Ressources géothermiques du département de l Essonne (91)

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1 , ou encore Ressources géothermiques du département de l Essonne (91) Rapport de synthèse BRGM/RP FR décembre 2008

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3 Ressources géothermiques du département de l Essonne (91) Rapport de synthèse BRGM/RP FR décembre 2008 Étude réalisée dans le cadre des projets de Service public du BRGM M. Le Nir, S. Bézelgues, C. Ranquet, A.L. Szymanski G. Darricau, J. Lemale Vérificateur : Nom : A. Desplan Date : Signature : Approbateur : Nom : M. 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 de synthèse. Rapport BRGM/RP FR, 51 p., 9 fig., 2 ann. BRGM, 2009, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l autorisation expresse du BRGM.

5 Synthèse L e 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. L objectif de cette étude est de : - 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 Conseil général de l Essonne / BRGM ; - une convention Conseil régional et le BRGM ; - une convention entre l ADEME et le BRGM. Ce rapport est la synthèse de l étude réalisée. 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). Il est globalement favorable sur l ensemble de département, à l exception de deux zones au nord et au centre du département. 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 de synthèse 3

6 Les surfaces urbanisables à examiner ont été fournies par le Conseil général sur la base des secteurs urbanisables inscrits au SDRIF. 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, soit environ 50 % des besoins thermiques des secteurs urbanisables inscrits au SDRIF. 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. En complément 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. Ces fiches projets présentent des typologies d aménagement variées. Elles ont pour objectif de fournir aux maîtres d ouvrages et aux aménageurs des exemples concrets d utilisation de la géothermie pouvant les aider dans leur décision de choix énergétique en amont de leur projet.. 4 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

7 Sommaire 1. Géothermie. Notion de potentiel géothermique DÉFINITION DE LA GÉOTHERMIE Émissions de CO 2 évitées par la géothermie sur pompe à chaleur Émissions de CO 2 évitées par la géothermie par échange direct (géothermie profonde) NOTION DE POTENTIEL GÉOTHERMIQUE Très basse énergie : aquifères superficiels (de 0 à 600 m) Basse énergie : aquifères profonds Avertissement concernant la lecture des cartes du rapport Types de géothermies et techniques correspondantes GÉOTHERMIE TRÈS BASSE ÉNERGIE GÉOTHERMIE BASSE ÉNERGIE GÉOTHERMIE MOYENNE ET HAUTE ÉNERGIE DIFFÉRENTES TECHNOLOGIES D EXPLOITATION GÉOTHERMIQUE Pompes à chaleur (PAC) Échange direct de chaleur Installations terminales de chauffage Potentiel des nappes superficielles Potentiel des nappes profondes EXPLOITABILITÉ CONDITIONS D EXPLOITATION DES NAPPES PROFONDES Taille des équipements utilisateurs Prise en compte de la salinité des aquifères Gestion de la réinjection Synthèse du potentiel essonnien Méthodologie des dix fiches projets et fiches géothermie profonde...27 BRGM/RP FR Rapport de synthèse 5

8 7. Boîte à outils PROCÉDURES TECHNIQUES AIDES TECHNIQUES ET FINANCIÈRES DÉMARCHES ADMINISTRATIVES ET RÉGLEMENTAIRES Conclusion Liste des illustrations Figure 1 : Schéma hydrogéologique du bassin de Paris Figure 2 : Doublets géothermiques avec différentes technologies de forage. Source BRGM im@gé Figure 3 : Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur à compression (cas de la production de chaleur). Source : d après BRGM im@gé Figure 4 : Schéma d installations avec capteurs verticaux. Source : d après BRGM im@gé Figure 5 : Schéma de principe du fonctionnement de la PAC réversible avec un puits de production. Source : d après BRGM im@gé Figure 6 : Principe de l échange direct de chaleur. Source : d après BRGM im@gé Figure 7 : Récapitulatif des différents types d exploitation et des usages associés Figure 8 : Couverture géothermique par aquifère et surfaces de serres potentiellement couvertes Figure 9 : Besoins thermiques couverts par la géothermie Liste des annexes Annexe 1 - Index Annexe 2 - Contacts des quatre partenaires BRGM/RP FR Rapport de synthèse

9 1. Géothermie. Notion de potentiel géothermique 1.1. DÉFINITION DE LA GÉOTHERMIE La géothermie se définit comme l exploitation de la chaleur stockée dans l écorce terrestre 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. Des variations locales de gradient géothermique 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. Figure 1 : Schéma hydrogéologique du bassin de Paris. Source : d'après Mégnien C., Synthèse géologique du bassin de Paris, ISBN , Editions du BRGM, 3 volumes. La géologie du bassin de Paris fait apparaître deux grandes entités différentes : - le socle antétriasique ; - le bassin sédimentaire, qui renferme les différents aquifères exploitables par la géothermie? 1 Varet J. (1982) - Géothermie basse énergie : usage direct de la chaleur. Masson. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 7

10 L essentiel de la ressource en eau du Bassin parisien et notamment de l Essonne, provient des formations sédimentaires, du Tertiaire (Éocène et Oligocène) et de l ère secondaire (Trias, Jurassique et Crétacé, cf. Figure 1) et parfois du Quaternaire (Alluvions). La géologie et la morphologie de ces différents ensembles géologiques permettent de délimiter les différentes entités hydrogéologiques du bassin. L exploitation de la chaleur se fait par échange entre la chaleur du sous-sol et un fluide caloporteur qui véhiculera la chaleur dans les installations de surface. Un des moyens les plus répandus est l échange de chaleur avec les ressources en eau souterraine, qui sont à la température de leur profondeur. Un autre moyen est l échange direct avec le sous-sol lui-même. La connaissance de la géologie et des aquifères, qui sont exploitables en un lieu donné, est donc fondamentale pour le dimensionnement d une installation géothermique. Le sol se recharge thermiquement de manière continue par la circulation d eau de la nappe, les apports solaires dans la partie très superficielle et en cas d exploitation thermique alternée (chauffage/climatisation), quand la chaleur prélevée en période de chauffage est compensée par la chaleur réinjectée en mode rafraîchissement/ climatisation. Dans le cas d une utilisation exclusive de chaud, ou dans le cas d une utilisation chaud/froid déséquilibrée sur le plan du bilan thermique pluriannuel, la nappe peut également être rechargée thermiquement volontairement par l énergie solaire (via des capteurs solaires sur les toits des bâtiments à chauffer), pour limiter l impact thermique en aval hydraulique de l installation. Le gradient géothermique ne suffit pas en effet à assurer cette recharge Émissions de CO 2 évitées par la géothermie sur pompe à chaleur On estime qu un MWh produit par une PAC émet en moyenne trois fois moins de CO 2 qu un MWh produit par une chaudière à gaz. L utilisation d une PAC (géothermie sur permet d éviter de l ordre de 130 kg de CO 2 /MWh fourni Émissions de CO 2 évitées par la géothermie par échange direct (géothermie profonde) Le tableau suivant permet de voir que la géothermie profonde, quant à elle, a un rapport encore plus favorable, émettant entre 98 fois à 5 fois moins de CO 2 qu une chaudière gaz, selon la part de l énergie d appoint dans la conception du projet. Énergie CO 2 (en kg / MWh) C (en kg / MWh) Gaz (PCI) (*) ,55 Fioul lourd ,36 Fioul domestique ,64 Charbon 350 5,45 Électricité usage hivers ,65 8 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

11 Électricité usage permanent 90 24,55 Géothermie profonde 1 3 à 40 0,8 à 10 Bois 27 7, NOTION DE POTENTIEL GÉOTHERMIQUE Le potentiel géothermique d un territoire correspond au croisement des aptitudes du sous-sol à fournir de l énergie géothermique, avec la capacité de ce territoire et de ses équipements à exploiter cette ressource. L'évaluation du potentiel géothermique d une zone géographique vise à délimiter les zones les plus favorables au développement d installations géothermiques à partir d une analyse multicritères. Les critères permettant d évaluer ce potentiel sont différents selon le type de géothermie attendu : basse ou très basse énergie dans le cas de l Essonne (défini ci-dessous). Après l évaluation du potentiel de chaque aquifère sur le territoire de l Essonne, l évaluation de son potentiel géothermique a été appréciée pour les limites géographiques des zones nouvellement urbanisables ou sur lesquelles portent des projets de réhabilitation urbaine importants, 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) Très basse énergie : aquifères superficiels (de 0 à 600 m) Les aquifères superficiels, dont la profondeur est comprise entre 0 et 600 m, sont habituellement exploités par des installations géothermiques de très basse énergie associées à une pompe à chaleur (PAC). La définition des paramètres du potentiel géothermique de ces aquifères s appuie sur la méthodologie détaillée dans le Guide d aide à la décision pour l installation de pompes à chaleur sur nappe en Île-de- France 2. Le potentiel géothermique de chaque aquifère est obtenu par croisement géographique de quatre critères, en affectant à chacun d eux un coefficient de pondération. Les critères retenus sont l épaisseur saturée de l aquifère, la transmissivité 3 de l aquifère, la profondeur de la nappe, et l hydrochimie des eaux souterraines : 1 Géothermie par échange de chaleur directe, sans pompe à chaleur 2 Schomburgk S., Goyénèche O. et al. (2004) - Guide d aide à la décision pour l installation de pompes à chaleur sur nappe aquifère en région Ile-de-France Atlas hydrogéologique. BRGM/RP FR, 94 p., 10 fig., 28 cartes, 31 pl. h.t. 3 Voir Index BRGM/RP FR Rapport de synthèse 9

12 - l épaisseur de l aquifère et sa transmissivité sont retenues pour leur représentativité des débits potentiellement exploitables. Il s agit de critères de rendement de l exploitation ; - le critère profondeur de la nappe est retenu pour rendre compte de l accessibilité de la ressource en eau souterraine. Il s agit d un critère d investissement et de coût d exploitation qui intervient au niveau du coût de foration, du coût d équipement (type de pompe), du coût de fonctionnement (électricité pour faire fonctionner la pompe) ; - l hydrochimie des eaux souterraine est retenue car elle conditionne les équipements à mettre en place en fonction du pouvoir corrosif de l eau. Il s agit d un critère de coût des équipements (type de matériaux à utiliser pour éviter les problèmes de corrosion, de colmatage et d encroûtement) et de coût d exploitation (maintenance préventive et curative). Sur les aquifères superficiels, il a été remarqué, par l intermédiaire d une étude statistique, qu au-delà de 10 m de profondeur, et quelle que soit la profondeur jusqu à 100 m, les températures sont comprises entre 10,5 et 13 C. Il a donc été admis que la température moyenne est de l ordre de 12 C de façon constante et qu elle ne constitue pas un critère de sélection pour les aquifères situés entre 0 et 100 m Basse énergie : aquifères profonds Pour les aquifères plus profonds comme l Albien-Néocomien et le Dogger, les paramètres définissant le potentiel géothermique peuvent être légèrement différents de ce qui a été présenté précédemment. a) Piézométrie 1 Les aquifères profonds de l Albien, du Néocomien, du Dogger et du Trias sont captifs : ils sont contenus entre deux couches strictement imperméables et sont en charge. Les débits des nappes sont artésiens en Île-de-France, ce qui signifie qu en tout point de la nappe, la pression exercée par la nappe d eau sur la couverture imperméable de l aquifère est supérieure à la pression atmosphérique et l eau remonte dans le forage et présente naturellement en surface un débit de débordement. b) Température Nappes de l Albien et du Néocomien La température rencontrée dans les eaux des aquifères de l Albien et du Néocomien détermine le type d installation géothermique à mettre en place. Dans les zones où la température est trop faible (< 30 C ou < 60 C selon le type d émetteur de chaleur), un système associé à une PAC sur nappe sera nécessaire. Dans les zones où la 1 Voir Index 10 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

13 température est élevée (> 60 C), les systèmes de PAC pour la climatisation se révèleront peu efficaces, et des systèmes d échange direct pour le chauffage pourront être utilisés. Nappes du Dogger et du Trias Les températures rencontrées dans le Dogger en Île-de-France peuvent présenter de fortes variations, entre 55 et 80 C. Pour le Trias, les températures sont plus élevées, sans toutefois dépasser les 100 C en Essonne. D une manière générale, les eaux à cette température ne sont utilisables que pour des systèmes de chauffage par échange direct. La température détermine alors la puissance énergétique qui pourra être soutirée à l aquifère souterrain et conditionne ainsi l efficacité de l installation géothermique. Il s agit d un critère de rendement d exploitation important pour le dimensionnement des installations Avertissement concernant la lecture des cartes du rapport La notion d exploitabilité très faible sur une zone déterminée ne signifie pas que la réalisation d un forage ayant pour cible l aquifère considéré conduira à un débit nul. Il est possible d obtenir de faibles débits (entre 1 et 5 m 3 /h) qui seront peut-être suffisants pour des projets de taille individuelle. De plus, les cartes proviennent d études préexistantes réalisées à l échelle 1/ pour couvrir la région Île-de-France. Le présent rapport présente des agrandissements de ces cartes à l échelle du département de l Essonne, qui peuvent donner une fausse impression de détail. Tout projet de géothermie devra faire l objet d une étude de faisabilité détaillée avant le lancement de sa réalisation, ce qui permettra de déterminer les caractéristiques du sous-sol au droit du projet. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 11

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15 2. Types de géothermies et techniques correspondantes On distingue la géothermie très basse énergie, la géothermie basse énergie, la géothermie moyenne énergie et la géothermie haute énergie 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, l exploitation de la ressource nécessite la mise en place d une pompe à chaleur (PAC) 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 l aquifère profond de l Albien 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 à chaleur (PAC). 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 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 BRGM/RP FR Rapport de synthèse 13

16 inconnues en Essonne où il faudrait descendre au-delà de m de profondeur pour espérer atteindre une température de 100 C 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. Pour des raisons de protection quantitative de la ressource en eau souterraine, il est recommandé de pratiquer la réinjection de l eau géothermale 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 sont pas évoqués dans la présente étude. Sur le plan thermique, ce dispositif entraîne la création d une zone froide en mode chauffage ou d une zone chaude en mode climatisation, d extension progressivement croissante autour du forage d injection, sauf en cas de fonctionnement mixte chauffage/climatisation, qui est le mode de fonctionnement recommandé car permettant à la fois la plus grande densité des exploitations et le minimum d impact thermique dans le sous-sol. Figure 2 : Doublets géothermiques avec différentes technologies de forage. Source BRGM im@gé. Dans le cas de l aquifère de l Albien, classé réserve stratégique d eau potable pour l Île-de-France l exploitation géothermique fonctionnant en doublet permet la réalisation de forages de secours à l Albien, directement opérationnel sans exploitation quantitative de l aquifère du fait de la réinjection. Un tel système peut être couplé rapidement à un système d Alimentation en Eau Potable (AEP) en cas de crise majeure, sans porter atteinte à la ressource le reste du temps. 14 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

17 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 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 de produire de la chaleur et/ou de la fraîcheur. Figure 3 : Schéma de fonctionnement d'une pompe à chaleur à compression (cas de la production de chaleur). Source : d après BRGM im@gé. Ce système fonctionne grâce à un apport extérieur d énergie mécanique : le compresseur est entraîné par un moteur électrique. La performance énergétique de la pompe à chaleur se traduit par le rapport entre la quantité de chaleur produite par celle-ci et l'énergie électrique consommée par le compresseur. Ce rapport est le coefficient de performance (COP) de la pompe à chaleur. Variable suivant les marques, il est d environ 3,5 pour la production de chaleur et de 3 pour la production de froid. 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. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 15

18 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 ). Le fonctionnement en mode alterné chauffage/climatisation limite l impact thermique dans le sous-sol. 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 a priori de qualité alimentaire qui est ensuite mené à la PAC en surface au moyen d une simple pompe de circulation (cf. Figure 4). La capacité de prélèvement de chaleur dépend du contexte géologique et de la nature des roches traversées (conductivité thermique ). 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». 16 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

19 Champ de sondes Figure 4 : Schéma d installations avec capteurs verticaux. Source : d après BRGM im@gé. 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. Généralement, la surface de terrain à mobiliser pour installer le capteur doit correspondre à 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. 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 faire, il convient d inverser le sens de circulation du fluide frigorigène dans la PAC grâce à une vanne. Pour les dispositifs sur nappe souterraine qui fonctionnent en doublet, il existe deux configurations possibles. La configuration qui a le moins d impact thermique sur le sous-sol, par l alternance d injection refroidie et réchauffée au même point, est celle où seul le puits de production est équipé d une pompe d exhaure (cf. Figure 5). Le sens d écoulement de la nappe doit être pris en compte pour l implantation des forages. Thermofrigopompe Une pompe à chaleur produit simultanément du chaud et du froid. Certains bâtiments du tertiaire ont des besoins de froid et de chaud toute l année (cliniques, hypermarchés ). BRGM/RP FR Rapport de synthèse 17

20 Figure 5 : Schéma de principe du fonctionnement de la PAC réversible avec un puits de production. Source : d après BRGM im@gé 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 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. 18 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

21 Figure 6 : Principe de l échange direct de chaleur. Source : d après BRGM im@gé Installations terminales de chauffage L efficacité d un système géothermique est conditionné par les températures aller et retour des émetteurs de chauffage. Le dispositif sera d autant plus performant que les températures de ces émetteurs seront basses. On distingue généralement deux modes d émission de chaleur ou de froid : le mode hydraulique (radiateurs à eau, planchers chauffants et plafonds chauffants) ou aéraulique (ventilo-convecteurs, plafonds diffusant et poreux). Chacun de ces systèmes présente une plage d utilisation optimum, soit vis-à-vis des températures de fonctionnement, soit si l utilisation prédominante est le chauffage ou la climatisation. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 19

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23 3. Potentiel des nappes superficielles Les informations présentées dans ce chapitre sont issues pour parties de l étude du potentiel géothermique des aquifères superficiels d Île-de-France qui a servi à créer l outil d aide à la décision «Potentiel géothermique des aquifères superficiels en région Île-de- France» accessible sur Internet à l adresse : Trois nappes superficielles sont exploitables en Essonne : OLIGOCÈNE : Aquifère multicouche du Calcaire de Beauce, des Sables de Fontainebleau et du Calcaire de Brie Température : 12 C Profondeur : 0-60 m Débit : m 3 /h Puissance thermique maximum par forage de kw ÉOCÈNE SUPÉRIEUR : Aquifère multicouche du Calcaire de Champigny Température : 12 C Profondeur : m Débit : m 3 /h Puissance thermique maximum par forage de kw BRGM/RP FR Rapport de synthèse 21

24 ÉOCÈNE MOYEN ET INFÉRIEUR : Aquifère multicouche des Sables du Soissonnais et du Calcaire grossier Température : 12 C Profondeur : m Débit : m 3 /h Puissance thermique maximum par forage de kw Une quatrième nappe, à la perméabilité très variable, est insuffisamment connue à ce jour pour en garantir l exploitabilité : CRÉTACÉ SUPÉRIEUR : Aquifère de la Craie Température : 12 C Profondeur : m (vallée de l Orge et de la Renarde, où son exploitabilité a été prouvée) Débit : m 3 /h Puissance thermique maximum par forage de kw 22 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

25 4. Potentiel des nappes profondes 4.1. EXPLOITABILITÉ Deux nappes profondes sont exploitables en Essonne : CRÉTACÉ INFÉRIEUR : Aquifères multicouches de l Albien et du Néocomien-Barrémien Température : C Albien C Néocomien Profondeur : m Albien m Néocomien Débit (maxi testé de réinjection) : 120 m 3 /h Puissance thermique maximum par forage de à kw JURASSIQUE MOYEN : Aquifère du Dogger Température : C Profondeur : m Débit : m 3 /h dans la partie exploitable Puissance thermique maximum par forage de à kw Une troisième nappe, plus profonde et plus chaude, mais dont l exploitabilité n est pas encore connue, se trouve sous les nappes précédentes. Il s agit du TRIAS : Aquifère du Keuper, température espérée : C, profondeur : m, débit inconnu. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 23

26 4.2. CONDITIONS D EXPLOITATION DES NAPPES PROFONDES Taille des équipements utilisateurs Une exploitation géothermique de ces ressources n est envisageable que pour des projets de grande envergure, en rapport avec les puissances thermiques pouvant être délivrés par un doublet de forage dans ces horizons (habitat collectif, équipements publics, etc.), qui seuls pourront permettre l amortissement de l investissement des forages profonds d exploitation et de réinjection Prise en compte de la salinité des aquifères Si les nappes de l Albien, du Néocomien et du Barrémien, ressources stratégiques en eau potable pour le bassin de Paris, ne posent aucun problème particulier de qualité des eaux, les nappes du Dogger et du Trias contiennent des eaux très chargées en sels et pouvant interagir avec les tubages métalliques des forages. Ce caractère nécessite une prise en compte spécifique dans la conception des installations, leur exploitation et leur maintenance Gestion de la réinjection La réinjection dans l Albien peut être source de difficultés. Si les débits exploitables sont de l ordre de 100 à 150 m 3 /h, la réinjection est peu connue. À ce jour, une seule exploitation à l Albien pratique la réinjection. Il s agit de la Tour Mirabeau à Paris (quai de Javel), où l exploitation et la réinjection se font actuellement à 80 m 3 /h. Le débit d exploitation et de réinjection initiaux étaient de 120 m 3 /h, puis le projet à été transformé avec une diminution des besoins thermiques. Un nouveau projet à l Albien devra vérifier la capacité de réinjection au droit du site. La réinjection dans le Néocomien-Barrémien n est pas connue. L exploitabilité de la nappe du Néocomien-Barrémien n est connue que par l exploitation de l ouvrage du CEA à Bruyères-le-Châtel (débit maximum autorisé : 150 m 3 /h) qui fonctionne sans réinjection. Tout projet au Néocomien-Barrémien devra être accompagné par un programme spécifique d étude de la réinjection à partir d un forage d essai. La réinjection dans le Dogger ne présente aucune difficulté. Il existe à ce jour en Essonne cinq exploitations du Dogger avec réinjection. 24 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

27 5. Synthèse du potentiel essonnien Potentiel géothermique du meilleur aquifère Aquifères superficiels Oligocène Éocène supérieur Éocène moyen et inférieur Craie Le potentiel géothermique des aquifères superficiels de l Essonne 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 (en jaune sur la carte). Le sud et l ouest du département présentent des potentiels géothermiques forts (en bleu sur la carte). L outil d aide à la décision «Potentiel géothermique des aquifères superficiels en région Île-de-France» accessible sur Internet à l adresse : permet en tout point d avoir une valeur approchée du débit d exploitation, du niveau de la nappe, de la profondeur et l épaisseur de celle-ci. 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. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 25

28 Potentiel géothermique du meilleur aquifère Aquifères Profonds Albien Néocomien Barrémien Dogger 26 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

29 6. Méthodologie des dix fiches projets et fiches géothermie profonde Dix pré-études ont été réalisées à titre d exemple, pour fournir des ordres de grandeurs permettant de statuer sur l intérêt d une solution géothermique. Elles représentant une typologie de projets variée et ont été sélectionnées sur la base de projets identifiés en Essonne. Elles ne se substituent pas à une étude de faisabilité, qui demeure indispensable pour la bonne réalisation des projets. Chaque pré-étude se fait en plusieurs phases : - phase de recensement ou d évaluation des besoins (chauffage refroidissement eau dhaude sanitaire) à partir de l inventaire des caractéristiques du/des bâtiment(s) concernés. Les besoins de chauffage sont caractérisés par une puissance à fournir en kw pour la température la plus froide (-7 C dans l Essonne) et par des besoins à satisfaire sur une année en kwh, en fonction des DJU (degrés jours unifiés) du site ; - phase de détermination des hypothèses des principaux paramètres de la ressource (contexte géologique, caractéristiques prévisionnelles de la ressource : débit, profondeur, température, minéralisation, surface d implantation disponible pour les sondes verticales, emplacement du(des) site(s) de forage, conductivité thermique, puissance d extraction) ; - phase d analyse de l adéquation besoins-ressource en fonction des besoins évalués et des hypothèses de ressource établies dans les deux premières phases : dimensionnement des équipements, en fonction de la couverture totale ou partielle des besoins par la PAC 1, et bilan énergétique (TEP d hydrocarbures substituées, TEP économisées) et environnemental (émissions de CO 2 évitées) ; - phase de détermination des principes sommaires de distribution et d émission pour la(les) solution(s) retenues : principes de distribution (niveau de température), nature des émetteurs de chauffage (lois de régulation), systèmes d émission de froid (plancher, ventilo-convecteurs, Centrale de Traitement de l Air (CTA)), et nature de l appoint si nécessaire ; - phase de définition du système de production : implantation du site de forage (prise en compte des contraintes de forage), conditions de rejet, écartement des forages (production et réinjection) et contraintes réglementaires spécifiques. - phase d évaluation des investissements : équipements nécessaires pour la(les) solution(s) retenue(s) ; 1 Une configuration avec 50 % de la puissance nécessaire a été envisagée, car cela peut suffire à fournir 80 % des besoins et donc conduire à une réduction significative de l investissement de production (par exemple, un seul doublet au lieu de deux nécessaires). Cette variante s avère systématiquement intéressante pour les champs de sondes. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 27

30 - phase d évaluation des coûts d exploitation : coûts liés à l énergie (électricité de pompage, électricité de distribution, appoint), coûts liés à la conduite et à l entretien courant des installations, au gros entretien et/ou au renouvellement, aux visites périodiques (réglementaires), à la gestion, aux assurances (responsabilité civile et garantie SAF), aux taxes, etc. ; - phase d étude des premiers éléments économiques : surcoût d investissement et économie d exploitation par rapport à une solution au gaz naturel, temps de retour brut et temps de retour net (avec subvention). Sauf cas contraire stipulé, le gaz naturel sera l énergie de référence. Compte tenu des évolutions du système d aides (fonds chaleur), en cours de finalisation à la date de rédaction de ce rapport, l ADEME et la région Île-de-France ont recommandé de prendre comme hypothèse un taux d aide de 30 % de l investissement ; - phase de synthèse-conclusion : bilans énergétiques, environnementaux et économiques (choix d une solution optimale, éventuelles solutions alternatives en cas d insuffisance de la ressource). Chauffage Froid Observations Immeubles de bureaux xx x /xx Selon région et conception architecturale Hôpitaux et cliniques xxx xxx Fonctionnement en thermofrigopompe Besoins de froid négatif ; fonctionnement en Hypermarchés, x xxx thermofrigopompe possible (régulation commerces complexe) Immeubles de logements xxx x Rafraîchissement pour conditions particulières (petits collectifs) Piscines Patinoires xxx xxx Efficace si synergie des besoins Serres agricoles xxx x Possibilité de stockage saisonnier Maisons individuelles en lotissement xx xx Réseau d eau de nappe + PAC individuelle Bien adapté : xxx ; Recommandé si indispensable : xx ; Amélioration du confort : x Figure 7 : Récapitulatif des différents types d exploitation et des usages associés. Dans les calculs, les ratios techniques et environnementaux couramment relevés sont : - COP global chaud : 3,5 / COP froid : 3 ; - débit nécessaire pour 1 kw chaud : 0,1 m 3 /h (ΔT = 6 C) ; - débit nécessaire pour 1 kw froid : 0,08 m 3 /h (ΔT = 13 C). Remarques générales Le rafraîchissement de locaux peut très souvent être obtenu par échange direct sans utiliser la PAC. Dans cette configuration, le débit nécessaire pour 1 kw froid est de 0,12 m 3 /h (ΔT = 6 C). On estime qu un MWh produit par une PAC émet en moyenne 3 fois moins de CO 2 qu un MWh produit par une chaudière à gaz, et ainsi que l utilisation d une PAC permet d éviter de l ordre de 130 kg de CO 2 /MWh fourni. 28 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

31 Pour les systèmes par échange direct, on déterminera la température de retour au puits de rejet, de façon à obtenir un ΔT le plus élevé possible, la température de la ressource étant fixée. Pour les systèmes utilisant les PAC, la performance sera d autant meilleure que l écart de température entre la source et le milieu à chauffer sera faible. Il faut noter également que la majorité des PAC permettent d assurer à leur sortie une température maximale de 55 à 60 C. Pour l exploitation par sondes, il a été considéré un prélèvement moyen égal à 50 W/ml de sonde. La valeur exacte n est connue qu à l issue du test réalisé sur la première sonde du champ. La puissance (chauffage et eau chaude sanitaire) d un logement neuf standard a été fixée à 2,2 kw pour le chauffage, à 0,5 kw pour l eau chaude sanitaire, et sa consommation annuelle a été estimée à 7,7 MWh, dont 3 MWh pour l eau chaude sanitaire. Ces valeurs prennent en compte la surpuissance des installations. Les tableaux ci-après récapitulent les pré-études réalisées pour les dix projets d urbanisation sélectionnés en Essonne, ainsi que les six opérations réalisables au Dogger. Les caractéristiques du sous-sol du département de l Essonne (91) sont globalement favorables à des applications géothermiques sur l ensemble du territoire. Les cas étudiés recouvrent une grande diversité de nature et d importance de besoins thermiques à satisfaire, qu il est essentiel de mettre en adéquation avec la ressource disponible. Aucun des cas étudiés dans ce chapitre ne présente des besoins thermiques suffisamment importants pour amortir l investissement d un doublet exploitant l aquifère du Dogger (10 M ). Néanmoins, il existe dans le département de l Essonne de nouveaux projets d envergure pouvant justifier une exploitation de cet aquifère, ainsi que des extensions d opérations existantes au Dogger, qui n ont pas fait l objet d études de cas. Les aquifères «intermédiaires» de l Albien et du Néocomien, aquifères en principe réservés à l alimentation en eau potable, ont également du mal à trouver leur rentabilité pour les seuls usages thermiques des cas étudiés ; ces aquifères s adressent à des projets suffisamment importants pour exploiter toute la capacité thermique des doublets que l on peut y réaliser. En revanche, les aquifères superficiels assistés par pompes à chaleur offrent de nombreuses possibilités pour les cas étudiés. Ils présentent des débits importants au droit des sites. On estime qu un débit de 100 m 3 /h d une ressource à 12 C permet d assurer le chauffage de 400 à 500 logements, dans la mesure où les précautions suivantes sont prises : - les émetteurs de chaleur doivent être basse température (planchers chauffants pour les logements, ventilo-convecteurs pour les bureaux et équipements de type supermarché, gymnase) ; BRGM/RP FR Rapport de synthèse 29

32 - il suffit généralement d assurer 50 % de la puissance de la PAC pour couvrir 80 % des besoins thermiques, les 20 % restants étant assurés par une production d appoint, ce qui améliore de façon non négligeable la rentabilité des investissements ; - une exploitation alternée de production de chaleur et de froid permet une meilleure rentabilité. Cette utilisation peut être envisagée pour des bureaux, crèches, maisons de retraites ou supermarchés (dans le cas d un supermarché, la production simultanée de chaleur et de froid est possible, via l utilisation d une thermofrigopompe). L utilisation de la ressource pour les deux usages est également recommandée pour la gestion thermique du sous-sol. Il est possible de climatiser avec la même machine thermodynamique que celle qui assure le chauffage. Dans certaines configurations, on peut rafraîchir directement sans utiliser la PAC, ce qui diminue de manière significative l énergie dépensée (c est une configuration étudiée sur le supermarché). Les aides financières des pouvoirs publiques, qui devraient évoluer favorablement (fonds chaleur), peuvent permettre d abaisser de manière substantielle le surcoût par rapport à une solution traditionnelle et donc générer un temps de retour très court. Les sondes géothermiques présentent à l heure actuelle des coûts relativement élevés qui exigent un dimensionnement à 50 % de la puissance de la PAC pour assurer une rentabilité acceptable des projets. Elles sont plus simples d entretien, celui-ci étant limité à la partie hors sol. En ce qui concerne les serres agricoles, les aquifères superficiels peuvent assurer les besoins de chauffage via une PAC dans des conditions économiques compétitives par rapport aux autres solutions de chauffage disponibles en milieu rural pour des surfaces de serres comprises entre 0,5 et 12 ha. 30 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

33 PAC SUR NAPPES Caractéristiques des ensembles raccordés Type d aménagement Création SITE 1 (1) SITE 3 SITE 4 P PAC = 100 % Pt P PAC = 50 % Pt Création Création Création Nature des locaux Hypermarché logements logements logements Nb équlogt, surface (m 2 ) Débit (m 3 /h) Sous-sol 290,0 175,0 531,0 354,0 Surface 544,0 189, ,6 628,8 Total 834,0 364, ,6 982, m P chaud (chauffage+ ECS) (kw c) Consommation annuelle (MWh c) P froid (kw f) Consommation annuelle froid (MWh f) Exploitation de la ressource géothermale Aquifère Éocène moyen et inférieur Éocène moyen et inférieur Éocène moyen et inférieur Éocène moyen et inférieur Nombre de doublet Température ( C) Profondeur forage (mètres) Distance entre puits (mètres) > 80 > 80 > 80 > 80 Bilan énergétique et environnemental Taux de couverture géothermique (%) Puissance PAC (kw) 615 chaud froid COP et EER de la PAC 3,5 chaud 3,0 froid 3,5 3,5 3,5 Hydrocarbures substitués (tep/an) Economie en énergie primaire (tep/an) CO 2 évitée (tonnes/an) Bilan économique Coûts d investissements (k ) Surcoût / Solution GN 283,0 305, ,9 627,2 Économie d exploitation (k ) 29,5 32,8 154,4 156,1 TRB 9,6 9,3 8,3 4,0 TRN 9,6 6,0 5,1 2,1 Montant subvention (k ) 0 109,3 491,6 294,8 Solution de référence Chaudière GN et groupe frigorifique Chaudière GN Chaudière GN Chaudière GN (1) Ce projet ne peut bénéficier de subvention, car il est réalisé par une entité privée et la puissance de l installation est inférieure à 4 MW. BRGM/RP FR Rapport de synthèse 31

34 PAC SUR NAPPES SITE : Site A 6.2 : site B SITE 7 SITE 11 Caractéristiques des ensembles raccordés Type d aménagement Réhabilitation Réhabilitation Création Création Nature des locaux Groupe scolaire, COSEC Groupe scolaire, Centre de loisirs Bureaux 750 logts, m 2 bureaux, Nb équlogt, surface (m 2 ) m m m 2 un groupe scolaire P chaud (chauffage+ ECS) (kw c) Consommation annuelle (MWh c) 995 (après réhabilitation) 730 (après réhabilitation) P froid (kw f) Consommation annuelle froid (MWh f) 472 Exploitation de la ressource géothermale Aquifère Éocène moyen et inférieur Éocène moyen et inférieur Éocène moyen et inférieur Néocomien Nombre de doublet Température ( C) Profondeur forage (mètres) Débit (m 3 /h) m 3 /h chacun 73 Distance entre puits (mètres) > 80 > 80 > Bilan énergétique et environnemental Taux de couverture géothermique (%) Puissance PAC (kw) au total COP et EER de la PAC 3,5 3,5 3,5 / 3,0 3,5 Hydrocarbures substitués (tep/an) Économie en énergie primaire (tep/an) CO 2 évitée (tonnes/an) Bilan économique Coûts d investissements (k ) Surcoût / Solution GN 377,2 332,9 677, ,8 Économie d exploitation (k ) 31,1 20,8 101,4 226,4 TRB 12,1 16,0 6,7 28,0 TRN 7,7 10,4 3,8 17,7 Montant subvention (k ) 137,8 116,3 294, ,5 (2) Solution de référence Chaudière GN Chaudière GN Chaudière GN et groupe frigorifique Chaudière GN et groupe frigorifique (2) Une rentrée financière voisine de k ramène le coût du MWh géothermique identique à celui du GN. 32 BRGM/RP FR Rapport de synthèse

35 PAC SUR NAPPES SITE 10 P PAC = 100 % Pt P PAC = 50 % Pt Caractéristiques des ensembles raccordés Type d aménagement Création Création Nature des locaux Habitat collectif Habitat collectif Nb équlogt, surface (m 2 ) P chaud (chauffage+ ECS) (kw c) Consommation annuelle (MWh c) P froid (kw f) Consommation annuelle froid (MWh f) Exploitation de la ressource géothermale Aquifère Éocène moyen et inférieur Éocène moyen et inférieur Nombre de doublet 3 2 Température ( C) Profondeur forage (mètres) Débit (m 3 /h) Distance entre puits (mètres) > 80 > 80 Bilan énergétique et environnemental Taux de couverture géothermique (%) Puissance PAC (kw) COP et EER de la PAC 3,5 3,5 Hydrocarbures substitués (tep/an) Économie en énergie primaire (tep/an) CO 2 évitée (tonnes/an) Bilan économique Coûts d investissements (k ) Sous-sol 522,0 348,0 Surface 912,2 531,1 Total 1 434,2 879,1 Surcoût / Solution GN 1 172,4 617,3 Économie d exploitation (k ) 83,1 81,2 TRB 14,1 7,6 TRN 8,9 4,4 Montant subvention (k ) 430,3 263,7 Solution de référence Chaudière GN Chaudière GN BRGM/RP FR Rapport de synthèse 33