GEOTHERMIE La géothermie désigne le processus permettant de capter en profondeur la chaleur terrestre, et l exploiter via un système de canalisations afin de l exploiter en surface sous forme d électricité ou de chaleur. Ce procédé est basé sur un système de tuyauterie creusé dans le sol, à l intérieur duquel circule en permanence un échange de courants chauds et froids. Cette énergie est potentiellement considérable : 1km² de roche, sur une profondeur de 10 km, renferme en moyenne une quantité d énergie équivalent à 15 millions de TEP (Tonne Equivalent Pétrole ; 1TEP= 11 630 kwh). Principe La géothermie utilise la température la plus élevée du sous-sol de la Terre pour produire de la chaleur ou de l'électricité. Source : EDF 1. L'infiltration d'eau De l'eau de pluie ou de mer s'infiltre dans les fractures de la croûte terrestre pour constituer un réservoir dans le sous-sol, appelé nappe aquifère, à haute température, de 150 à 350 C. 141
2. Le pompage de l'eau Grâce à un forage dans le sous-sol, l'eau chaude est pompée jusqu'à la surface. Pendant sa remontée, elle perd de sa pression et se transforme en vapeur. 3. La production d'électricité La pression de cette vapeur fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant électrique alternatif. 4. L'adaptation de la tension Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à haute tension. Application La géothermie consiste à capter la chaleur de la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l électricité. La température des roches augmente en moyenne de 1 C tous les 30 mètres de profondeur : c'est le gradient géothermique terrestre moyen. La géothermie a donné naissance à deux filières qui se distinguent par des technologies et des applications différentes : la production de chaleur pour la basse et très basse température et la production de l électricité pour la haute et moyenne température. Selon le niveau de température, on distingue différents types de géothermie, auxquels correspondent différents usages : Type de géothermie Caractéristiques du Utilisations réservoir Chauffage et Très basse Nappe à moins de 100 m rafraîchissement de locaux, énergie Température < à 30 C avec pompe à chaleur Chauffage urbain, utilisations 30 C < Température < Basse énergie industrielles, thermalisme, 150 C balnéothérapie 180 C < Température < Moyenne et Haute énergie Production d électricité 350 C Au stade de la recherche, Roches chaudes sèches à plus Géothermie profonde pour l électricité ou le de 3 000 m de profondeur chauffage Source : BRGM 142
Source : BRGM 143
Principales utilisations de la géothermie en fonction des températures Source : BRGM La géothermie très basse énergie : un procédé très bien adapter pour les logements et réseaux de chaleur Selon les professionnels, le concept de géothermie très basse énergie est très bien adapté au chauffage de maisons individuelles jusqu au chauffage par réseau de chaleur. Ce type de géothermie se montre particulièrement adapté au chauffage de logements collectifs ou de locaux du secteur tertiaire (hôpitaux, administration, centres commerciaux ). La géothermie très basse énergie est définie par l exploitation d une ressource présentant une température inférieure à 30 C, qui ne permet pas, dans la plupart des cas, une utilisation directe de la chaleur par simple échange. Elle nécessite donc la mise en œuvre de pompes à chaleur qui prélèvent cette énergie à basse température pour l augmenter à une température suffisante pour le chauffage d habitations par exemple. Cette opération requiert un peu d énergie électrique et l utilisation d un fluide frigorigène dont le changement d état (vapeur ou liquide) permet de transférer les calories captées dans le sous-sol vers les logements. Ainsi, une pompe à chaleur qui assure 100% des besoins de chauffage d un logement consomme seulement 30% d énergie électrique, les 70% restants étant puisés dans le milieu naturel. 144
La géothermie très basse énergie concerne l exploitation de deux types de ressources : l énergie naturellement présente dans le sous-sol à quelques dizaines voire des centaines de mètres et dans les aquifères qui s y trouvent. La chaleur emmagasinée dans le sol est accessible en tout point du territoire. Les techniques de capture de cette énergie seront adaptées en fonction des besoins thermiques et des types de terrains rencontrés Source : BRGM Les aquifères superficiels sont largement répandus sur l ensemble du territoire. Il s agit soit de nappes alluviales qui accompagnent les cours d eau, soit d aquifères présents à différentes profondeurs dans les bassins sédimentaires et dans les régions de socle qui peuvent présenter en surface une zone altérée qui contient de l eau (Bretagne, Massif central). 1. La PAC géothermique : le captage des calories du sol Lorsque la PAC puisse les calories du sol, le prélèvement de chaleur se fait par le biais de tubes enterrés dans le sol. Ces capteurs peuvent être placés en configuration horizontale ou verticale. Dans ce dernier cas, on parle aussi de sondes géothermiques verticales. - Les capteurs horizontaux Les capteurs enterrés horizontaux permettent d exploiter la chaleur de la Terre du proche soussol. Ils sont constitués de tubes installés en boucles enterrées horizontalement à faible profondeur (de 0,60 m à 1,20 m) qui vont permettre le prélèvement de l énergie contenue dans le sous-sol proche. Dans ces tubes, circule en circuit fermé selon la technologie employée, soit de l'eau additionnée d'antigel (tubes en polyéthylène) soit le fluide frigorigène de la pompe à chaleur (tubes de cuivre gainés de polyéthylène pour la technologie dite de détente directe). Source : BRGM 145
La surface de terrain a mobilisé pour installer le capteur doit correspondre à 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. - Les capteurs verticaux ou sondes géothermiques Les sondes géothermiques permettent d exploiter la chaleur de la Terre des terrains superficiels sans mobiliser l eau souterraine. Leur principe de fonctionnement est de capter la chaleur des couches traversées par conduction et de la transférer à l évaporateur d une pompe à chaleur. Ce sont des échangeurs thermiques verticaux constitués de deux tubes de polyéthylène en U, installés dans un forage de plusieurs dizaines de mètres de profondeur et scellés dans celui-ci par une cimentation adaptée (mélange bentonite ciment). On y fait circuler en circuit fermé de l'eau additionnée de liquide antigel. Par rapport aux capteurs horizontaux, la sonde géothermique présente des avantages : une faible emprise au sol, une absence de variation climatique de la température des terrains traversés et une moindre vulnérabilité à l enracinement de la végétation arborée. En revanche, les sondes géothermiques sont plus délicates à poser et il convient de faire appel à une entreprise de forage qualifiée (carte des foreurs en France) et de respecter les procédures administratives concernant la protection des sous-sols. La longueur des sondes géothermiques utilisées actuellement est en général inférieure à 100 mètres pour des raisons de contraintes administratives. Cette profondeur est suffisante pour s affranchir des variations de température journalières et saisonnières. A titre d exemple, une température constante de 14 C environ règne à la profondeur de 100 m. Source : BRGM 37 37 BRGM est l'établissement de référence dans le domaine des Sciences de la Terre pour gérer les ressources et les risques du sol et du sous-sol 146
Cependant, pour les PAC géothermiques des précautions sont à prendre : - Les capteurs horizontaux doivent respecter certains principes de pose. La surface au-dessus du capteur doit être perméable (pas de terrasse ou de construction) et ne pas être traversée par des réseaux d eau (risque de gel). Le terrain ne doit pas être trop pentu, pour ne pas avoir à faire de remblai. Dans un sol rocheux ou argileux, il est préférable d installer les capteurs sur un lit de sable. Source : ADEME - Les sondes géothermiques sont plus délicates à poser. En plus des précautions signalées pour la pose des capteurs horizontaux, il est nécessaire de faire appel à une entreprise de forage qualifiée (le bureau de recherches géologiques et minières - BRGM - gère une liste de foreurs engagés dans une démarche de qualité) et de respecter les procédures administratives concernant la protection des sous-sols. Source : BRGM Actuellement, en France, les PAC géothermiques les plus répandues sont celles à capteurs horizontaux. Elles sont moins coûteuses que les PAC à capteurs verticaux mais nécessitent de disposer d une surface de terrain suffisante. 147
2. Les pompes à chaleur sur nappes Il existe une autre PAC géothermique : les PAC sur eau de nappe. La chaleur du sous-sol est celle contenue dans l eau de nappes aquifères peu profondes (moins de 100 m) captée par forage. On les appelle en général pompes eau / eau. Les PAC sur eau de nappe nécessitent un ou deux forages de 30 à 100 m de profondeur. Le captage doit être réalisé par un foreur professionnel et déclaré à la DRIRE locale (direction régionale de l industrie, de la recherche et de l environnement). Dans les systèmes à un seul forage, l eau de nappe prélevée est rejetée dans une rivière, un plan d eau ou un réseau d eaux pluviales (si ce type de rejet y est toléré) après qu on y ait prélevé les calories nécessaires. Dans le système à deux forages, le deuxième forage sert à réinjecter l eau utilisée dans la nappe. Ce système, bien que plus coûteux, est fortement recommandé car il évite le gaspillage de l eau souterraine, précieuse par nature. Source : ADEME Cependant, ce type de PAC ne peut être développé partout. Pour qu une pompe à chaleur sur eau de nappe donne toute satisfaction, il faut que le débit d eau puisé dans la nappe soit suffisant et stable dans le temps. Le débit requis peut atteindre ou dépasser 1 m3/h et s élever jusqu à 3 m3/h pour une maison individuelle, selon son degré d isolation. Les nappes souterraines peu profondes (de quelques dizaines à quelques centaines de mètres) présentent des températures qui varient de 12 à 30 C selon la profondeur. 148
Attention, il ne faut pas confondre ces pompes à chaleur géothermique avec les pompes à chaleur aérothermique. Ces dernières récupèrent les calories de l air ambiant (intérieur ou extérieur au logement). Pour ce procédé, la pompe à chaleur est installée à l intérieur ou l extérieur du logement et prélève la chaleur de l air extérieur. Source : ADEME Il y a différentes PAC aérothermique : une pompe air extérieur/ eau qui chauffe l eau d un circuit de chauffage et une pompe air extérieur/ air intérieur qui chauffe directement l air du logement par le biais d un ou plusieurs ventilo-convecteurs à détente directe. Source : ADEME L air peut aussi provenir de l intérieur du logement. C est ce qu on appelle la PAC air extrait/ air neuf ou VMC double flux thermodynamique qui couple une ventilation mécanique contrôlée (VMC) double flux et une PAC. Elle assure à la fois le renouvellement de l air du logement et son préchauffage : la PAC récupère la chaleur de l air extrait par la VMC dans les pièces de services (cuisine, salle de bains et WC) et préchauffe ainsi l air neuf soufflé dans les pièces à vivre (séjour, chambres). 149
La géothermie et l environnement Une exploitation géothermique produit peu de rejets. La quantité moyenne de CO2 émise dans l'atmosphère par les centrales géo-thermo-électriques dans le monde (estimation faite sur 73% du parc mondial) est de 55 g/kwh, alors qu'une centrale au gaz naturel en produit 10 fois plus. Ce niveau peut être ramené à des valeurs nulles par la ré-injection des fluides géothermaux dans les réservoirs dont ils sont issus - une technique largement répandue aujourd'hui. C est donc une énergie propre qui ne participe pas à la dégradation du climat comme le font les énergies fossiles. Contrairement aux réserves fossiles, la géothermie ne se vide pas de son réservoir au fur et à mesure que l'on s'en sert. Le vecteur, de l'eau piégée ou transitant dans le sous-sol, se renouvelle soit naturellement par le ruissellement des eaux de surface, soit par l option technologique de l injection artificielle. Quant à la chaleur, elle est contenue dans la roche qui représente 90% ou plus du gisement. Etat des lieux en France et en Midi-Pyrénées La géothermie occupe actuellement en France la 3ème place des énergies renouvelables, en terme d énergie produite, derrière la biomasse et l hydraulique. La France recèle dans son soussol un véritable trésor géothermique dont une infime partie est aujourd'hui exploitée. On dénombre seulement 65 installations dédiées au chauffage urbain réalisées pour l'essentiel dans les années 1980. Elles assurent la couverture des besoins d'environ 200 000 équivalentlogements. Depuis quelques années, le marché des pompes à chaleur géothermiques pour le chauffage des maisons individuelles connaît en France un réel développement à l'image de ce qui se passe dans d'autres pays européens. Pour fixer un ordre de grandeur, le nombre des maisons individuelles neuves construites en France chaque année s'élève à environ 180 000. En 2005, le nombre d'unités vendues pour équiper des maisons individuelles était de l'ordre de 13 200 ; à comparer aux 700 installations vendues en 1997. Depuis 2002, le marché a progressé de 70 % environ. En 2006, il s'agit de 53 000 nouveaux appareils installés (géothermie et aérothermie comprises) ce qui fait de la France le deuxième marché européen derrière la Suède. Contrairement à la plupart des pays européens, les pompes à chaleur géothermiques vendues sont pour l'essentiel à capteurs enterrés horizontaux. 150
En Midi-Pyrénées, on dénombre une seule installation de géothermie dédiée au chauffage urbain. En 2005, l'exploitation du puits de géothermie du Ritouret de la ville de Blagnac (31) a produit 6,3 GWh (chauffage urbain). Il existent également 4 stations thermales utilisant la géothermie : Luchon (Haute-Garonne), Ax-Les -Thermes (Ariège), Cauterets et Bagnères-de-Bigorre (Hautes-Pyrénées) qui bénéficient d'une eau à plus de 50 C. En Midi-Pyrénées, 8 opérations de géothermie à très basse énergie ont été recensées par BRGM. La liste des sites concernés est présente ci-dessous : Source : BRGM Etat des lieux du Pays Sud Toulousain Actuellement, une commune a valorisé les PAC sur eau de nappe : la commune de Saint-Julien avec sa nouvelle école. Potentialités géothermiques des nappes alluviales La principale contrainte n est pas tant financière, dans le sens d un coût d investissement initial puis d entretien que technique. En effet, elle dépend davantage, de la rentabilité de l opération, c'est-à-dire de l apport calorifique et donc de l économie d énergie au regard des coûts d investissement. C est donc la notion de RECETTE CALORIFIQUE qui va déterminer le potentiel géothermique de cette aquifère. Or, cette grandeur est caractérisée par les deux paramètres : Température et débit. 151
La température des eaux des nappes alluviales : des seuils de classes de température ont été choisis (par BRGM) pour rendre compte de la comptabilité avec un usage géothermique. Les classes suivantes ont été crées : - Température < 8 C : en dessous de cette valeur, il a été estimé que le rendement d un PAC est insuffisant. La géothermie n a pas d intérêt. - 8<T C < 10 C : le rendement de la PAC ne sera pas optimal mais l utilisation de la géothermie peut être envisagée. - 10 < T C < 12 C : le rentabilité de la PAC est un peu meilleure et devient intéressante. - T C > 12 C : le rendement de la PAC est optimal. La géothermie est une solution très intéressante. Une carte des classes de température des nappes alluviales de la Haute Garonne permet de visualiser le potentiel de la géothermie. 152
153 Source : BRGM
Une autre contrainte doit également être prise en compte afin d évaluer le potentiel de la géothermie : c est le débit d exploitation. Effectivement, il faut que le débit d eau puisé dans la nappe soit suffisant et stable dans le temps. En effet, une eau chaude chaude mais fournie avec un très faible débit ne permettra pas forcément de générer les calories suffisantes au chauffage d un bâtiment. Les classes de débits choisies (par BRGM) sont les suivantes : - Q < 2m3/h : en dessous de cette valeur, la mise en place d une PAC est impossible ou doit se limiter à des surfaces très réduites (< 30 m²) - 2 < Q < 10 m3/h : dans cette gamme de débit, on peut espérer chauffer des bâtiments de 80 à 150 m² sans trop de difficultés, dans la mesure où les conditions de température des eaux sont favorables. Les PAC sont réservées à des habitations individuelles. - 10 < Q < 20 m3/h : cette gamme de débit permet d envisager le chauffage d habitations individuelles (et/ou le refroidissement) de surface encore plus importantes, voire m^me de petit bâtiments collectifs. - Q> 20 M3/h : dans des conditions de températures favorables, ces valeurs de débits permettent d envisager l équipement de bâtiments collectifs. Une carte des zones de débits exploitables a donc été réalisée par BRGM: 154
Source : BRGM 155
Le croissement des deux paramètres : température et débit permet d aboutir à une note de potentialité de l aquifère. 4 classes de potentialités ont été définies : Source : BRGM 1. Mise en place d une PAC très difficile, y compris pour des maisons individuelles 2. Mise en place d une PAC possible pour des habitations individuelles. 3. Très favorable à l installation d une PAC pour habitation individuelle et éventuellement pour petits collectifs 4. Très favorable à l installation d une PAC pour tous types de bâtiments La carte suivante permet d évaluer la potentialité géothermique des nappes alluviales de la Haute-Garonne 156
Potentiel Géothermique 157
Par conséquence, les communes où traversent les fleuves l Ariège et la Garonne disposent d un potentiel géothermique des nappes alluviales très favorable puisque les PAC sont possible pour tous types d habitations (individuelles et collectifs). De même, les communes, entre la rivière la Louge et la Garonne, le potentiel est également intéressant, puisque les PAC sont possible pour les habitations individuelles et les petits collectifs. En conclusion, le Pays Sud Toulousain dispose d un potentiel très intéressant en matière de géothermie. 158
CONCLUSION GENERALE Les communes du Pays Sud Toulousain sont très peu tournées vers les énergies renouvelables. Pourtant, le potentiel est important. Le solaire et le bois sont des sources d énergies disponibles immédiatement sur le territoire mais qui reste aujourd hui sous-exploitée. Cette sous exploitation s explique en grande partie par un manque de formation et d information. Actuellement quelques projets sont identifiés dans la filière du solaire mais cela reste des projets. Cependant, si ces derniers se développent, cela aura certainement un effet d entrainement sur les autres communes, comme cela s est produit pour les installation de CESI. (chauffe-eau solaire individuel). Aujourd hui, ces deux types énergies (solaire et bois) seraient, d après le sondage effectué auprès des communes, celles dont privilégieraient les élus sur leur territoire. Cependant, une autre énergie seraient très bien adaptée à ce territoire : la méthanisation. Avec la quantité de déchets ménagers, verts, de boues de stations d épuration, d effluents d élevages, etc., le Pays Sud Toulousain apparaît comme une zone propice à l installation de ce procédé afin de produire de la chaleur et de l électricité. Or, ce système est très mal connu par le public et les élus ce qui explique le peu d intérêt pour cette forme d énergie. Mais celle-ci contrairement au solaire ou à la géothermie nécessite comme l éolien une concertation importante entre les acteurs car un tel projet nécessite du temps et de la l entente. La géothermie est d ailleurs une énergie très intéressante, qui peut se développer facilement sur le territoire en raison de son potentiel. Cependant, la géothermie reste dépendante de l énergie puisque les PAC demandent un minimum d électricité pour fonctionner. (mais récemment les premières PAC géothermiques fonctionnant au solaire sont sorties sur le marché). Le territoire possède également des ressources hydrauliques importantes qui sont pour la plus grandes majorités déjà exploitées. Certes, certains zones disposent d un potentiel important, mais face à une règlementation très rigoureuse en faveur de la protection de l environnement et notamment des poissons son développement reste limité et relève aujourd hui d une bataille juridique sans précédent. L implantation d un parc éolien reste difficile en raison d un gisement éolien assez faible (faible vitesse des vents) et de contraintes techniques et environnementales importantes. En conclusion, le développement des énergies renouvelables sur le territoire devrait donc porter principalement sur le solaire ( thermique et photovoltaïque), sur la filière bois énergie, la filière biogaz. Malgré sa dépendance à l énergie, le géothermie peut aussi être une technique tout à fait intéressante en raison de ses faibles coûts d exploitations. Face à ce bilan, quelques préconisations ont été élaborées. 159