La géothermie nouvelle génération au service de la biodiversité. Michel Roy et Fanny Eppner Johnson Controls, Montréal, Canada

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1 La géothermie nouvelle génération au service de la biodiversité Michel Roy et Fanny Eppner Johnson Controls, Montréal, Canada Séminaire ASHRAE Montréal 11 mars 2019

2 Plan de la présentation Introduction Description des puits à colonne permanente (PCP) Contexte Étude de cas Projet de Tropiques Nord Présentation du site Description du projet en mode ESE Avantages des PCP Défis rencontrés Suivi des températures (résultats préliminaires) Aspects pratiques et enjeux Demande d autorisation (évaluation environnementale du site, essai de pompage, étude hydrogéologique) Qualité de l eau Conclusions 2/30

3 Introduction Description des PCP Les PCP sont un type d échangeur de chaleur souterrain hybride entre: Les boucles fermées: Les boucles ouvertes: Source: Eppner F. Évolution thermo-hydro-géochimique d un puits à colonne permanente conduisant à la précipitation et à la dissolution de la calcite [Ph.D. thesis]. Polytechniqu Montréal; /30

4 Introduction Description des PCP Puits à colonne permanente: Source: Nguyen, A., Pasquier, P., Marcotte, D., Influence of groundwater flow in fractured aquifers on standing column wells performance. Geothermics 58, /30

5 Introduction Description des PCP PCP: Efficacité élevée m Coûts moyens: 5000$/tonne Débits prélevés faibles Intégré à des bâtiments existants Risques géochimiques Boucle fermée: Fiable Efficacité faible m Coûts élevés: 7500$/tonne Boucle ouverte: Efficacité élevée m Coûts faibles: 2500$/tonne Aquifère productif Risques géochimiques 5/30

6 Introduction Description des PCP Capacité des types d échangeur de chaleur souterrain: Source: Pasquier, P. (2018). GML6953 : Géothermie de basse température. École Polytechnique de Montréal. 6/30

7 Introduction Contexte Contexte au USA: Technologie éprouvée aux États-Unis: exemple de la Cathédrale Saint-Patrick de New York. Source image : 7/30

8 Introduction Contexte Contexte au Québec: Technologie relativement nouvelle au Québec, mais en expansion: Développement accru de la recherche, à l École Polytechnique de Montréal: o Unité de recherche en géothermie des Professeurs Philippe Pasquier et Benoit Courcelles. Intérêt marqué dans l industrie, à l affût de technologies innovantes; Les propriétaires d immeuble s intéressent davantage aux PCP. Source image : 8/30

9 Étude de cas Présentation du site Tropiques Nord Emplacement: 9/30

10 Étude de cas Présentation du site Tropiques Nord Tour à Condominiums: Bâtît en 1989; 12 étages; 120 condos; Une serre de pi 2 ; Défi pour la gestion des conditions climatiques. 10/30

11 Étude de cas Présentation du site Gestion des conditions climatiques: Gradient de température élevé; Humidité élevée; Condensation sur les surfaces froides; Inconfort des occupants, car les condos sont connectés à la serre. 11/30

12 Étude de cas Description du projet en mode ESE Projet en mode ESE (entreprise de services éconergétiques): Étude de faisabilité: o o o o Identification des mesures d économie d énergie; Calculs des économies d énergie; Calculs des périodes de retour sur investissement des mesures; Demande de subventions; Implantation des mesures; Suivi énergétique. 12/30

13 Étude de cas Description du projet en mode ESE Caractéristiques du système: 4 PCP de 450 m foré dans le roc (~ 20 tonnes/puits); 1 puits de réinjection; 100 tonnes de thermopompes; Dimensionnement à ~15% de la pointe de chauffage: o 1000 MMBtu pour une pointe de 7000; o 50% d économie; Débit total d opération prévu: o ~1135 l/min (1635 m 3 /jour); o Saignée d environ 5%. Potentiel de déshumidification/charge de refroidissement (20-40 tonnes total). 13/30

14 Étude de cas Description du projet en mode ESE Aménagement des puits: 14/30

15 Étude de cas Description du projet en mode ESE Chauffage: 15/30

16 Étude de cas Description du projet en mode ESE Climatisation: 16/30

17 Étude de cas Description du projet en mode ESE Chauffage et climatisation balancés: 17/30

18 Étude de cas Description du projet en mode ESE Chauffage > Climatisation: 18/30

19 Étude de cas Description du projet en mode ESE Climatisation > Chauffage: 19/30

20 Étude de cas Description du projet en mode ESE Résultats préliminaires: 20/30

21 Étude de cas Avantage des PCP Pourquoi les PCP dans ce projet? Boucle fermée: o Prend beaucoup d espace; Boucle ouverte: o Pas d aquifère très productif; Boucle ouverte avec le fleuve: o Complications au niveau environnemental; o Qualité de l eau (encrassement des échangeurs); PCP: o Prennent peu d espace; o Débits pompés dans l aquifère faible; o Stockage thermique; o Coût plus faible que les boucles fermées. 21/30

22 Étude de cas Défis rencontrés Défis rencontrés: Difficultés lors du dimensionnement: o Dépend de la quantité d eau disponible; o Dépend du type de sol; Aquifère peu productif; Bris mécanique de la foreuse; Sonde de pression utilisée durant l essai de pompage coincée dans un puits; Ajustement des séquences de contrôles. 22/30

23 Aspects pratiques et enjeux Demande d autorisation Demande d autorisation: Si le pompage est supérieur à L par jour, il faut envoyer une demande d autorisation de prélèvement d eau au MELCC* (article de la Loi sur la qualité de l environnement). Les étapes: 1. Caractérisation du terrain - Phase I; 2. Essai de pompage; 3. Rapport hydrogéologique; 4. Compléter les formulaires requis. * Ministère de l Environnement et Lutte contre les changements climatiques 23/30

24 Aspects pratiques et enjeux Qualité de l eau Importance de la qualité de l eau: La qualité de l eau est un enjeu majeur, car il y a un risque de: Précipitation de minéraux (colmatage); Corrosion. Impacts de la précipitation sur: La rugosité des tuyaux et les pertes de charge; La perméabilité du milieu géologique; Le transfert de chaleur; Le débit de pompage; Le débit de réinjection. Impact de la corrosion: Usure de la tuyauterie et des équipements. Source image: 24/30

25 Aspects pratiques et enjeux Qualité de l eau Précipitation de la calcite: Précipitation de la calcite liée: 1. Aux variations de la température (T), via les constantes de réaction (Plummer et al. (1978)). 2. Au dégazage du CO 2 : La solubilité du CO 2 diminue lorsque la température augmente; Le dégazage est favorisé par le brassage mécanique de l eau (pompage/réinjection). La calcite a plutôt tendance à précipiter (Eppner, 2016): L été, en mode climatisation, lorsque la température de l eau augmente; Toute l année, lorsque le dégazage du CO 2 est important; Impact positif de la saignée, car elle abaisse les variations de la température et de la signature chimique l eau dans le puits et qu elle évacue une partie des ions en solution. 25/30

26 Aspects pratiques et enjeux Qualité de l eau Ocre ferreuse Provenance: Réaction chimique: au contact de l air, le fer forme l hydroxyde de fer; et/ou Processus biologique: les bactéries ferrugineuses peuvent former cette boue; Elle obstrue: La tuyauterie; Le puits; L échangeur de chaleur, etc. Source image: Matthey Ingénieurs-Conseils SA 26/30

27 Aspects pratiques et enjeux Qualité de l eau Mesures de mitigation: Pas de mesure miracle connue à ce jour (filtration, osmose inverse, traitement UV, échangeur Therm-X, etc.); Des recherches sont en cours, notamment à l école Polytechnique de Montréal; Possibilité d installer deux échangeurs de chaleur; Utiliser la saignée même si d un point de vue thermique elle n est pas nécessaire. Source image gauche: Matthey Ingénieurs-Conseils SA Source image droite: 27/30

28 Conclusions Technologie en pleine croissance au Québec: Belle avancée dans les dernières années: o Au niveau de la recherche; o Dans l industrie avec l apparition des premiers projets de PCP; Avantages des PCP: o Installation possible pour des bâtiments existants avec un espace restreint ; o Pas besoin d un aquifère très productif; o Réduction des gaz à effet de serre. Pour le projet de Tropiques Nord, en attente des premiers résultats. 28/30

29 Références 1) Eppner F. Évolution thermo-hydro-géochimique d un puits à colonne permanente conduisant à la precipitation et à la dissolution de la calcite [Ph.D. thesis]. Polytechniqu Montréal; ) Nguyen, A., Pasquier, P., Marcotte, D., Influence of groundwater flow in fractured aquifers on standing column wells performance. Geothermics 58, ) Pasquier, P. (2018). GML6953 : Géothermie de basse température. École Polytechnique de Montréal. Sites Internet: 1) 2) 3)

30 Merci! Questions?