Géothermie très basse énergie - Quels enjeux?

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1 Géothermie très basse énergie - Quels enjeux? Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 1/16 A la demande du Laboratoire Centrale des Ponts et Chaussées (actuel IFSTTAR), le CETE IdF a pris en charge en 2009 le pilotage d une opération de recherche dédiée aux systèmes géothermiques de basse-très basse énergie. L objectif de l opération est d affiner la connaissance des méthodes de dimensionnement de ces systèmes, évaluer leur possible incidence sur le milieu et favoriser leur intégration aux infrastructures. 1

2 Objectif du grenelle : Enjeux part des énergies renouvelables portée à 23% en 2020, géothermie X6 et 2 millions de foyers équipés Contribuer à un développement vertueux : améliorer la connaissance des mécanismes induits, affiner les méthodes de dimensionnements et limiter les risques de pathologie Thème inscrit dans le contrat quadriennal du LCPC : Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 2/16 L opération s inscrit dans les objectifs du grenelle de l environnement et vise en particulier à favoriser l essor des systèmes géothermiques de basses températures. Ces systèmes sont en effet susceptibles d être déclinés à une large échelle (usage pour les particuliers notamment) et peuvent donc contribuer à porter la part des énergies renouvelables à 23% de la consommation à l horizon

3 Typologie Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 3/16 Source BRGM Traditionnellement on distingue les systèmes : - haute énergie (géothermie profonde source à plus de 150 C) : qui servent à produire de la vapeur et de l électricité - basse énergie (source à environ 80 C) : utilisée pour les réseaux de chauffage urbains - très basse énergie (source à moins de 40 C) : nécessitant l usage d une machine thermodynamique (Pompe A Chaleur) pour la production de chaleur mais permettant également le refroidissement des bâtiments L opération de recherche porte plus spécifiquement sur cette dernière typologie de système. 3

4 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 4/16 Les systèmes de très basse température exploitent : - soit la température constante des sols et nappes en dessous d une certaine profondeur (une dizaine de mètre). Cette température faible (environ 12 C) est amplifiée par une Pompe A Chaleur pour chauffer/refroidir les bâtiments (à droite dispositif sur sonde verticale, en bas captage d un aquifère) - soit l inertie thermiques des sols, pour les systèmes de très proche surface, qui permet de restituer en hiver les calories emmagasinées en été (à gauche capteur horizontaux enterrés à environ 1m). 4

5 Opération 11W103 Objectif : favoriser le développement de l usage de la géothermie en liaison avec les structures en limitant les possibles impacts sur l environnement Axes : 1 Nomenclature des dispositifs et technologies 2 Dimensionnement des systèmes et impacts environnementaux 3 Caractérisation des propriétés thermiques et évolution dans le temps 4 Relations des systèmes géothermiques et des infrastructures 5 Effets des échanges thermiques sur la chimie de l eau et le milieu vivant Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 5/16 L opération de recherche initiée en 2009 devrait se dérouler sur 3 ans ( ). Elle associe différents Laboratoires du réseau des CETE (LR Aix, Bordeaux, Nord-Picardie, Nancy, Rouen, Toulouse) et des partenaires extérieurs (entreprises privées, université de Lille, BRGM). Dans un premier temps, le cahier des charges de l opération a identifié 5 axes de travail, qui pourront être amendés en fonction des échanges avec les partenaires. Les axes visent successivement à mobiliser les ressources du RST (notamment au travers d une phase d acculturation) puis à se focaliser sur le dimensionnement et les interactions des systèmes avec l environnement (milieu et structures enterrées). 5

6 Axe 1 Nomenclature des dispositifs et technologies Objet : Alimenter une base de connaissances et une veille technologique permettant la conduite d opération au sein du réseau Produits visés : - Production d un document de synthèse sur l état de l art (vademecum des techniques) - Cartographie des zones à risques pour des opérations de géothermie (méthodologie appliquée à l Est de la France) Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 6/16 L axe 1 est consacré à une synthèse des connaissances et pratiques et vise à mettre à profit les compétences du RST pour l études des systèmes géothermiques très basse énergie. L objectif est notamment d utiliser la connaissance acquise par le RST sur la géologie «proche» (moins de 100m) au travers des nombreuses études d infrastructures pour se prononcer sur les opportunités voire les risques d implanter localement ce type de dispositif. 6

7 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 7/16 Les premières productions ont porté sur l élaboration d un manuel, à l usage du RST, décrivant les typologies de système et leur principe de fonctionnement. Le manuel intègre également une analyse comparée des pratiques réglementaires de différents pays européens. 7

8 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 8/16 Le souhait est aussi de mettre l accent sur la description de certain systèmes jugés atypiques mais dont le développement est directement en lien avec les métiers du RST. A titre d illustration, la diapositive présente un système d échangeur thermique connecté à une voirie afin d assurer la viabilité hivernale : en été les calories captées par la chaussée sont injectées dans le sol puis re-prélevées en hiver pour empêcher la formation de verglas ou l enneigement. 8

9 Axe 2 Dimensionnement des systèmes et impacts environnementaux Objet : Evaluer les méthodes de dimensionnement et recherche d optimiser pour limiter les impacts Produits visés : - Principes de dimensionnement des systèmes synthèse des pratiques actuelles - Retour d expérience des forages géothermiques et éléments de contrôle Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 9/16 L axe 2 porte sur l analyse des méthodes de dimensionnement des systèmes et sur leurs conditions de réalisation. Pour les systèmes superficiels l objectif est notamment de sortir des approches forfaitaires qui se traduisent par des dimensionnement sur la base des surfaces à chauffer (surface des capteur compris entre 1,5 et 2 fois la surface du bâti) pour optimiser la géométrie des dispositifs en tenant compte de la nature des sols et de leur état. 9

10 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 10/16 Les premières observations de chantier ont montrées des difficultés de réalisation susceptibles d induire des sous-performances voire des pérennités réduites des dispositifs. La réalisation des sondes verticales (échangeurs en U scellé dans un forage d environ 100m de profondeur) pose notamment problème : connaissance et tenue des terrains traversés puis maîtrise des scellements : autant de problématiques auxquelles le RST a déjà été confrontées. 10

11 Axe 3 Caractérisation des propriétés thermiques et évolution dans le temps Objet : Validation d essais ou de méthodes indirectes permettant d obtenir les paramètres nécessaires aux dimensionnements Produits visés : - Synthèse des propriétés thermiques des sols/roches Méthode de caractérisation - Caractérisation de vieillissement des ouvrages Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 11/16 L axe 3 se concentre sur la caractérisation des propriétés thermiques des sols et des systèmes ainsi que sur leur comportement dans le temps. Cet axe mettra à profit la connaissance du RST sur la tenue des produits cimentaires. 11

12 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 12/16 Les premières expérimentations menées ont montrées que les produits employées dans le scellement des échangeurs de chaleur dans les sols, pouvaient subir des dégradations notables sous l effet des échanges thermiques forcés (incidence des dessiccations et gels éventuels). Ces dégradations risquent de d amoindrir les performances des systèmes et pourraient engendrer des communications entre niveaux aquifères (risques de transferts de polluants). 12

13 Axe 4 Relation des systèmes géothermiques et des infrastructures Objet : Analyse du fonctionnement et modélisation des «infrastructures durables» telles que les pieux géothermiques, les chaussées déverglaçeantes, Produits visés : - Suivi des caractéristiques d un pieu échangeur de chaleur - Modélisation numérique d ouvrages géothermiques fermé associés à des infrastructures Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 13/16 L axe 4 est dédié aux inter-actions entre les systèmes géothermiques et les infrastructures : comment tirer partie enterrés des infrastructures pour extraire de la chaleur et comment faire en sorte que cet usage ne soit pas néfaste à la pérennité des ouvrages et à leur fonction première. L axe de travail intègrera des expérimentations, des modélisations permettant de justifier par le calcul les observations et à la suite des propositions de règles de dimensionnement. 13

14 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 14/16 Les premières réflexions menées portent sur les «pieux géothermiques» (fondations profondes couplées à un échangeur de chaleur). Les phase d extractions (chauffage du bâtiment en hiver) ou d injection (refroidissement des bâtiment en été) de chaleur dans le sol se traduisent respectivement par un refroidissement ou un réchauffement du pieux et des rétractations ou gonflement qui peuvent modifier les interactions entre le sol et le pieux et notamment la mobilisation du frottement le long du pieux : il convient d évaluer l incidence éventuelle sur la capacité de reprendre les descentes de charge de cet élément de fondation. 14

15 Axe 5 Effets des échanges thermiques sur la chimie de l eau et le milieu vivant Objet : Déterminer les variations acceptables de température pour les équilibres chimiques et biologiques dans les sols et eaux impactés par des systèmes géothermiques Produits visés : - Synthèse bibliographique des impacts des modifications thermiques sur les milieux souterrains - Suivi des caractéristiques des eaux souterraines à proximité d un ouvrage géothermique Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 15/16 L axe 5 s intéressera à l incidence sur le milieu du fonctionnement des systèmes géothermiques : les modifications de températures des sols et nappes, éventuellement durables, induites par le fonctionnement des systèmes vont-ils modifier les conditions d équilibres du sous-sol? 15

16 Charles KREZIAK CETE Ile de France Page 16/16 Les premières questions évoquées portent notamment sur les possibles modifications des équilibres chimiques du milieu qui pourraient se traduire par la réactivation de phénomènes de dissolution de roches sensibles (gypse, sels, ) et engendrer à termes des risques d effondrement. 16