol par des ouvrages de fondation et de soutènement en béton – Guide pour la conception, la réalisation et la maintenance »

Eaux souterraines

Un flux énergétique constant

La fonction première des eaux souterraines est l’approvisionnement en eau potable. Cependant, leur capacité thermique élevée et leur température constante les rendent également intéressantes pour les systèmes de chauffage. En présence d’eaux souterraines en quantité suffisante, il est possible de les exploiter même en cas de conditions difficiles (terrain très sablonneux, caractéristiques hydrochimiques peu favorables, etc.). La granulométrie et la composition chimique des eaux souterraines sont des facteurs déterminants pour les matériaux à utiliser lors de la construction des installations. Propriétés physico-chimiques En cas de terrain très sablonneux, il con­ vient de poser une dérivation (by-pass), qui sera activée à chaque enclenchement de l’installation, et des filtres adéquats. Si les eaux souterraines contiennent de fortes concentrations de fer et de manganèse, on prévoira des filtres spéciaux ou encore un mode d’exploitation en l’absence d’oxygène. Et si la composition de ces eaux est hautement corrosive, le recours à des composants démontables en matière plastique ou en acier inoxydable s’impose.

Des démarches nécessaires Les eaux souterraines sont présentes en grande quantité le long des grands cours d‘eau qui parcourent les vallées du Plateau suisse et des Préalpes, donc dans les couches de gravier fortement perméa­ bles. Pour pouvoir les exploiter à des fins énergétiques, il convient de se conformer aux dispositions de la loi sur la protection des eaux souterraines et aux directives cantonales. A cet effet, une demande doit être déposée auprès de la commune concernée, qui sera généralement examinée par l‘office cantonal compétent. Les travaux de forage, la construc­tion de l’installation et la mise en service ne peuvent avoir lieu qu’une fois l’autorisation accordée. L’octroi de celle-ci dépend notamment des condi­ tions géologiques et hydro­géologiques du site ainsi que des obligations découlant de la protection des eaux souterraines. Les puits de prélèvement et de res­ titution doivent se situer respectivement en amont et en aval de l’écoulement souterrain, de manière à éviter le recyclage des eaux déjà utilisées. La puis-

L’exploitation éner­­­ gétique des eaux souterraines requiert un forage de prélè­ vement et la restitu­ tion de l’eau refroi­ die, que ce soit: 1) dans un puits de restitution excavé ou 2) par un forage de réinjection. (Eberhard & Partner SA)

sance thermique soutirée est de l’ordre du kilowatt par mètre, nettement plus qu’avec des sondes géothermiques. Si les eaux souterraines exploitées se situent davantage en profondeur, il est possible de placer une turbine dans le puits de restitution, de manière à récupérer une partie de l’électricité nécessaire au pompage.

Des réalisations exemplaires Les investissements relatifs aux installations de pompes à chaleur utilisant des eaux souterraines sont fonction des besoins en chaleur, de la profondeur du forage, de la configuration de l’installation et des conditions physico-chimiques rencontrées. Comme le système de pompe à chaleur le plus performant est celui qui utilise les eaux souterraines, on peut tabler sur un coefficient de performance annuel de 4 à 5. De plus, sous réserve d’une conception et d’une exécution correctes, une utilisation à long terme est garantie. Au nombre des réalisations à ce jour, citons le bâtiment du Service du feu à Sisseln (AG) et l’église catholique et la cure de Bremgarten, en Argovie également, où les eaux souterraines, soumises à de fortes fluctuations de débit, sont exploitées au moyen d’un circuit intermédiaire. Par ailleurs, dans le cas de l’installation du bâtiment d’Elektro-Güller SA à Würenlos (AG), qui comporte des bureaux et des logements, une turbine a été intégrée au forage de restitution. Enfin, dans le cas de la banque Valiant à Suhr (AG), les eaux souterraines sont une source de chaleur en hiver, alors qu’en été, elles absorbent la chaleur excédentaire provenant du bâtiment.

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Eaux souterraines profondes

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Exploiter les eaux thermales en surface L’exploitation des eaux thermales est très ancienne. A l’aide de forages ciblés, il est possible d’extraire les eaux thermales des couches géologiques profondes (aquifères) pour produire de la chaleur. Alors qu’à l’origine des bains thermaux, la plus ancienne forme d’utilisation de l’énergie géothermique, on captait les eaux chaudes à la surface de la terre, des forages permettent aujourd’hui d’exploiter les eaux souterraines contenues dans les fissures et les couches perméables (aquifères). La température du sous-sol augmentant généralement de 30 °C par kilomètre, celle de l’eau thermale augmente aussi avec la profondeur. Les forages dans les couches géologiques et les aquifères profonds permettent d’augmenter le débit et la température de l‘eau thermale captée. Pour l’utilisation hydrothermale des flux d’eaux souterraines chaudes, on a le choix, d’une manière générale, entre deux techniques différentes:

refroidissement, vers un milieu récepteur – un cours d‘eau, par exemple. Doublet – système comprenant un forage de production et un forage de restitution : l’eau prélevée dans l’aquifère est réinjectée dans l’aquifère après refroidissement. En fonction de sa température et exploitée en cascade, l’eau thermale peut être utilisée à des fins diverses, dans des bains thermaux ou des constructions attenantes.

Singlet – un seul forage de production : l’eau utilisée dans les bains thermaux ou les bâtiments chauffés est dirigée, après

Encadré informatif: Eaux souterraines, utilisation énergétique des eaux thermales Avantages – Capacité thermique élevée et niveau de température constant – Chauffage efficace grâce au système en cascade – Chauffage et refroidissement possibles Défis à relever – Protection des eaux souterraines – Obligation d’éviter tout échange entre les différents aquifères – Localisation des aquifères profonds avant les forages Bibliographie – Fiche d’information de GEOTHERMIE.CH (N° 9) – Fiche technique de GEOTHERMIE.CH (« L’énergie des eaux souterraines ») – Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines OFEFP / OFEV 2004

Aux Bains de Lavey (VD), une valorisation en cascade permet d’utiliser la chaleur à plusieurs fins. (Bains de Lavey)

Utilisation énergétique à Riehen et Lavey-les-Bains Depuis 1994, le réseau de chauffage à distance de Riehen, dans le canton de Bâle-Ville, utilise de l’eau chaude à quelque 65 °C captée à 1’500 mètres de profondeur pour couvrir la moitié de ses besoins énergétiques. Environ 20 litres par seconde sont amenés en surface par une pompe, puis réinjec­- tés à 25 °C dans un deuxième forage après prélèvement de la chaleur. Le centre thermal de Lavey-les-Bains, dans le canton de Vaud, est alimenté par deux sources à 60 et 68 °C respectivement. L’eau thermale, collectée au préalable dans un bassin, est utilisée pour diverses applications (système en cascade) à des niveaux de température différents.

Exploitation hydrother­ male des aquifères à des fins éner­ gétiques, à l’aide d’échangeurs de chaleur. (CHYN)

Eau chaude des tunnels

Tirer parti de l’énergie aux portails des tunnels En Suisse, on utilise depuis des années la chaleur issue des tunnels routiers et ferroviaires à des fins de chauffage. Actuellement, les deux tunnels des NLFA ouvrent de nouveaux horizons, nettement plus larges. La construction de tunnels sous les montagnes draine des eaux souterraines qui sont collectées et dirigées vers les portails. Dans la plupart des cas, elles sont évacuées vers un émissaire de surface (cours d’eau). En fonction du volume de couverture rocheuse du tunnel, la température de l’eau peut atteindre 30 °C et plus; elle devient donc intéressante pour une utilisation énergétique. Dès lors, le déversement direct dans les cours d’eau n’étant plus autorisé (cf. législation sur la protection des eaux souterraines), cette eau est disponible comme source d’énergie à basse température pour le chauffage de bâtiments à proximité des portails.

Aux portails des deux tunnels ferroviaires des NLFA, de la chaleur géothermique à basse température est disponible en quantité. (BLS AlpTransit SA)

Sécurité et possibilités d’exploitation La température à l‘intérieur d‘un massif augmente avec la hauteur de la couverture rocheuse. Elle est déterminée par la topographie, la conductivité thermique des couches géologiques et la circulation de l’eau. Celle-ci permet le transport et donc la redistribution de la chaleur dans le massif. Dans le cadre de la construction d’un tunnel, les prévisions relatives à la situation des zones potentielles d’écou­­lement des eaux et aux débits attendus revêtent une importance majeure pour la sécurité et la planification des travaux. En même temps, elles offrent une base à l’élaboration des projets d’uti­ li­sation thermique des eaux aux portails.

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Le pays des tunnels Sur les 700 tunnels courts ou longs que compte la Suisse, six sont exploités à des fins énergétiques: – – –

Depuis 1979, le centre d’entretien autoroutier à la sortie sud du tunnel routier du Gothard près d’Airolo (TI) est chauffé à l’aide d’énergie géother- mique. Le débit à cet endroit s’élève à quelque 6’700 litres d’eau par mi- nute, à la température de 17 °C. Le tunnel ferroviaire du Hauenstein permet de chauffer 150 appartements dans les environs d’Olten, avec un débit d’environ 2’500 litres d’eau par minute, à la température de 19 °C. A Kaltbrunn (SG), l’eau du tunnel ferroviaire du Ricken (690 litres par minute à 12 °C) est utilisée pour chauffer une salle polyvalente, une garderie d’enfants et une installation de protection civile.

La serre tropicale de Frutigen (BE) exploite la chaleur des eaux de drainage du tunnel du Lötschberg pour l’élevage de poissons et la culture de fruits tropicaux. (Tropenhaus Frutigen)

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Au portail nord du tunnel du Grand- St-Bernard, le centre d’entretien est chauffé par géothermie, au moyen, cette fois, de l’air chaud du tunnel et non de l’eau du massif. A Oberwald (VS), 177 appartements et une salle polyvalente bénéficient des 5’400 litres d’eau par minute à 16 °C du tunnel ferroviaire de la Furka. A Minusio (TI), le centre sportif et récréatif de Mappo est alimenté par l’eau du tunnel du Mappo-Morettino (983 litres par minute à 16 °C).

Une étude sur le potentiel géothermique de 15 tunnels a démontré que la puissance exploitable de l’ensemble des eaux avoisine les 30 MW; la concrétisation de ces potentialités est toutefois subordonnée à la présence de consommateurs de chaleur à proximité des portails des tunnels.

Encadré informatif: Eau chaude des tunnels Avantages – Avantage supplémentaire lors de la construction d’un ouvrage d’infra- structure – Rejets thermiques pour des applica- tions diverses à basse température – Le refroidissement obligatoire favorise la valorisation des rejets thermiques Défis à relever – Confirmation de la température et du débit de l’eau seulement après le percement et la construction – Coordination spatio-temporelle avec la construction du tunnel Bibliographie – Fiche technique de GEOTHERMIE.CH (« Géothermie des tunnels »)

Profil géologique du tunnel de base du Gothard et système de drainage du tunnel NLFA du Lötschberg. (AlpTransit Gotthard SA / BLS AlpTransit SA)

Les tunnels des NLFA, une magnifique opportunité de valorisation de la chaleur géothermique Les deux nouvelles lignes ferroviaires à travers les Alpes (NLFA) visent à transférer le trafic transalpin de la route vers le rail. Les tunnels de base du Lötschberg et du St-Gothard forment l’élément clé des liaisons ferroviaires de grande capacité entre le Nord et le Sud. Long de 34,6 km, le tunnel de base du Lötschberg, qui relie Frutigen (BE) à Rarogne (VS), est un ouvrage à deux tubes. Après le percement en avril 2005, l’ouverture est prévue en 2007. Pour évaluer les possibilités d’une utilisation thermique de l’eau de drainage, des prévisions relatives à la température de l’eau et aux débits ont été établies. Sur cette base, diverses variantes d’utilisation ont été proposées. A Frutigen, à proximité du portail nord du tunnel du Lötschberg, il est prévu la construction d’un centre tropical, avec une production de fruits exotiques et un élevage de poissons d’eau chaude à la clé. Au portail sud du tunnel du St-Gothard à Bodio (TI), un projet de bain thermal moderne est actuellement en discussion.

Géothermie grand profondeur

Extraire la chaleur de la roche cristalline A quelques kilomètres de profondeur règnent des températures qu’il est possible d’exploiter en surface à l’aide d’un circuit hydraulique créé artificiellement, pour produire de l’électricité et de la chaleur. En Europe, on rencontre des roches cristallines (socle) à des températures de l’ordre de 200 °C pour des profondeurs comprises entre quatre et six kilomètres.

La technologie SGS (systèmes géothermiques stimulés ou, en anglais, EGS Enhanced Geothermal Systems) permet d’utiliser cette énergie. Dans un premier

temps, on exécute un forage pour pénétrer à cette roche. Ensuite, on procède à une fracturation sous haute pression du massif, puis on y fait circuler de l’eau au moyen d’un second forage. A la surface, des échangeurs de chaleur transmettent l’énergie captée à des équipements de production d’électricité et de chaleur utilisable. Cette technologie devrait permettre de produire de l’électricité en ruban et de disposer de chaleur en continu. De nombreux sites présentent la géologie adéquate Le grand intérêt suscité par la technologie SGS a deux origines: d’une part, elle peut être mise en œuvre sur la majeure partie des sites de roche cristalline à une profondeur maximale de 6 km et d’autre part, elle permet de produire de l’électricité sans émissions de CO2 au moyen d’une source d’énergie renouvelable, la chaleur terrestre. Plusieurs régions de Suisse présentent les conditions géologiques requises par cette technologie. Néanmoins, pour garantir la rentabilité d’une installation de type SGS, la vente de l’excédent de chaleur est essentielle aujourd’hui encore, en sus de la production d’électricité. Il est donc indispensable de disposer d’un gros consommateur de chaleur à proximité, tel qu’un réseau de chauffage urbain. Le procédé, connu aussi sous l’appellation « roches chaudes fracturées », prévoit, dans un premier temps, l’injection d’eau sous pression dans le forage en vue d’élargir les discontinuités ou fissures fines naturelles de la roche cristalline. Cette mise sous tension du massif entraîne un léger déplacement des parois

La mise en œuvre de la géothermie grande profondeur en Suisse a débuté en 2006 avec le premier forage. L’objectif est la création d’un système géothermique stimulé, pour la produc­ tion de chaleur et d’électricité. (Geopower-Basel SA / DHM)

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rugueuses des fractures, maintenant les discontinuités ouvertes. Le massif devient ainsi perméable et peut faire office de « chauffe-eau ». Un principe géologique qui a une histoire Le principe a été appliqué pour la première fois voici trente ans par un laboratoire de recherche public au Nouveau Mexique (USA), qui ne l’a pas développé plus avant. Simultanément, des installations pilotes ont vu le jour en GrandeBretagne et au Japon, suivies par le projet de recherche européen de Soultz-

sous-Forêts, en France. Dans le désert australien, plusieurs forages ont été réalisés en vue de construire une centrale électrique de type SGS. Cette technologie suscite un intérêt croissant dans le monde. Les défis du système Les travaux de recherche et de développement menés jusqu’ici dans le domaine de la géothermie profonde se sont concentrés sur les ressources et leur valorisation, donc essentiellement sur des questions relevant de la géologie et de la technique de forage, sur la création

du circuit hydraulique requis, bref, sur la réalisation d’un réservoir. Or, la conversion de la chaleur géothermique captée et son utilisation sont tout aussi importantes. Les procédés de production d’électricité à partir de chaleur à basse ou moyenne température sont en principe connus puisqu’ils sont utilisés depuis de nombreuses années déjà dans les nombreuses centrales électriques géothermiques ainsi que dans d’autres installations, utilisant par exemple la biomasse ou des rejets thermiques industriels.

Les projets SGS à Bâle et à Genève La ville de Bâle se trouve à l’extrémité sud du fossé rhénan, qui forme un point de jonction de la plaque continentale européenne. A cet endroit, la croûte terrestre est amincie, les températures sont donc élevées à faible profondeur: à 5’000 mètres, celles-ci atteignent déjà 200 °C. Les conditions géologiques sont favorables. Néanmoins, pour une centrale de production, l’existence d’un réseau de chauffage à distance de grande envergure est un critère important pour l’utilisation de la chaleur captée. Les travaux du premier forage pilote ont débuté en 1998, pour déboucher sur la roche cristalline à plus de 2,5 km de profondeur. Le profil de température mesuré (gradient) s’est révélé conforme aux attentes. Afin de contrôler la formation d’un échangeur de chaleur souterrain par injection d’eau sous pression destinée à élargir les fractures existantes, il est nécessaire de procéder à des forages d’écoute sismique dans lesquels on place des capteurs de vibrations appelés géophones, chargés d’enregistrer et de localiser les signaux engendrés par l’ouverture des fractures. Les données obtenues permettent d’établir une carte en trois dimensions, qui déterminera l’emplacement des forages suivants. A Bâle, six forages de ce type placés à des profondeurs différentes sont utilisés pour ces enregistrements. La réalisation du premier forage de production a débuté au printemps 2006 dans le périmètre de la ville. Après les travaux de fracturation, un premier test de circulation sera réalisé en 2007. Si tout se déroule comme prévu, on procédera au troisième forage profond et à la réalisation de la centrale de production d’énergie en surface, qui entrera en fonction en 2009. Avec une puissance électrique de 6 MW et une puissance thermique de 17 MW, elle devrait permettre de produire environ 31 GWh d’électricité et 48 GWh de chaleur par an. On aura le choix entre deux modes d’exploitation, ce qui offrira une certaine flexibilité en fonction des besoins de la clientèle: on pourra ajuster la production à la consommation de chaleur du moment, et considérer l’électricité produite comme un apport secondaire, ou au contraire orienter la production sur la demande d’électricité et considérer la vente de la chaleur qui en résulte comme secondaire. L’installation doit apporter la preuve de la faisabilité technique d’un tel système et servir de base à la création de systèmes analogues sur d’autres sites. Une centrale sur le même modèle est ainsi prévue à Genève. Dans les années 1990 déjà, un premier pas vers l‘utilisation de l‘énergie géothermique a été franchi avec un forage à Thônex près de Genève. Le projet « Géothermie de grande profondeur » (GGP) lancé entre-temps s’est d’abord focalisé sur la recherche de sites favorables. La presqu’île d’Aïre sur le Rhône a fait l’objet d’investigations détaillées. Dans un premier temps, un forage d’exploration est prévu à environ 2 kilomètres du site. Pour créer un réservoir à la température de 200 °C, on s’attend à devoir forer jusqu’à 6 km de profondeur.

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L’utilisation de la chaleur géothermique des systèmes SGS présente néanmoins diverses particularités susceptibles d’avoir une grande influence sur le choix du système. Au nombre de ces particularités, citons le fait que la température de soutirage de la chaleur diminue petit à petit au cours de l’utilisation du système géothermique, et ceci en dépit du renouvellement constant de cette chaleur. En outre, dans le cas du concept SGS, des pertes de pression et d’eau sont possibles dans le circuit primaire. Par conséquent, les pom­pes à circulation seront de forte puissance. Le débit massique et donc la puissance thermique soutirable sont limités.

Les premiers pas de la géothermie profonde en Suisse L’Office fédéral de l’énergie (OFEN) a lancé en 1996 le projet « Deep Heat Mining », visant à construire la première centrale de production au monde à utiliser la technologie SGS. Le site de la ville de Bâle a été choisi pour les avantages

géologiques qu’il présente et en raison de son vaste réseau de chauffage urbain; cet argument est décisif dans la perspective d’une utilisation commerciale.

Avec ses trois forages, le projet de recherche européen de Soultz-sousForêts (F) a permis le prélèvement de chaleur dans la roche cristalline. (Soultz-sous-Forêts / CHYN)

Encadré informatif: Géothermie grande profondeur Avantages – Niveau de température permettant la production d’électricité et une utilisa- tion dans des réseaux de chauffage à distance – Production d’électricité renouvelable au titre d’énergie en ruban – Production énergétique adaptée aux besoins Défis à relever – Encore au stade de projet pilote – Investissements de départ élevés – Nécessité de mener des investigations géologiques – Réalisation d’un circuit hydraulique (création d’un réservoir) Renseignements – www.dhm.ch – www.geopower.ch – www.geopower-basel.ch

Travaux de recherche européens à Soultz-sous-Forêts Le projet européen SGS à Soultz-sous-Forêts en France a été lancé voici vingt ans. Il s’agit aujourd’hui du projet géothermique de production d’électricité au moyen de chaleur tirée des grandes profondeurs à la fois le plus important et le plus avancé. Il comprend actuellement trois forages à 5’000 mètres de profondeur, qui ont déjà permis de réaliser des tests de circulation. Les extrémités des puits de forage sont distantes de 600 à 700 mètres. Des fissures ont été ouvertes dans le rocher par injection d’eau sous haute pression. Des études ont également porté sur la façon dont fonctionnent les liaisons hydrauliques souterraines entre les forages. Cette installation a permis à la technologie SGS de franchir un cap essentiel. Le développement de la technologie SGS s’est déroulé pas à pas à des profondeurs de plus en plus grandes. A ce jour, le site alsacien a vu la création de ré­servoirs fissurés souterraines à des profondeurs de 2’000, 3’500 et 5’000 mètres. Depuis 1998, les travaux de recherche se concentrent sur la zone la plus profonde, où il a été possible de créer un réservoir fracturé de 2,5 km3 environ.

Recherche et développement

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Jeter les bases d’une utilisation optimale Les travaux de recherche sont une condition essentielle à la réussite d’un projet d’utilisation de l’énergie – y compris dans le cas de la géothermie. La géologie, les techniques de forage ainsi que le captage et la conversion de l’énergie seront au cœur des recherches de demain. Pour estimer les potentialités géothermiques, des études géologiques sont nécessaires. Les roches de haute densité affichent généralement une capacité et une conductivité thermiques supérieures à celles des couches plus meubles, de densité inférieure. Il convient cependant de prendre en compte également leur teneur en eau. Les roches très poreuses

Recherche énergétique en géothermie : simulation de la température du sous-sol par la méthode des éléments finis. (Geowatt SA)

sont souvent saturées en eau, d’où une capacité et une conductivité thermiques qui peuvent être supérieures à celles de roches sèches. Ce facteur doit être pris en compte lors du calcul et de la construction d’installations géothermiques. Pour favoriser la diffusion des applications géother­miques, la recherche dans les domaines de la géologie et de la mécanique des roches sont essentielles. Ce n’est qu’avec un approfondissement continu des connaissances géologiques et le développement d’instruments de simulation et de mesure destinés à l’évaluation du rendement des

futures installations géothermiques qu’il sera possible d‘en exploiter toutes les potentialités. Ainsi, pour l’étude, le dimensionnement et l’exploitation des sondes géothermiques, la conductivité thermique du soussol représente un paramètre essentiel du point de vue de l’efficacité de l’installation. En vue d’obtenir des données précises, on a mis au point le test dit « de réponse thermique », qui permet de déterminer la conductivité thermique moyenne du terrain mesurée sur toute la hauteur d’une sonde. Les travaux de recherche ont en outre rendu possibles des simulations tridimensionnelles de la distribution des tempé­ratures autour des sondes et de jeter ainsi les bases du dimensionnement des champs de sondes. Avec le soutien de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN), un atlas des ressources géothermiques suisses a été élaboré ces dernières années, qui a permis de déterminer, à l’aide d’analyses de données géologiques, géothermiques et hydrogéologiques, les potentialités de la chaleur terrestre. Innovations dans le domaine des techniques de forage et de conversion de l’énergie Grâce à des innovations dans le domaine des techniques de forage, les charges d’investissement vont baisser. L’Ecole polytechnique fédérale de Zurich a ainsi collaboré à un projet s’inscrivant dans le 5e Programme-cadre de recherche et de développement technologique de l’UE relatif à la conception d’un nouveau système de forage. La solution classique

des tiges de forage rotatives est remplacée par un tuyau rigide qui peut être enroulé sur une grosse bobine à la manière d‘un câble, ce qui accélère considérablement le remplacement des outils de forage usés. L’énergie géothermique est disponible à différentes températures, ce qui complique sa conversion en énergie utile, chaleur et électricité. Recherche et développement vont devoir optimiser encore davantage les techniques et les systèmes de conversion existants et trouver des possibilités d’innovation pour améliorer le rendement et diminuer les charges d’investissement. Outre les processus et les technologies thermodynamiques, les études portent actuellement sur des principes thermostatiques.

CREGE – le nouveau centre de recherche en géothermie Créé en 2004, le CREGE (Centre de recherche en géothermie) rassemble 45 institutions de 12 cantons et il a son siège au Centre d’Hydrogéologie de l’Université de Neuchâtel. Ses objectifs principaux sont de conduire des projets de recherche appliquée et de développement de la géothermie, de faire connaître ses potentialités es de conférer des structures claires à la recherche es à l’enseignement en géothermie en Suisse. Font partie du CREGE des instituts universitaires, des laboratoires de l’EPF-Lausanne et des hautes écoles spécialisées, la Confédération et les Cantons, des asso­cia­ tions et des entreprises. Au nombre des principales activités du CREGE, citons la recherche appliquée, l’enseignement, la promotion et les services au profit de projets géothermiques. Renseignements: www.crege.ch

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Protection de l’environnement – défis liés à une utilisation plus large de la géothermie

Appareil compact développé par l’EPFL à Lausanne, utilisé dans les « tests de réponse thermique ». (SSG)

La géothermie et l’aménagement du territoire Les rapports entre l’aménagement du territoire et la recherche en géothermie jouent un rôle croissant dans le domaine du développement urbain. Partout dans le monde, la croissance des villes se heurte à des limites; les effets négatifs de la pollution, les nuisances de la mo­ bilité, etc. sont manifestes. Un développement urbain durable doit prendre en compte et exploiter de manière ciblée les potentialités du sous-sol et donc l’énergie qu’on peut y capter. Des travaux de recherche interdisciplinaires sont en cours, qui incluent des approches relevant aussi bien des sciences naturelles que des sciences sociales, en vue d’intégrer de façon judicieuse les facteurs espace, eau, énergie et composition du sous-sol dans le développement urbain.

Grâce à la production d’électricité et de chaleur sans émissions de CO2, la géothermie offre un avantage considérable du point de vue environnemental. Il est néanmoins nécessaire de prendre au sérieux les exigences liées à la protection de l’environnement, des eaux souterraines et du sol. Les installations géothermiques sont, en principe, soumises à autorisation. L’Office fédéral de l’environnement (OFEV) formule les directives, les cantons et les communes légifèrent et sont responsables de l’application des dispositions légales. Dans ce contexte, les eaux souterraines jouent un rôle central puisque leur utilisation pour l’alimentation en eau potable est prioritaire et prime sur l’utilisation énergétique. Les sondes géothermiques et les géo­ structures peuvent représenter un danger potentiel pour les eaux souterraines:

– – – –

Leur construction peut entraîner des échanges entre aquifères Le débit et la qualité des écoulements souterrains peuvent en souffrir Le liquide caloporteur peut entraîner une contamination par les produits antigel Dans le cas des collecteurs enterrés et des puits canadiens, le refroidissement du sous-sol peut retarder la croissance des végétaux, nuire à la fertilité et à la biodiversité et entraîner une baisse d’activité des bactéries aérobies

Cependant, le transfert d’énergie induit par les installations géothermiques peut aussi, lors du cycle de refroidissement, entraîner un réchauffement du sol, notamment dans les régions au climat chaud. Les conséquences sont les suivantes: évaporation accrue de l’eau, formation de fissures dues au dessèchement du sol, augmentation du nombre des bactéries dans les eaux souterraines. Conformément aux directives de la Confédération, la température des eaux souterraines ne doit pas être modifiée de plus de +/– 3 °C par les installations géothermiques situées dans la zone considérée, afin d’éviter des effets négatifs (voir également les « Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines », OFEV 2004). L’étude et la réalisation d’une installation géothermique dans les règles de l’art sont des conditions essentielles à la protection de l’environnement et des eaux souterraines.

La géothermie dans le monde

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Des avantages qui suscitent un regain d’intérêt En fonction des conditions géologiques locales, les installations géothermiques diffèrent d’un site à l’autre. La tendance mondiale est à la multiplication de ce type d’installations. Des températures supérieures à 1000 °C prévalent sur 99 % de la masse du globe terrestre. Des températures inférieures à 100 °C ne sont rencontrées que dans les 3 km les plus proches de la surface, qui représentent seulement 0,1 % du tout. La température terrestre en Europe centrale s’élève à environ 12 °C à une profondeur de 10 à 20 mètres. Plus près de la surface, les conditions climatiques ont une influence sur la température. Et dans les couches profondes, la loi du gradient géothermique prévaut: la température augmente de un degré tous les 33 mètres environ. L’utilisation de l’énergie géothermique dans le monde est actuellement en forte progression. En 2005, la puissance installée s’élevait à environ 28’000 MWth. De même en ce qui concerne les install­ ations de production d’électricité, dont la puissance installée totale actuelle atteint 8‘900 MWel. De nouvelles centrales sont en construction dans dix pays, pour une production totale de plus de 500 MWel; d’ici à 2010, le seuil des 10’000 MWel aura été dépassé. Pays USA Philippines Mexique Indonésie Italie Japon Nouvelle-Zélande Islande Costa Rica El Salvador Kenya autres pays Totaux

Avec des puissances installées de presque 2’000 MWel chacun, les Etats-Unis et les Philippines figurent au premier rang des pays producteurs d’électricité géothermique au monde. Suivent le Mexique et l’Indonésie, puis l’Italie, chef de file en Europe, avec un total d’environ 800 MWel. Allemagne En Allemagne, un programme d’investissement national a entraîné un regain d’intérêt pour la géothermie. Alors que l’utilisation de la chaleur de faible profondeur au moyen de sondes géothermiques affiche encore des valeurs modestes, l’eau chaude tirée de nappes phréatiques en grande profondeur (aquifères) est déjà utilisée par une trentaine d’installations géothermiques pour le chauffage de bâtiments d’habitation, de bains thermaux et de serres. Ainsi, dans la ville d’Erding en Bavière, quelque 2’000 appartements sont raccordés à un réseau de chauffage qui les alimente en eau chauffée à 65 °C.

Puissance installée (MWel)

Production électrique (GWh/a)

2 564 1 930 953 797 791 535 435 202 163 151 129 283

17 917 9 253 6 282 6 085 5 340 3 467 2 774 1 406 1 145 967 1 088 1 062

8 933

56 786

L’utilisation de la géothermie dans le monde pour la production d’électricité. (Bertani 2006)

On recense déjà des forages à une profondeur atteignant 3’000 m. Grâce à une technique de forage dévié, un nombre maximal de couches géologiques contenant des eaux souterraines sont traversées. Un deuxième forage permet ensuite de créer un circuit hydraulique. Une température de l’eau de 150 °C, suffit pour produire de l’électricité et de la chaleur. Des forages existent également à Landau dans le Palatinat et près de Neuen­ burg am Rhein. Ceux-ci s’inscrivent dans le cadre d’un projet global ayant pour objectif l’implantation, dans le fossé rhénan, d’une vingtaine d’installations hydrothermales à des fins de production d’électricité. Italie La Toscane en Italie (aux alentours de Larderello), la Sardaigne occidentale et certaines régions de Sicile présentent des conditions géologiques favorables. La région de Larderello, où l’on rencontre, dès 1’000 mètres de profondeur, des aquifères qui dégagent de la vapeur surchauffée utilisée à des fins de production d’électricité, se trouve dans une zone de 300 km de long présentant d’in­ téressantes perspectives géothermiques. Les débuts à Larderello remontent à 1777, lorsqu’on a commencé à utiliser pour la première fois la vapeur issue de la Terre. La construction des premières centrales de production d’électricité par géothermie sur le site date d’une centaine d’années. En effet, la première petite centrale a été implantée en 1904 à des fins d’éclairage; elle a été agrandie plusieurs fois par la suite. Aujourd’hui, la puissance installée à Larderello s’élève à quelque 540 MWel. La source de chaleur est une intrusion magmatique emprisonnée dans la croûte terrestre qui est si chaude que les eaux superficielles s’éva-

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porent. Les forages permettent d’accéder à de la vapeur surchauffée, dont la température est comprise entre 150 et 260 °C, et qui est acheminée vers les turbines des centrales au moyen de condui­tes isolées. Dans les tours de refroidissement, la vapeur sortant des turbines se condense. Cette eau encore chaude est réinjectée en profondeur. Des calculs ont montré que l’énergie géothermique dans les régions de Toscane et du Latium permettrait de produire suffisamment d’électricité pour couvrir les besoins du pays tout entier. D’autres forages d’exploration sont donc prévus et on peut s’attendre à une progression de la géothermie, pour produire aussi bien de la chaleur que de l’électricité. France En France, plusieurs dizaines d’installations géothermiques de chauffage sont en fonctionnement depuis des décennies. Celles-ci se trouvent principalement en région parisienne et dans le SudOuest. Les eaux chaudes profondes étant souvent très salées, elles ne peuvent pas être déversées à la surface après l’extraction de la chaleur, mais doivent être restituées à l’aquifère, à des Pays USA Suède Chine Islande Turquie Danemark Hongrie Italie Suisse Allemagne Canada Norvège autres pays Totaux

profondeurs de 1,8 à 2 km, par le biais d’un forage de réinjection. L’énergie captée est transmise au réseau local de chauffage à distance par le biais d’un échangeur de chaleur. Le projet de recherche européen dans le village alsacien de Soultz-sous-Forêts revêt une importance particulière. En effet, dans cette région, l’utilisation de la géothermie fait l’objet de recherches depuis des années et peut servir de fondement à la construction de centrales de production utilisant la technologie SGS. Objectifs de l’Union européenne Sous le titre « Energies pour l’avenir: les sources d’énergie renouvelables – Livre blanc établissant une stratégie et un plan d’action communautaires », l’Union européenne a publié en 1997 un livre blanc qui définit des valeurs cibles en matière de géothermie pour l’année 2010. Concernant l’utilisation directe à des fins de chauffage, l’objectif de 5’000 MWth a été dépassé dès 2003; en matière de production géothermique d’électri­­­­cité, on peut considérer que l’objectif de 1’000 MWel, compte tenu des taux de croissance actuels, sera atteint sans effort d’ici à 2010. Puissance installée (MWth)

Production de chaleur (GWh/a)

7 817 3 840 3 687 1 791 1 177 821 694 607 582 505 461 450 5 393

8 678 10 001 12 605 6 615 5 451 1 211 2 206 2 099 1 175 808 707 643 20 423

27 825

72 622

L’utilisation de la géothermie dans le monde pour la production de chaleur. (Lund et al. 2005)

L’organisation faîtière GÉOTHERMIE.CH Le renforcement de la communication, des services de conseil et de la mise en réseau sont les principales missions de l’organisation faîtière GÉOTHERMIE.CH. Elle contribue à mieux représenter les milieux intéressés à l’utilisation de l’énergie géo­ thermique et à renforcer leurs liens avec les autres organisations du domaine de l’énergie. Elle doit également permettre de favoriser la mise en œuvre des avancées technologiques dans le domaine de la géothermie et de sensibiliser davantage le grand public aux différentes applications possibles. Elle est placée sous l’égide de la Société suisse pour la géothermie (SSG). Renseignements : www.geothermie.ch

Perspectives d’avenir

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Un approvisionnement durable en énergie Les perspectives énergétiques du futur sont axées sur une production et une utilisation durables de l’énergie. A cet égard, la géothermie joue un rôle de premier plan, car elle est à la fois non polluante et disponible en permanence. Les pompes à chaleur qui valorisent l’énergie géothermique comptent au nombre des applications qui ont le plus progressé parmi les énergies renouve­ lables. C’est essentiellement à cette tech­ nologie que l’on doit l’avancée récente de la géothermie dans le monde. Elle permet à la fois de prélever de la chaleur du réservoir terrestre pendant la saison froide et d’absorber les rejets thermiques estivaux pour refroidir les bâtiments. L’utilisation à long terme du sous-sol sera d’autant plus efficace que ces deux modes d’utilisation s’équilibreront. Grâce à l’expérience acquise et à l’amélioration des aides à la conception, grâce aussi aux progrès de la diffusion et de la commercialisation, les pompes à chaleur associées à l’utilisation de l’énergie géothermique sont en train de devenir un

élément reconnu de la conception des bâtiments. Progression dans les secteurs ayant déjà fait leurs preuves En extrapolant la statistique des installations géothermiques en Suisse, on peut s’attendre à ce qu’à l’avenir, la croissance se concentre essentiellement dans les secteurs qui ont déjà fait leurs preuves, comme les sondes géothermiques pour l’utilisation de la chaleur ou les géos­tructures à des fins de chauffage et de refroidissement de bâtiments. En outre, le recours croissant au contracting laisse à penser que le nombre des installations mettant en œuvre des énergies renouvelables continuera de croître; elles se caractérisent par une certaine indépendance vis-à-vis des fluctuations ou des augmentations du prix de l’énergie.

Leur rentabilité par rapport aux sources d’énergie fossiles ainsi que la fiabilité de calcul et de planification à long terme, pèsent de leur poids dans la balance. Objectifs de la recherche et du développement Pour ce qui concerne les technologies existantes, la recherche et le développement se concentreront toujours davantage sur les améliorations en termes de qualité et de baisse des coûts; parallè­ lement, des solutions novatrices seront recherchées dans tous les secteurs de l’utilisation de l’énergie géothermique. Avec la création du Centre de compétences CREGE, une base idéale dans ce sens et le réseau nécessaire sont maintenant en place. Par ailleurs, le renforcement de la communication, des services de conseil et des offres de formation que propose l’organisation faîtière GÉOTHERMIE.CH permettra de sensibiliser un public toujours plus large aux avantages et aux possibilités d’application de la chaleur terrestre.

Le point de vue de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) L’objectif est d’ores et déjà fixé: dans le cadre du Protocole de Kyoto et conformément à la loi sur le CO2, les émissions de CO2 en Suisse doivent baisser, d’ici à 2010, de 10 % par rapport aux données de 1990. La stratégie de l’OFEN consiste à améliorer l’efficacité énergétique et à privilégier le recours aux sources d’énergie renouvelables par rapport aux sources d’énergie fossiles importées. Dans ce contexte, la géothermie joue déjà un rôle de premier plan, notamment dans le secteur de la production de chaleur, et demain, elle devra contribuer à la production d’électricité. Eu égard à la forte consommation d’énergie dans le secteur du bâtiment aux fins de chauffage et de refroidissement, l’OFEN mise sur des standards de construction novateurs tels que Minergie, Minergie-P et « Maison passive », ainsi que sur des efforts accrus dans le domaine de la rénovation des bâtiments existants. Sur ce point, les installations géothermiques avec pompe à chaleur sont en mesure d’apporter une contribution majeure. Dans le cas de la géothermie profonde selon le procédé SGS, on peut envisager une douzaine de sites dans une perspective de moyen terme d’ici à l’horizon 2035; la distribution de la chaleur devrait logiquement s’effectuer par le biais de réseaux de chauffage à distance. Les principales mesures qui bénéficient notamment du soutien de l’OFEN portent sur un encouragement adéquat des activités de recherche et de développement ainsi que sur l’optimisation des conditions cadres (mécanismes de capitalrisque, par exemple). La perspective qu’offre la géothermie d’une production d’énergie en ruban (chaleur et électricité) sans émission de substances nocives, figure au centre des intérêts de l‘OFEN.

Adresses, informations

Office fédéral de l’énergie (OFEN) Responsable du domaine Géothermie Markus Geissmann Case postale, CH-3003 Berne [email protected] www.suisse-energie.ch GÉOTHERMIE.CH Organisation faîtière de l’utilisation de la chaleur terrestre en Suisse Société suisse pour la géothermie (SSG) Dr Roland Wyss, secrétaire général Zürcherstrasse 105, CH-8500 Frauenfeld [email protected] www.geothermie.ch Programme de recherche Géothermie de l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) Chef de programme Dr Rudolf Minder Ruchweid 22, CH-8917 Oberlunkhofen [email protected] Responsable de domaine Markus Geissmann Case postale, CH-3003 Berne [email protected] CREGE Centre de recherche en géothermie Dr François-D. Vuataz c/o CHYN, Université de Neuchâtel 11, Rue Emile-Argand CH-2009 Neuchâtel [email protected] www.crege.ch Promotion Suisse centrale et septentrionale Eberhard & Partner SA Dr Mark Eberhard Schachenallee 29, CH-5000 Aarau [email protected] www.eberhard-partner.ch (> géothermie) Promotion Suisse orientale Dr Roland Wyss Sàrl. Zürcherstrasse 105, CH-8500 Frauenfeld [email protected] www.rwgeo.ch

Promotion Suisse romande Centre romand de promotion de la géothermie Jules Wilhelm, Ing.-conseil Chemin du Fau-blanc 26 CH-1009 Pully [email protected] Promotion Tessin c/o LEEE-SUPSI Dr Daniel Pahud Case postale 110 CH-6952 Canobbio [email protected] Groupement promotionnel suisse pour les pompes à chaleur (GSP) Centre d’information sur les PAC Ch. Des Mornex 6, CH-1001 Lausanne [email protected] www.pac.ch Bibliographie Office fédéral de l’énergie (OFEN) / SuisseEnergie – Statistique suisse des sources d’énergie renouvelables – Recherche énergétique, rapports de synthèse des chefs de programme – www.suisse-energie.ch GÉOTHERMIE.CH – Bulletin GÉOTHERMIE.CH – Fiches d’information et fiches techniques – www.geothermie.ch Société suisse des ingénieurs et architectes (SIA) – Documentation D 0179, « Energie aus dem Untergrund – Erdspeicher für mo- derne Gebäudetechnik » – Documentation D 0190, « Utilisation de la chaleur du sol par des ouvrages de fonda- tion et de soutènement en béton – Guide pour la conception, la réalisation et la maintenance » Office fédéral de l’environnement (OFEV) – Directives pour l‘exploitation de la chaleur au moyen de sondes géothermiques fermées, 1994 – Instructions pratiques pour la protection des eaux souterraines, 2004 – www.environnement-suisse.ch

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Impressum Editeur Office fédéral de l’énergie (OFEN) CH-3003 Berne Conception, texte et rédaction Dr Harald Gorhan Chef du programme Géothermie de l’OFEN (jusqu’en 2006) CH-5600 Lenzburg Dr Rudolf Minder Chef du programme Géothermie de l’OFEN (dès 2006) CH-8917 Oberlunkhofen Jürg Wellstein CH-4058 Bâle En collaboration avec Dr Walter Eugster Polydynamics Engineering CH-8048 Zurich [email protected] Dr Mark Eberhard Eberhard & Partner SA CH-5000 Aarau [email protected] Dr Daniel Pahud SUPSI - LEEE – DACD CH-6952 Canobbio [email protected] Dr François-D. Vuataz CREGE - Centre de recherche en géothermie c/o CHYN, Université de Neuchâtel CH-2009 Neuchâtel [email protected] Comité de lecture Prof. Dr Ladislaus Rybach GEOWATT SA CH-8050 Zurich [email protected] Jules Wilhelm, Ingénieur-conseil Centre romand de promotion de la géothermie CH-1009 Pully [email protected] Dr Roland Wyss Organisation faîtière GÉOTHERMIE.CH CH-8500 Frauenfeld [email protected] Mise en page Senger Interactive CH-8057 Zurich Traduction française Suter Consulting CH-3005 Berne et CH-1095 Lutry (VD) www.suterconsulting.com

Géothermie L’utilisation de la chaleur terrestre Aperçu, technologies, visions Editeur : Office fédéral de l’énergie (OFEN) · CH-3003 Berne Distribution : OFCL · Diffusion des publications · CH-3003 Berne · www.bbl.admin.ch/bundespublikationen Numéro de commande 805.016f/10.2006/1500