LA GEOTHERMIE BASSE TEMPERATURE

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Anne-Marie Jobin
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1 LA GEOTHERMIE BASSE TEMPERATURE, ingénieur ENSG Université d Eté des Sciences de la Terre,IGEN/SGF Montgenèvre 25 et 26/09/2015

2 Les différents systèmes PAC Il convient de rappeler le principe de fonctionnement des pompes à chaleur. Il est basé sur les principes de la thermodynamiques (équivalence du travail et de la chaleur). Une pompe à chaleur est un système thermodynamique qui fonctionne avec deux sources: une froide et une chaude.

3 Schéma de principe

4 Principe de fonctionnement: le cycle de Carnot Ce cycle étudie les échanges thermiques d un fluide parfait entre deux isothermes et deux adiabatiques. La surface comprise entre ces 4 courbes représente l énergie mécanique Wm que la machine reçoit.

5 Lorsque le cycle se déroule dans le sens antihoraire la machine thermique fonctionne alors en machine frigorifique (pompe à chaleur) et l'énergie thermique est transportée de la source froide vers la source chaude. Pour assurer le déroulement du cycle, la pompe à chaleur reçoit de l'énergie mécanique (en pratique le compresseur délivrant cette énergie est le plus souvent entraîné par un moteur électrique). Avec des températures en K aux sources chaude et froides suivantes Tc température source chaude, Tf température source froide

6 On a d après l équation des gaz parfaits Wc = PcVc = RTc et Wf = PfVf = RTf où R est la constante universelle des gaz parfaits ( 8, J K-1 mol-1) Le principe de la conservation de l'énergie permet d'écrire que Wc = Wm + Wf (en d'autre terme au cours d'un cycle, l'énergie thermique envoyée par la pompe à chaleur vers la source chaude est égale à celle reçue par celle-ci en provenance de la source froide majorée de l'énergie mécanique nécessaire à l'élaboration du cycle) L énergie mécanique fournie par le compresseur est donc égal à Wm = Wc - Wf = = PcVc - PfVf = R (Tc - Tf) Et le COP représentatif du rendement de la pompe à chaleur est égal à COP = PcVc / Wm = Tc / (Tc - Tf)

7 COP et température Application numérique lorsque la température de la source chaude Tc varie Calcul théorique effectué pour une température donnée à la source froide de Tf = 10 C (ou 283K) On constate que le rendement de la machine thermique change selon la température à la source chaude Tc Température source chaude T c Centigrades Kelvin COP théorique 30 C 303K 15,2 40 C 313K 10,4 50 C 323K 8,1 60 C 333K 6,7

8 La théorie des gaz parfaits conduit à des résultats optimistes qui ne sont malheureusement pas atteint dans la pratique. Les COP réels tenant compte des imperfections du cycle sont plus faibles. Le rendement réel est probablement affecté par une mauvaise isolation, des frottements, le fait que les deux transformations dites adiabatique ne le sont pas totalement, le mode de régulation adopté pour la pompe à chaleur. Toutes ces raisons peuvent expliquer pourquoi les COP obtenus dans la réalité sont sensiblement divisés par deux. Les résultats corroborent ceux de la formule COP = 1/(1-1/(Tc/Tf) = Tc / (Tc - Tf)

9 Les différents types de PAC Il existe deux familles de PAC Les PAC à compression Les PAC à absorption

10 Les PAC à compression La chaleur prélevée au niveau de la source froide est captée par le fluide caloporteur au niveau de l évaporateur. Il y a changement d état du fluide (passage à l état vapeur). Le compresseur comprime la vapeur d où une augmentation de température. Au niveau du condenseur, il y a transfert de chaleur au milieu à chauffer. Il y a condensation puis le cycle recommence

11 Les PAC à compression

12 Les PAC à absorption Dans ce cas, l énergie est apportée sous forme de chaleur. Il y a affinité entre un fluide frigorigène pour un autre liquide. Par exemple: ammoniac pour l eau ou eau et bromure de lithium

13 Les différentes sources froides L air extérieur ou intérieur Le sol avec les capteurs horizontaux ou verticaux L eau Souterraine Rivière, plan d eau De mer Par la suite, nous nous intéresserons essentiellement au eaux souterraines.

14 La source chaude Il s agit des installations de chauffage et/ou de climatisation. Deux modes de diffusion: Hydraulique: radiateurs, planchers chauffants, panneaux radiants Aéraulique: ventilo convecteurs 2 ou 4 tubes

15 Les fluides frigorigènes En dehors des installations fonctionnant avec une source pouvant être utilisée directement (température élevée), le recours à un fluide frigorigène est indispensable. Les CFC sont interdits les HCFC le seront prochainement. Actuellement, il s agit d HFC. Chaque fluide se caractérise par son GWP

16 Les fluides frigorigènes

17 Quelques applications des PAC Chauffage uniquement Chauffage et climatisation

18 Les principaux dispositifs d exploitation des eaux souterraines Puits unique Doublet de forages Stockage par puits unique Doublet de stockage à puits chaud et puits froid Doublet à balayage

19 Quelques ordres de grandeur Pour une installation devant fournir: kwh/an 300 kw en puissance de pointe (Pmax) Prenons un Δ T de 5 C Il faut un volume annuel de m 3 Soit un volume fictif continu de 9,8 m 3 /h Et un débit de pointe de 51,6 m 3 /h

20 Quelques ordres de grandeur La puissance thermique prélevée sur un captage d eau pour alimenter une PAC est proportionnelle au débit: P = 1,163 Q x ΔT avec P en kw et Q en m 3 /h

21 Les différentes phases du projet L étude thermique avec évaluation des besoins en chaud et en froid (le cas échéant). Besoins de pointe ( puissance maximale) Répartition fréquentielle des besoins

22 Besoins thermiques L élaboration de la courbe monotone permet d évaluer les puissances appelées sur une saison (étude statistique).

23 Couverture des besoins

24 Moyens à mettre en œuvre en fonction des puissances demandées En fonction des résultats de l étude thermique, il est possible de cerner les besoins en chaud, en froid voir simultanés. Selon les puissances: évaluation des débits nécessaires pour une PAC Eau/Eau Évaluation du nombre de capteurs verticaux (SGV)

25 Formules de base Volume d eau nécessaire: V= Consommation en Wh x 3600/ γ ΔT avec γ= 4, Q fictif= V/ 24 h x 365 en m 3 /h Q max= Pmax en Wh x 3600/ γ ΔT

26 L étude sous sol Elle doit permettre dans un premier temps de préciser: Le contexte géologique Les aquifères en présence Leur productivité Leurs caractéristiques physico-chimiques Les contraintes réglementaires Première conclusion sur la faisabilité

27 Étude sous sol (suite) Les premières investigations semblent satisfaisantes, il convient de poursuivre les réflexions. Pour les eaux souterraines: Étude écartement des ouvrages Conception des forages et des équipements Pour les SGS: Simulation de fonctionnement

28 Impact thermique Recyclage simulation mathématique

30 Evolution de la température au puits de production

31 Cas des forages peu profonds Le temps de percé est égal à: Tp=0,628 D²H/Q Avec: D: distance entre producteur et injecteur H: épaisseur productive Q: volume pompé

32 Cas des forages peu profonds Le système peut également être modélisé. Il est possible également d utiliser des abaques.

33 Evolution de la température prenant en compte les échanges avec les épontes

34 Cas de nappe avec écoulement

36 Conception des forages En fonction de l aquifère à capter Du débit d exploitation

37 Conception des forages Dans le cas de forages au Dogger par exemple, les forages sont déviés (au minimum 1) pour éloigner les cibles.

38 Les acteurs Le bureau d études thermiques Le bureau d études hydrogéologiques L entreprise de forages Les entreprises chargées de la régulation et des asservissements L administration Les subventionneurs Les assurances Le ou les entreprises en charge de la maintenance

39 Conception des forages

40 Le foreur Il réalise les travaux conformément au cahier des charges élaboré par le BE Hydrogéologie

41 Quelques ateliers de forage

43 Exemple d outils

44 La validation de la productivité Pour les forages d eau: Le foreur réalise les pompages d essai et d injection Le BE hydrogéologie interprète les données Pour les SGS Un ou plusieurs tests thermiques sont nécessaires

45 Les sondes géothermiques sèches

46 Les assurances La recherche d eaux souterraines peut être assimilée à de la prospection au même titre que l exploration pétrolière. Par conséquent, il subsiste des risques d échecs. Il existe des possibilités de couverture des risques: la garantie AQUAPAC (pour les forages peu profonds). Pour la géothermie profonde, des fonds de garantie existent en France (SAF Environnement). Fond court terme (travaux) Fond long terme (exploitation)

47 La maintenance Celle-ci est primordiale pour assurer la pérennité des installations notamment en ce qui concerne les installations de production d eau: Suivi nappe Contrôle des pertes de charge, fond du forage Contrôle matériel de pompage

48 La maintenance Nettoyage du forage Travaux de développement Contrôle des installations de pompage et des appareils

49 Organisation d une opération PAC Nécessité d intégrer l idée très en amont Il faut distinguer les créations de bâtiments ou bien l intégration dans des bâtiments existants La coordination entre différentes compétences Le type de marché (entreprise générale, allotissement, marchés séparés )

50 Merci pour votre attention

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