Ressources géothermiques du département de l Essonne (91)

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1 Ressources géothermiques du département de l Essonne (91) Rapport détaillé BRGM/RP FR décembre 2008

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3 Ressources géothermiques du département de l Essonne (91) Rapport détaillé BRGM/RP FR décembre 2008 Étude réalisée dans le cadre des projets de Service public du BRGM M. Le Nir, S. Bézèlgues, C. Ranquet, A.L. Szymanski G. Darricau, J. Lemale Vérificateur : Nom : Alain Desplan Date : Signature : Approbateur : Nom : Max Le Nir Date : Signature : En l absence de signature, notamment pour les rapports diffusés en version numérique, l original signé est disponible aux Archives du BRGM. Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000. I M AVRIL 05

4 Mots clés : Essonne, Géothermie, Pompes à chaleur, Sondes géothermiques, Potentiel géothermique, Urbanisme, Chauffage urbain, Aquifères superficiels, Aquifères profonds. En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante : Le Nir M., Bézelgues S., Ranquet C., Szymanski A.L., Darricau G., Lemale J. (2009) - Ressources géothermiques du département de l Essonne (91). Rapport détaillé. Rapport BRGM/RP FR, 295 p., 189 fig., 7 ann. BRGM, 2009, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

5 Synthèse Le Conseil général de l Essonne et le BRGM ont souhaité mener une évaluation du potentiel géothermique en Essonne en fonction des projets d urbanisme à venir sur le territoire, pour promouvoir cette énergie, aider et informer les collectivités essonniennes des techniques et des possibilités d utilisation de la géothermie sur le département de l Essonne. Le Conseil régional d Île-de-France et l ADEME ont souhaité être associés à cette étude et à son financement. Le BRGM s est porté maître d ouvrage. Trois conventions distinctes ont donc été signées : - une convention entre le Conseil général de l Essonne et le BRGM ; - une convention entre le Conseil régional et le BRGM ; - une convention entre l ADEME et le BRGM. Les délivrables du projet comprennent ce rapport qui fait la synthèse exhaustive de l étude réalisée et un rapport synthétique à destination des élus et des services techniques des collectivités, qui servira de base à un document de communication qu établira le Conseil général. Le potentiel géothermique des aquifères superficiels de l Essonne est exploitable par pompe à chaleur. Il concerne en Essonne, les aquifères superficiels de température d environ 12 C, Oligocène, Éocène supérieur, Éocène moyen et inférieur et Crétacé supérieur (Craie). Ce potentiel est globalement favorable sur l ensemble de département, à l exception de deux zones au nord et au centre du département, où le potentiel est faible. Le sud et l ouest du département présentent des potentiels géothermiques forts. Le potentiel géothermique des aquifères profonds de l Essonne est exploitable par pompe à chaleur pour les aquifères les moins profonds de l Albien (température C) / Néocomien / Barrémien (température C), et par échange direct de chaleur pour les aquifères plus profonds et plus chauds du Dogger (température C) et du Trias (température C). Le potentiel de l aquifère de l Albien- Néocomien-Barrémien est favorable dans les deux tiers est du département. Le potentiel de l aquifère Dogger est favorable dans la moitié est du département. Le Trias, plus profond et plus chaud, reste inconnu sur le plan de l exploitabilité. Le croisement du potentiel géothermique de chaque aquifère avec les zones urbanisables a permis d obtenir le potentiel géothermique exploitable sur le département de l Essonne, étant entendu que la géothermie ne se développera que de façon très marginale dans l habitat ancien par difficulté d adaptation de l existant, ou en milieu rural par manque de demande. Un regard particulier a été porté sur l utilisation de la géothermie en milieu rural pour des applications agricoles (serres). BRGM/RP FR - Rapport détaillé 3

6 Les surfaces urbanisables à examiner ont été fournies par le Conseil général. Cela a permis d évaluer le nombre maximum d équivalents logements de chacune de ces surfaces pouvant être techniquement chauffés par géothermie. La géothermie sur les aquifères superficiels de l Essonne permettrait d exploiter sur les surfaces urbanisables, une puissance thermique de MW, capable de fournir MWh pour environ 65 % des logements potentiellement constructibles sur l ensemble des communes du département de l Essonne. Les ressources géothermiques sont excédentaires vis-à-vis des besoins pour 60 communes sur 180 ayant des projets d urbanisation. Ces puissances thermiques potentielles représentent une économie annuelle d émission de CO 2 d environ tonnes par rapport à une solution gaz naturel (GN). Sous les aquifères superficiels, plusieurs aquifères profonds sont également disponibles. Le coût d accès à ces ressources profondes les réserve à des projets de tailles importantes qui seuls pourront exploiter et rentabiliser le potentiel thermique d un captage. À côté de cette évaluation générale du potentiel essonnien, dix fiches projets et six possibilités de géothermie profonde au Dogger donnent des exemples de conditions économiques de réalisation de chauffage par géothermie pour différentes situations d urbanisme. Une des fiches est dédiée à l usage de la géothermie pour le chauffage de serres. 4 BRGM/RP FR - Rapport détaillé

7 Sommaire 1. Principes généraux de la géothermie DIFFÉRENTS TYPES DE GÉOTHERMIE Géothermie moyenne et haute énergie Géothermie basse énergie Géothermie très basse énergie DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES D EXPLOITATION GÉOTHERMIQUE Échange direct de chaleur Pompes à chaleur (PAC) Installations mixtes Installations terminales de chauffage Surveillance et maintenance des installations ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX L énergie du sous- sol : une énergie renouvelable Émissions de CO Les opérations géothermiques avec pompe à chaleur Les opérations géothermiques profondes DÉTERMINATION DU POTENTIEL GÉOTHERMIQUE Très basse énergie : aquifères superficiels (de 0 à 600 m) Basse énergie : aquifères profonds PROCÉDURE TECHNIQUE DE LA MISE EN ŒUVRE AIDES ET CADRE ADMINISTRATIF DES OPÉRATIONS Mesures incitatives en Essonne ANAH (Agence Nationale de l Habitat) (particuliers) Amortissement fiscal exceptionnel (entreprises) Contexte administratif de la géothermie La géothermie en Essonne RAPPEL DU CONTEXTE GÉOLOGIQUE Coupe transversale du bassin de Paris Zones aquifères du bassin de Paris et de l Essonne...67 BRGM/RP FR - Rapport détaillé 5

8 2.2. OPÉRATIONS GÉOTHERMIQUES ET RÉSEAUX DE CHALEUR EXISTANTS SUR LE DÉPARTEMENT Opérations géothermiques Recensement des réseaux de chaleur existants Potentiel géothermique des aquifères de l Essonne AQUIFÈRE MULTICOUCHE DE L OLIGOCÈNE Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines Utilisation et contraintes Utilisation potentielle AQUIFÈRE MULTICOUCHE DE L ÉOCÈNE SUPÉRIEUR Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines Utilisation et contraintes Utilisation potentielle AQUIFÈRE MULTICOUCHE DE L ÉOCÈNE MOYEN ET INFÉRIEUR Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines Utilisation et contraintes Utilisation potentielle AQUIFÈRE DE LA CRAIE Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines de l Essonne Utilisation et contraintes Utilisation potentielle AQUIFÈRE DE L ALBIEN Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines Utilisation et contraintes Utilisation potentielle AQUIFÈRE DU NÉOCOMIEN-BARRÉMIEN Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines Utilisation et contraintes Utilisation potentielle BRGM/RP FR - Rapport détaillé

9 3.7. AQUIFÈRE DU LUSITANIEN AQUIFÈRE DU DOGGER Rappels sur la géologie et l hydrogéologie du réservoir Exploitabilité géothermique des eaux souterraines de l Essonne Utilisation et contraintes Utilisation potentielle AQUIFÈRE MULTICOUCHE DU TRIAS Synthèse de l exploitabilité géothermique en Essonne EXPLOITABILITÉ DES AQUIFÈRES SUPERFICIELS Potentiel exploitable de l aquifère Oligocène Potentiel exploitable de l aquifère Éocène supérieur Potentiel exploitable de l aquifère Éocène moyen et inférieur Potentiel exploitable de l aquifère de la Craie EXPLOITABILITÉ DE L ALBIEN ET DU NÉOCOMIEN Potentiel exploitable de l aquifère Albien - Néocomien EXPLOITABILITÉ DE L AQUIFÈRE DU DOGGER Potentiel exploitable de l aquifère Dogger Étude de cas MÉTHODOLOGIE Phase de recensement ou d évaluation des besoins (chauffage refroidissement Eau Chaude Sanitaire) Phase de détermination des hypothèses des principaux paramètres de la ressource Phase d analyse de l adéquation besoins ressource Phase de détermination des principes sommaires de distribution et d émission (pour la/les solution(s) retenues) Phase de définition du système de production Phase d évaluation des investissements Phase d évaluation des coûts d exploitation Phase d étude des premiers éléments économiques Phase de synthèse conclusion ADÉQUATION ENTRE LA RESSOURCE ET LES BESOINS PRINCIPES DE DIMENSIONNEMENT DES INSTALLATIONS BRGM/RP FR - Rapport détaillé 7

10 5.4. ANALYSE DES PROJETS DANS LE DÉPARTEMENT Hypothèses de calcul Étude des dix cas Tableaux récapitulatifs Réflexions sur les études de cas Opérations potentielles réalisables au Dogger Conclusion Bibliographie Lexique Liste des illustrations Figure 1 : Principe de l échange direct de chaleur - Source : d après BRGM im@gé Figure 2 : Dispositifs de pompage - Source : BRGM im@gé Figure 3 : Figure 4 : Figure 5 : Doublets géothermiques avec différentes technologies de forage - Source BRGM im@gé Évolution du COP réel en fonction de la température d évaporation (Te) et de la température de condensation à la source chaude (Tc) Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur à compression (cas de la production de chaleur) - Source : d après BRGM in@gé Figure 6 : Schéma d installations avec capteurs verticaux Figure 7 : Figure 8 : Schéma de principe du fonctionnement de la PAC réversible avec un puits de production Schéma de principe du fonctionnement de la PAC réversible avec deux puits de production Figure 9 : Schéma de principe du fonctionnement d'une thermofrigopompe Figure 10 : Émissions de CO 2 évitées par la mise en œuvre d une solution pompe à chaleur sur nappe Figure 11 : Valeurs de réchauffement global pour les principaux fluides frigorigènes Figure 12 : Schéma de principe environnemental de la PAC Figure 13 : Comparatif environnemental de l utilisation d une PAC par rapport à une solution classique Figure 14 : Équivalences d émissions de CO 2 et de C Figure 15 : Besoins thermiques couverts par la géothermie BRGM/RP FR - Rapport détaillé

11 Figure 16 : Aides financières FEDER Figure 17 : Aides financières accordées par la Région et l ADEME Géothermie profonde...48 Figure 18 : Aides financières accordées par la Région et l ADEME Géothermie de surface...49 Figure 19 : Différentes configurations rencontrées et montant des indemnités correspondantes pour l exemple étudié Figure 20 : Exemple de fonctionnement de la procédure de couverture du risque géologique Figure 21 : Récapitulatif des régimes réglementaires des forages Figure 22 : Schéma hydrogéologique du bassin de Paris...67 Figure 23 : Lithostratigraphie simplifiée du Bassin parisien Figure 24 : Répartition géographique des masses d eau souterraines en Île-de-France Figure 25 : Répartition par aquifère des opérations existantes de géothermie en Essonne...71 Figure 26 : Inventaire des exploitations géothermiques existantes en Essonne selon l aquifère et la technologie utilisée...71 Figure 27 : Inventaire des exploitations géothermiques existantes en Essonne selon l aquifère exploitée et le type d opération Figure 28 : Répartition des sources d'énergie alimentant les réseaux de chaleur...74 Figure 29 : Taux de couverture géothermique Figure 30 : Quantités de CO 2 évitées par an par les apports de la géothermie des quatre opérations au Dogger en Essonne (91) Figure 31 : Répartition des sources d énergie sans géothermie (10 réseaux)...76 Figure 32 : Répartition des sources d énergie avec la géothermie (14 réseaux)...76 Figure 33 : Caractéristiques des réseaux de chaleur localisés dans l'essonne...77 Figure 34 : Lithostratigraphie simplifiée de l Oligocène dans l Essonne Figure 35 : Isoprofondeurs du toit des Marnes vertes sur le département de l Essonne Figure 36 : Profondeur de la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne Figure 37 : Transmissivité de la nappe de l Oligocène et mesures ponctuelles de la transmissivité sur le département de l Essonne...83 Figure 38 : Épaisseur de la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne...84 Figure 39 : Hydrochimie de la nappe de l Oligocène et mesures ponctuelles de la dureté issues de la banque ADES, sur le département de l Essonne...85 Figure 40 : Exploitabilité de la nappe de l Oligocène à des fins géothermiques sur le département de l Essonne...86 Figure 41 : Opérations géothermiques existantes exploitant la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne...87 Figure 42 : Caractéristiques des cinq opérations géothermiques exploitant la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne...87 BRGM/RP FR - Rapport détaillé 9

12 Figure 43 : Localisation des captages AEP exploitant la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne Figure 44 : Emprise de la zone de répartition des eaux ZRE B1 Nappe de Beauce sur le département de l Essonne Figure 45 : Emprise du SAGE Nappe de Beauce sur le département de l Essonne Figure 46 : Lithostratigraphie simplifiée de l Éocène supérieur dans l Essonne Figure 47 : Isoprofondeurs du mur de l Éocène supérieur sur le département de l Essonne Figure 48 : Profondeur de la nappe de l Éocène supérieur sur le département de l Essonne Figure 49 : Transmissivité de la nappe de l Éocène supérieur et mesures ponctuelles de la transmissivité sur le département de l Essonne Figure 50 : Épaisseur de la nappe de l Éocène supérieur sur le département de l Essonne Figure 51 : Hydrochimie de la nappe de l Éocène supérieur et mesures ponctuelles de la dureté issues de la banque ADES, sur le département de l Essonne Figure 52 : Exploitabilité de la nappe de l Éocène supérieur à des fins géothermiques sur le département de l Essonne Figure 53 : Localisation des captages AEP exploitant la nappe de l Éocène Supérieur sur le département de l Essonne Figure 54 : Tous les niveaux ne sont pas présents sur l ensemble du territoire étudié Figure 55 : Isoprofondeurs du toit du Lutétien (toit de l Éocène moyen) sur le département de l Essonne Figure 56 : Isoprofondeurs du mur du Sparnacien (mur de l Éocène inférieur) sur le département de l Essonne Figure 57 : Profondeur de la nappe de l Éocène moyen et inférieur sur le département de l Essonne Figure 58 : Transmissivité de la nappe de l Éocène moyen et inférieur et mesures ponctuelles de la transmissivité sur le département de l Essonne Figure 59 : Épaisseur de la nappe de l Éocène moyen et inférieur sur le département de l Essonne Figure 60 : Hydrochimie de la nappe de l Éocène moyen et inférieur et mesures ponctuelles de la dureté issues de la banque ADES, sur le département de l Essonne Figure 61 : Exploitabilité de la nappe de l Éocène moyen et inférieur à des fins géothermiques sur le département de l Essonne Figure 62 : Opérations géothermiques existantes exploitant la nappe de l Éocène moyen et inférieur sur le département de l Essonne Figure 63 : Caractéristiques de l opération géothermique exploitant la nappe de l Éocène moyen et inférieur sur le département de l Essonne (source Banque de données du Sous-Sol) BRGM/RP FR - Rapport détaillé

13 Figure 64 : Localisation des captages AEP exploitant la nappe de l Éocène moyen et inférieur seul ou en association avec d autres nappes (captages mixtes) sur le département de l Essonne Figure 65 : Lithostratigraphie simplifiée du Crétacé supérieur dans l Essonne Figure 66 : Isoprofondeurs du toit de la Craie sur le département de l Essonne Figure 67 : Isoprofondeurs du mur du Crétacé supérieur sur le département de l Essonne Figure 68 : Profondeur de la nappe de l Éocène moyen et inférieur sur le département de l Essonne Figure 69 : Transmissivité de la nappe du Crétacé supérieur et mesures ponctuelles de la transmissivité sur le département de l Essonne Figure 70 : Épaisseur de la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne Figure 71 : Hydrochimie de la nappe du Crétacé supérieur et mesures ponctuelles de la dureté issues de la banque ADES, sur le département de l Essonne Figure 72 : Exploitabilité de la nappe de la Craie à des fins géothermiques sur le département de l Essonne Figure 73 : Opérations géothermiques existantes exploitant la nappe de l Oligocène sur le département de l Essonne Figure 74 : Caractéristiques de l opération géothermique exploitant la nappe de la Craie sur le département de l Essonne (Banque de données du Sous-Sol) Figure 75 : Localisation des captages AEP exploitant la nappe de la Craie seule ou en association avec d autres nappes (captages mixtes) sur le département de l Essonne (issue de la base de données 2006) Figure 76 : Lithostratigraphie simplifiée du Crétacé inférieur dans l Essonne Figure 77 : Isohypses du toit des sables de l Albien sur le département de l Essonne Figure 78 : Isohypses du mur de l Albien sur le département de l Essonne Figure 79 : Sables de l Albien : relation entre les niveaux de sables (les formations semiperméables ou imperméables sont représentées en italique) Figure 80 : Piézométrie de la nappe de l Albien dans le département de l Essonne Figure 81 : Transmissivité de la nappe de l Albien et mesures ponctuelles de la transmissivité sur le département de l Essonne Figure 82 : Épaisseur cumulée des niveaux sableux dans l Albien, dans le département de l Essonne Figure 83 : Salinité de la nappe de l Albien dans le département de l Essonne Figure 84 : Courbes d isotempérature de l aquifère de l Albien dans l Essonne (91) Figure 85 : Localisation des captages AEP exploitant la nappe de l Albien sur le département de l Essonne Figure 86 : Localisation du département de l Essonne dans la Zone de Répartition des Eaux B5 «Nappes de l Albien et du Néocomien» Figure 87 : Lithostratigraphie simplifiée du Néocomien-Barrémien dans l Essonne Figure 88 : Isohypses du toit des sables du Néocomien sur le département de l Essonne BRGM/RP FR - Rapport détaillé 11

14 Figure 89 : Isohypses du mur du Néocomien sur le département de l Essonne Figure 90 : Piézométrie de la nappe du Néocomien dans le département de l Essonne Figure 91 : Transmissivité de la nappe du Néocomien sur le département de l Essonne Figure 92 : Épaisseur cumulée des niveaux sableux dans le Néocomien-Barrémien, dans le département de l Essonne Figure 93 : Salinité de la nappe du Néocomien-Barrémien dans le département de l Essonne Figure 94 : Courbes d isotempérature de l aquifère du Néocomien dans l Essonne (91) Figure 95 : Opérations géothermiques existantes exploitant la nappe du Néocomien sur le département de l Essonne Figure 96 : Caractéristiques de l opération géothermique exploitant la nappe du Néocomien sur le département de l Essonne (Banque de données du Sous- Sol) Figure 97 : Localisation des captages AEP exploitant la nappe du Néocomien-Barrémien sur le département de l Essonne (91) Figure 98 : Caractéristiques des captages AEP exploitant la nappe du Néocomien- Barrémien sur le département de l Essonne (91) Figure 99 : Lithostratigraphie simplifiée du Lusitanien dans l Essonne Figure 100 : Lithostratigraphie simplifiée du Dogger dans l Essonne Figure 101 : Isohypses du toit du Dogger sur le département de l Essonne Figure 102 : Pression de gisement de la nappe du Dogger dans le département de l Essonne Figure 103 : Transmissivité de la nappe du Dogger sur le département de l Essonne Figure 104 : Épaisseur productive cumulée du Dogger sur le département de l Essonne Figure 105 : Salinité de la nappe du Dogger dans le département de l Essonne Figure 106 : Teneurs en sulfures de la nappe du Dogger dans le département de l Essonne Figure 107 : Températures de la nappe du Dogger dans le département de l Essonne (91) Figure 108 : Exploitabilité géothermique de la nappe du Dogger dans le département de l Essonne (91) Figure 109 : Caractéristiques des cinq opérations géothermiques exploitant la nappe du Dogger dans le département de l'essonne Figure 110 : Inventaire des ouvrages géothermiques en activité et hors service exploitant la nappe du Dogger sur le département de l Essonne Figure 111 : Lithostratigraphie simplifiée du Trias dans l Essonne Figure 112 : Potentiel cumulé du Trias sur le Bassin de Paris Figure 113 : Isohypses du toit du Trias sur le département de l Essonne Figure 114 : Courbes isopaques du Trias sur le département de l Essonne BRGM/RP FR - Rapport détaillé

15 Figure 115 : Synthèse de l exploitabilité géothermique des aquifères superciels dans le département de l Essonne (91) Figure 116 : Potentiel des aquifères superficiels par commune Figure 117 : Potentiel de l'oligocène par commune Figure 118 : Potentiel de l'éocène supérieur par commune Figure 119 : Potentiel de l'éocène moyen et inférieur par commune Figure 120 : Synthèse de l exploitabilité géothermique de l'aquifère de l'albien-néocomien dans le département de l Essonne (91) Figure 121 : Synthèse de l exploitabilité géothermique de la nappe du Dogger dans le département de l Essonne (91) Figure 122 : Tableau récapitulatif des cas étudiés Figure 123 : Récapitulatif des différents types d exploitation et des usages associés Figure 124 : Récapitulatif des différents types d exploitation et des usages associés en fonction de la profondeur de la ressource Figure 125 : Caractéristiques et besoins du site Figure 126 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 127 : Caractéristiques des ouvrages pour le site Figure 128 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 129 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 130 : Rentabilité du projet du site Figure 131 : Caractéristiques et besoins du site Figure 132 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 133 : Caractéristiques des ouvrages pour le site Figure 134 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 135 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 136 : Rentabilité du projet du site Figure 137 : Débits nécessaires et nombre de sondes selon le type d exploitation Figure 138 : Caractéristiques et besoins du site Figure 139 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 140 : Caractéristiques des ouvrages pour le site Figure 141 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 142 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 143 : Rentabilité du projet du site Figure 144 : Schéma d un mini réseau pour les logements individuels Figure 145 : Caractéristiques et besoins du site Figure 146 : Caractéristiques des nappes au droit du site BRGM/RP FR - Rapport détaillé 13

16 Figure 147 : Caractéristiques des ouvrages pour le site Figure 148 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 149 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 150 : Rentabilité du projet du site Figure 151 : Caractéristiques et besoins du site Figure 152 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 153 : Caractéristiques des ouvrages pour le site Figure 154 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 155 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 156 : Rentabilité du projet du site Figure 157 : Caractéristiques et besoins du site Figure 158 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 159 : Principales configurations envisagées pour le site Figure 160 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 161 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 162 : Rentabilité du projet du site Figure 163 : Caractéristiques et besoins du site Figure 164 : Bilan énergétique et e nvironnemental pour le site Figure 165 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 166 : Rentabilité du projet du site Figure 167 : Aquifères exploitables pour l'exemple de serres agricoles Figure 168 : Couverture géothermique par l aquifère de l Éocène Supérieur et surfaces de serres potentiellement couvertes Figure 169 : Couverture géothermique par l aquifère de l Éocène Moyen et Inférieur et surfaces de serres potentiellement couvertes Figure 170 : Schéma de principe du chauffage de serres agricoles par les aquifères superficiels Figure 171 : Couverture géothermique par l aquifère de l Albien-Néocomien et surfaces de serres potentiellement couvertes Figure 172 : Couverture géothermique par l aquifère du Dogger et surfaces de serres potentiellement couvertes Figure 173 : Prix du MWh géothermique pour le Dogger selon la surface des serres (ha) Figure 174 : Caractéristiques et besoins du site Figure 175 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 176 : Caractéistiques des ouvrages pour le site Figure 177 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 178 : Bilan du coût des travaux géothermiques pour le site BRGM/RP FR - Rapport détaillé

17 Figure 179 : Rentabilité du projet du site Figure 180 : Caractéristiques et besoins du site Figure 181 : Caractéristiques des nappes au droit du site Figure 182 : Caractéristiques des ouvrages pour le site Figure 183 : Bilan énergétique et environnemental pour le site Figure 184 : Bilan des coûts des travaux géothermiques pour le site Figure 185 : Rentabilité du projet du site Figure 186 : Synthèse des sites répertoriés dans l'essonne Figure 187 : Classement des opérations par critères Figure 188 : Tableau d'analyse multicritères Figure 189 : Études de préfaisabilité au Dogger Liste des annexes Annexe 1 : Cahier des Charges Étude de faisabilité Utilisation d une pompe à chaleur sur Nappe aquifère superciel Champ de sondes verticales Annexe 2 : Cahier des charges Étude de faisabilité d un réseau de chaleur géothermique Opération type Dogger (Sud de Paris) Annexe 3 : PO FEDER «Compétitivité régionale et emploi» Axe 3 - fiche action Annexe 4 : Procédure AQUAPAC Annexe 5 : Nomenclature des opérations soumises à autorisation ou à déclaration en application des articles l à l du code de l'environnement (Titres 1 et 5) Annexe 6 : Bilan des opérations géothermiques réalisées au Dogger Annexe 7 : Liste des sites répertoriés dans l Essonne et leurs caractéristiques BRGM/RP FR - Rapport détaillé 15

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19 1. Principes généraux de la géothermie La géothermie se définit comme l exploitation de la chaleur stockée dans l écorce terrestre et ayant pour origine à la fois le refroidissement du noyau terrestre et surtout la désintégration naturelle des éléments radioactifs contenus dans les roches profondes 1. L énergie géothermique est présente partout à la surface du globe ; elle se manifeste par le gradient géothermique (élévation de la température avec la profondeur) qui est en moyenne de 3,3 C par 100 m à l échelle de la Terre et du Bassin parisien. Des variations locales de gradient géothermiques sont néanmoins observées ; elles sont reliées à l âge des formations géologiques et à leur composition. L énergie géothermique peut être utilisée pour le chauffage, la climatisation, ou la production d électricité par le biais de différentes technologies. La possibilité de mettre en œuvre chacune de ces technologies dépend du contexte géologique et hydrogéologique. On distingue généralement : la géothermie très basse énergie, la géothermie basse énergie, la géothermie moyenne énergie et la géothermie haute énergie DIFFÉRENTS TYPES DE GÉOTHERMIE Géothermie moyenne et haute énergie Ces types d énergie géothermique correspondent à l utilisation des ressources thermiques (eau et vapeur) dont la température est comprise entre 90 et 150 C (moyenne énergie) ou supérieure à 150 C (haute énergie). Ces ressources sont utilisées directement ou indirectement pour la production d électricité et sont localisées à proximité des grands arcs volcaniques ou des zones à fort gradient thermique. Du fait de son contexte géologique, l Île-de-France en général et le département de l Essonne en particulier, ne sont pas concernés par ces types de géothermie, le gradient géothermique y étant égal au gradient moyen soit 3,3 C pour 100 m. En effet pour ce gradient, il faut descendre au-delà de m de profondeur pour espérer atteindre une température de 100 C Géothermie basse énergie La géothermie basse énergie correspond à l utilisation des ressources thermiques dont la température est comprise entre 30 et 90 C. Ces ressources sont exploitables de plusieurs manières, en fonction de la température de la ressource : soit par échange direct de chaleur, soit par l intermédiaire d une Pompe A Chaleur (PAC). 1 Varet J., 1982 Géothermie basse énergie : usage direct de la chaleur. Masson. BRGM/RP FR - Rapport détaillé 17

20 Ce type d énergie géothermique est surtout localisé dans les bassins sédimentaires tels le bassin parisien ou le bassin aquitain, en présence d un aquifère offrant une perméabilité satisfaisante et une température acceptable. Dans l Essonne, ces températures peuvent être atteintes à partir de 900 m de profondeur. On y trouve les aquifères du Néocomien-Barrémien pour l extrême nordest du département, du Lusitanien exploitable dans le nord-est du département, et du Dogger, exploitable dans le nord et la partie est du département. Le Trias, plus profond et plus chaud, reste inconnu sur le plan de l exploitabilité Géothermie très basse énergie La géothermie très basse énergie correspond à l utilisation des ressources thermiques dont la température est inférieure à 30 C. À cette température, la ressource ne peut généralement pas être exploitée par un simple échangeur de chaleur, et nécessite donc la mise en place d une pompe à chaleur (PAC) (cf ) qui prélève l énergie de la source de chaleur à basse température (roche, nappe aquifère) pour augmenter la température d un fluide secondaire jusqu à une température compatible avec l usage. La ressource géothermique de très basse énergie correspond à l énergie naturellement présente dans le proche sous-sol, ou dans les aquifères peu profonds. Elle est fréquemment exploitée en Île-de-France, particulièrement bien pourvue en nappes aquifères à faible profondeur. En Essonne, cette ressource géothermique concerne les aquifères superficiels :, Oligocène, Éocène supérieur, Éocène moyen et inférieur, Crétacé supérieur (Craie) et Albien DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES D EXPLOITATION GÉOTHERMIQUE Selon la température de la ressource et l existence ou pas d un aquifère au droit du site visé, plusieurs technologies d exploitation sont envisageables : les technologies par échange de chaleur direct ou assistées par PAC par prélèvement sur nappes ou par échange sur sous-sol. Pour les dispositifs équipés de PAC, selon les besoins, il est possible de fournir du chaud, du froid ou les deux alternativement ou simultanément. Enfin, quelle que soit la technologie utilisée pour produire de la chaleur ou du rafraîchissement, les dispositifs terminaux doivent être compatibles avec le niveau de température de la chaleur fournie Échange direct de chaleur Les installations fonctionnant par échange direct de chaleur utilisent les eaux géothermales et s intéressent donc aux nappes d eau souterraine dont la température 18 BRGM/RP FR - Rapport détaillé

21 est naturellement élevée (géothermie basse énergie). En Île-de-France, c est le cas des installations qui exploitent les eaux de l aquifère dit du Dogger. Figure 1 : Principe de l échange direct de chaleur - Source : d après BRGM im@gé. L eau géothermale est prélevée dans l aquifère au niveau d un forage de prélèvement ou puits de production, puis elle circule jusqu à un échangeur de chaleur qui permet de transférer la chaleur depuis l eau prélevée vers le «circuit géothermique». L eau géothermale refroidie est ensuite renvoyée dans l aquifère d origine par le biais d un second forage dit puits d injection. Le chemin suivi par l eau géothermale depuis son prélèvement jusqu'à sa réinjection constitue la «boucle géothermale». Ce fonctionnement comprenant un puits de prélèvement et un puits d injection est appelé «doublet géothermique». Le «circuit géothermique» correspond au réseau de distribution de la chaleur ; il permet l approvisionnement en chaleur des utilisateurs. Les installations de ce type nécessitent donc la création de forages. Ceux-ci doivent être réalisés selon les règles de l art (norme AFNOR expérimentale NF X et fascicule FD X10-980), afin d assurer une durée de vie correcte à l installation et d éviter tout risque de dégradation de la ressource en eau souterraine. Dispositif de pompage Pour fonctionner, ce type d installation géothermique doit bénéficier d un débit d'eau régulier et suffisant. Dans certains cas, si la pression de l eau contenue dans le réservoir est supérieure à la pression atmosphérique, le débit est artésien et peut se suffire à lui-même. Dans le cas contraire, pour exploiter un débit supérieur au débit artésien, il est alors nécessaire d avoir recours à un dispositif de pompage. BRGM/RP FR - Rapport détaillé 19

22 Les pompes comportent toutes une partie hydraulique immergée descendue en profondeur (de 100 à 400 m de profondeur selon le rabattement appliqué à la nappe) et un moteur. On distingue généralement trois types de pompes selon l emplacement du moteur : - pompes immergées : le moteur est immergé sous le dispositif hydraulique ; - pompes à arbre long : le moteur est placé en surface ; - turbopompe : ce système fonctionne grâce à une circulation d'eau géothermale surpressée en surface, il présente un rendement inférieur aux deux autres types de pompes mais une durée de vie supérieure aux pompes immergées. Figure 2 : Dispositifs de pompage - Source : BRGM im@gé. La colonne d exhaure amène ensuite l eau de la pompe à la surface du sol où elle est reprise par d autres canalisations jusqu à l échangeur de chaleur. Les pompes immergées sont largement utilisées dans le Bassin parisien pour pomper la nappe du Dogger. Elles permettent d'obtenir des débits importants supérieurs à 300 m 3 /h. Les échangeurs de chaleur Dans le cas d une installation géothermique de basse énergie, un échangeur de chaleur est placé entre la «boucle géothermale» et le «circuit géothermique» de distribution de chaleur. L eau chaude issue de l aquifère, chargée de sels minéraux, circule alors uniquement dans la «boucle géothermale». Les eaux géothermales étant généralement corrosives, ce fonctionnement permet d éviter la corrosion du réseau de chaleur. Les échangeurs peuvent être de types différents : échangeurs multitubulaires, 20 BRGM/RP FR - Rapport détaillé

23 échangeurs spirales, échangeurs à plaques. Les échangeurs à plaques, plus performants et plus commodes pour la maintenance, sont les plus utilisés. La performance d'un échangeur placé dans une installation de géothermie est caractérisée par l'écart entre les températures à l'entrée de la boucle géothermale (Te) et à la sortie du circuit géothermique (Td) (cf. Figure 1). Cet écart appelé «pincement», doit être aussi faible que possible (de l'ordre de 2 C). Les échangeurs à plaques sont constitués de plaques de faible épaisseur, assemblées verticalement les unes à la suite des autres. Les espaces entre les plaques sont alternativement traversés par le circuit primaire (eau géothermale) et par le circuit secondaire (circuit géothermique). Ces échangeurs permettent d avoir une surface d'échange importante pour un espace réduit. Ils peuvent être agrandis en ajoutant le nombre de plaques nécessaires. Les matériaux utilisés dans les échangeurs doivent pouvoir résister à la corrosion inhérente à la majorité des fluides géothermaux. Ils peuvent être constitués en acier revêtu, en acier inoxydable ou en titane. Ce dernier matériau s'est révélé particulièrement adapté aux exigences d'exploitation du fluide du Dogger du Bassin parisien chargé notamment en sulfures. Réinjection Pour des raisons de protection quantitative de la ressource en eau souterraine, il est recommandé de pratiquer la réinjection de l eau géothermale refroidie (à la température Ts) dans l aquifère d origine. Cette technique permet de maintenir les pressions au sein du réservoir aquifère. Aussi, les dispositifs de pompage sans réinjection ne seront pas évoqués dans le présent rapport. Sur le plan thermique, ce dispositif entraîne la création d une zone froide d extension progressivement croissante autour du forage d injection. Le doublet doit donc être dimensionné de façon à ce que le front froid n atteigne pas le puits de production avant amortissement de celui-ci (20 à 30 ans) et ne perturbe pas les exploitations voisines. Il s agit de gérer durablement la ressource et son exploitation. Le dimensionnement de ces dispositifs est basé sur une bonne connaissance du contexte hydrogéologique. Le risque de recyclage thermique, la distance à respecter entre les puits (de production, d injection et d autres usages) et le temps de percée thermique du doublet (temps nécessaire à la contamination thermique du puits de production par l eau injectée dans le puits d injection) doivent être évalués lors de l étude de dimensionnement des installations. Ces considérations spatiales, associées à l obligation de respect des périmètres de protection autour des puits de prélèvement et de réinjection, peuvent avoir des impacts fonciers importants, qui ne sont pas toujours acceptables, surtout en contexte urbain. Dans de telles situations, le recours à des technologies de forage particulières, comme les forages inclinés ou déviés, peut pallier au manque d espace disponible en surface. En effet, ceux-ci permettent un écartement important entre les puits de production et d injection, tout en limitant l impact foncier en surface. BRGM/RP FR - Rapport détaillé 21

24 Les forages déviés ne sont envisageables que pour les aquifères profonds comme le Dogger. Pour les aquifères supérieurs, la déviation ne conduirait pas à un écartement suffisant des points de prélèvement et de réinjection. Figure 3 : Doublets géothermiques avec différentes technologies de forage - Source BRGM im@gé. Dans le cas où l aquifère pourrait présenter des eaux de qualité suffisante pour être une ressource en eau potable (cas de l aquifère de l Albien, classé réserve stratégique d eau potable pour l Île-de-France) il est possible d envisager un système de pompage géothermique en doublet fonctionnant toute l année et couplé à un système d Alimentation en Eau Potable (AEP) utilisé seulement en cas de nécessité (réserve de secours). Des mesures de précaution seront alors nécessaires Pompes à chaleur (PAC) Si la température naturelle de la ressource en eau souterraine n'est pas suffisamment élevée pour mettre en pratique l échange direct de chaleur, le recours aux pompes à chaleur permet malgré tout de produire de la chaleur et/ou de la fraîcheur. Une pompe à chaleur est un système thermodynamique qui fonctionne entre deux sources : une source froide et une source chaude. Le principe consiste à prélever des calories à basse température dans un milieu (source froide) et de les transférer à plus haute température dans un autre (source chaude). Ce transfert se fait via un fluide caloporteur ou fluide frigorigène qui présente un point d ébullition à basse température. Le fluide circule en circuit fermé, et le transfert de chaleur de la source froide vers la source chaude ne peut se réaliser que s il y a apport extérieur d énergie 1 (compresseur). Dans un fonctionnement classique en mode chauffage, la source froide correspond au milieu extérieur (nappe aquifère, sous-sol) et la source chaude correspond au bâtiment cible à chauffer. 1 ADEME, ARENE, BRGM, EDF, 2008 Guide technique Pompe à chaleur géothermique sur aquifère Conception et mise en œuvre. 22 BRGM/RP FR - Rapport détaillé

25 Une pompe à chaleur est caractérisée par son COefficient de Performance, COP, qui est le rapport entre l énergie récupérée et l énergie dépensée sous forme mécanique. L énergie mécanique est généralement apportée par un compresseur entraîné par un moteur électrique. Les autres constituants de la PAC sont un échangeur côté source froide dénommé «évaporateur» et un échangeur côté source chaude nommé «condenseur». Dans la pratique, du fait de la difficulté d évoluer selon le cycle théorique de Carnot et des rendements des équipements du système (moteurs, échangeurs, pertes de charges des circuits frigorifiques ), le COP réel est affecté d un coefficient de 0,4 à 0,7. Le COP sera d autant plus élevé que l écart de température entre la source et le milieu à chauffer sera faible. La performance du système est fonction à la fois de la température où l on prélève les calories (source froide) et du milieu où on transfert la chaleur (source chaude). Figure 4 : Évolution du COP réel en fonction de la température d évaporation (Te) et de la température de condensation à la source chaude (Tc). Il existe aujourd hui deux grandes familles de pompes à chaleur selon la nature de l énergie apportée au système : - les pompes à chaleur à compression (énergie mécanique) ; - les pompes à chaleur à absorption (énergie thermique) largement moins diffusées. PAC à compression Dans le cas d une PAC à compression, l apport d énergie se fait sous forme de travail mécanique (cf. Figure 5). La chaleur est prélevée à la source froide (aquifère, sous-sol) par le fluide frigorigène au niveau de l «évaporateur» (1). Le fluide réchauffé passe à BRGM/RP FR - Rapport détaillé 23

26 l état de vapeur à haute température. La vapeur est dirigée vers le «compresseur» (2) qui la comprime et augmente sa pression. La vapeur haute pression et haute température est alors dirigée vers le «condenseur» (3). En se condensant, la vapeur transmet sa chaleur à la source chaude (milieu à chauffer), ce qui a pour effet de diminuer sa température et le fluide passe à l état liquide. Le liquide à haute pression et basse température redescend à basse pression via un «détendeur» (4) avant d être réintroduit dans la boucle. Figure 5 : Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur à compression (cas de la production de chaleur) - Source : d après BRGM in@gé. Ce système fonctionne grâce à un apport extérieur d énergie mécanique : le compresseur est entraîné par un moteur électrique. PAC à absorption La PAC à absorption se distingue de la PAC à compression par le fait que l énergie apportée au système est de l énergie thermique. Ce système présente l avantage de pouvoir produire de la chaleur ou du froid sans avoir de pièces en mouvement. Généralement, les PAC à absorption sont utilisées pour la production de froid. Le principe de fonctionnement général de la PAC à absorption est le même que celui de la PAC à compression sauf que la chaleur est produite par une réaction exothermique différente : absorption de vapeur dans une solution frigorigène au lieu de compression de vapeur. Le COP fourni par une PAC à absorption est nettement inférieur à celui des PAC à compression. Cette technologie est peu utilisée pour la géothermie en France. Selon la nature de la source froide, milieu de prélèvement des calories, il est également possible de distinguer deux types de PAC: 24 BRGM/RP FR - Rapport détaillé

27 - PAC sur aquifère : la source froide correspond à l eau d une nappe souterraine ; - PAC sur le sous-sol : la source froide correspond au sous-sol lui-même indépendamment de la présence d un aquifère. Le prélèvement de calories se fait par échange. Applications PAC sur aquifère Le principe des pompes à chaleur sur nappe repose sur le prélèvement et le transfert des calories contenues dans les eaux souterraines. Il existe donc une infrastructure souterraine destinée à assurer le flux d eau depuis la nappe jusqu à son point de rejet, en passant par la PAC. Le principe de fonctionnement est le même que dans le cas des échanges directs de chaleurs, mais ici, la boucle est complétée par la PAC : - prélèvement d eau souterraine ; Boucle géothermale - production de chaleur au niveau de la PAC ; - réinjection dans l aquifère d origine. Le dispositif de doublet géothermique est conservé, et les mêmes précautions de dimensionnement et de réalisation doivent être prises (éviter les interférences hydrauliques et thermiques entre puits d injections et puits de production et entre doublet géothermiques et forages environnants, réalisation des forages conformément aux règles de l art ). PAC sur le sous-sol Dans ce cas, l énergie du sous-sol est directement exploitée et non la chaleur de l eau d un aquifère. Les PAC sur sol sont préférentiellement adaptées aux zones dépourvues de nappe d eau souterraine exploitable. Il existe deux types de capteurs, les sondes verticales et les capteurs horizontaux. Sondes verticales ou géothermiques Les sondes géothermiques correspondent à des capteurs géothermiques verticaux qui descendent à une profondeur généralement inférieure à 100 m, mais qui pourrait être supérieure. Elles sont également appelées «géosondes» ou «sondes sèches». Elles présentent l avantage d avoir une faible emprise foncière et sont donc adaptées aux projets où la surface disponible est limitée. La sonde correspond à deux tubes en U en matériau synthétique placés dans le forage. Le contact entre ce capteur et le sous-sol se fait par l intermédiaire d un mélange de ciment et de bentonite. Le système est parcouru par un liquide antigel qui est ensuite mené à la PAC en surface (cf. Figure 6). BRGM/RP FR - Rapport détaillé 25

28 Champ de sondes Figure 6 : Schéma d installations avec capteurs verticaux. La capacité de prélèvement de chaleur dépend du contexte géologique et de la nature des roches traversées (conductivité thermiques ). Elle est de l ordre de 50 W/m. Pour assurer des puissances comparables à celles prélevées sur aquifère, il est nécessaire d utiliser plusieurs sondes dont l implantation doit respecter certaines dispositions. On constitue alors un «champ de sondes». Capteurs horizontaux Les capteurs horizontaux permettent d exploiter la chaleur géothermique à très faible profondeur. Ces capteurs sont organisés en réseau de tubes horizontaux installés en boucles et enterrés à une profondeur allant de 60 cm à 1,20 m qui vont permettre le prélèvement de l énergie contenue dans le proche sous-sol. Dans les tubes, un fluide circule en circuit fermé et, selon la technologie employée, il peut s agir, soit d'eau additionnée d'antigel (dans ce cas les tubes sont en polyéthylène), soit du fluide frigorigène qui circule également dans la PAC. Généralement, la surface de terrain à mobiliser pour installer le capteur doit correspondre à 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. Ces conditions de surface ne sont pas toujours envisageables, d autant plus dans un contexte à forte pression foncière comme le contexte francilien. Cette technique est généralement réservée aux pavillons individuels disposant d un terrain suffisant Installations mixtes Pompe à chaleur réversible Il est également possible d utiliser des installations mixtes, PAC réversibles, qui assurent la production de chaleur en hiver et la production de froid en été. Pour ce 26 BRGM/RP FR - Rapport détaillé