LA GEOTHERMIE BASSE TEMPERATURE, ingénieur ENSG Université d Eté des Sciences de la Terre,IGEN/SGF Montgenèvre 25 et 26/09/2015
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.
Schéma de principe
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.
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
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 ( 8,314 472 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)
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
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)
Les différents types de PAC Il existe deux familles de PAC Les PAC à compression Les PAC à absorption
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
Les PAC à compression
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
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.
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
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
Les fluides frigorigènes
Quelques applications des PAC Chauffage uniquement Chauffage et climatisation
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
Quelques ordres de grandeur Pour une installation devant fournir: 500 000 kwh/an 300 kw en puissance de pointe (Pmax) Prenons un Δ T de 5 C Il faut un volume annuel de 86 000 m 3 Soit un volume fictif continu de 9,8 m 3 /h Et un débit de pointe de 51,6 m 3 /h
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
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
Besoins thermiques L élaboration de la courbe monotone permet d évaluer les puissances appelées sur une saison (étude statistique).
Couverture des besoins
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)
Formules de base Volume d eau nécessaire: V= Consommation en Wh x 3600/ γ ΔT avec γ= 4,185 10 6 Q fictif= V/ 24 h x 365 en m 3 /h Q max= Pmax en Wh x 3600/ γ ΔT
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
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
Impact thermique Recyclage simulation mathématique
Evolution de la température au puits de production
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
Cas des forages peu profonds Le système peut également être modélisé. Il est possible également d utiliser des abaques.
Evolution de la température prenant en compte les échanges avec les épontes
Cas de nappe avec écoulement
Conception des forages En fonction de l aquifère à capter Du débit d exploitation
Conception des forages Dans le cas de forages au Dogger par exemple, les forages sont déviés (au minimum 1) pour éloigner les cibles.
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
Conception des forages
Le foreur Il réalise les travaux conformément au cahier des charges élaboré par le BE Hydrogéologie
Quelques ateliers de forage
Exemple d outils
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
Les sondes géothermiques sèches
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)
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
La maintenance Nettoyage du forage Travaux de développement Contrôle des installations de pompage et des appareils
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 )
Merci pour votre attention