On associe souvent la géothermie au chauffage de l’habitat et à l’alimentation des réseaux de chaleur urbains. Pourtant, on le sait moins, elle peut aussi servir à produire du froid. Quelles sont les différentes techniques ? On fait le point.
Saviez-vous que la géothermie ne servait pas qu’à produire de la chaleur et de l’électricité, mais aussi du froid ? Face à la hausse de la température terrestre et de la fréquence des vagues de chaleur, la géothermie constitue un moyen à la fois écologique, économique et discret de rafraîchir ou de climatiser les bâtiments. Elle pourrait notamment permettre aux villes de lutter contre les îlots de chaleur urbains qui sont aggravés par le recours aux climatiseurs.
Deux grandes options existent pour produire de la fraîcheur ou du froid avec la géothermie :
- Utiliser directement la fraîcheur du sous-sol, qui reste stable au cours de l’année (10 à 15 °C en Europe) : on parle de geocooling ou de rafraîchissement passif ;
- Utiliser la chaleur du sous-sol pour alimenter une pompe à chaleur (PAC) géothermique en mode climatisation : on parle alors de « froid actif ».
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Produire passivement du froid : le geocooling
Ce système de rafraîchissement passif est utilisé plutôt en inter-saison, quand seul un léger rafraîchissement est nécessaire, et en été en dehors des fortes chaleurs. Il est particulièrement adapté à l’habitat collectif et aux bâtiments de bureaux.
Quel est son principe ? À partir d’une certaine profondeur du sous-sol, la température est stable toute l’année. En France, par exemple, à 10-20 m de profondeur, la température est située entre 8 et 16 °C. Le geocooling consiste à utiliser directement cette fraîcheur du sous-sol pour refroidir les bâtiments, sans passer par une pompe à chaleur (lire plus loin).
Il s’agit de faire circuler un fluide chargé de transporter la fraîcheur (on parle de fluide caloporteur) dans des sondes géothermiques placées verticalement ou horizontalement dans le sous-sol, puis de transférer cette fraîcheur directement dans le réseau du bâtiment (plafond ou plancher rafraîchissant, convecteurs…).
L’intérêt du geocooling, c’est qu’il consomme très peu d’énergie. Avec certaines installations, 1 kWh suffit pour produire 50 à 60 kWh de froid. On dit que son coefficient de performance (COP) est de 50 à 60. Autre atout : il recharge le sous-sol en calories l’été, ce qui peut améliorer le rendement des installations de chauffage géothermique fonctionnant en parallèle l’hiver.
Une méthode de rafraîchissement ultra simple : le puits provençal
Appelé aussi « puits canadien » ou « puits climatique », ce système fonctionne sans pompe à chaleur (lire ci-dessous). Il consiste à faire circuler l’air d’un bâtiment dans une conduite enterrée à une profondeur supérieure à un mètre, là où le sous-sol est peu impacté par la température de l’air extérieur.
Produire activement du froid : les pompes à chaleur géothermique
La pompe à chaleur (PAC) géothermique repose sur l’utilisation de la chaleur du sous-sol pour chauffer des habitations ou alimenter des réseaux de chaleur urbains, mais aussi pour refroidir l’air d’un bâtiment.
Le principe est très simple : la chaleur du sous-sol est transférée au fluide frigorigène circulant dans l’évaporateur de la PAC ; il passe ainsi à l’état gazeux pour ensuite être comprimé dans le compresseur et se transformer en source de chaleur.
- Les PAC sol-eau fonctionnent soit avec des captages horizontaux placés à 1 m de profondeur, soit avec des captages verticaux qui s’enfoncent plus profondément, jusqu’à 100 m (système en boucle fermée) ;
- Les PAC eau-eau reposent sur un captage vertical sur nappe phréatique comprenant deux puits : un de pompage pour prélever l’eau, un puits de réinjection où elle est renvoyée (système en boucle ouverte).
Pour rafraîchir un bâtiment, il faut utiliser des PAC géothermiques dites « réversibles ». Ce sont des installations capables d’inverser leur cycle de fonctionnement pour produire du froid en captant la chaleur du bâtiment à refroidir et en la restituant ensuite au sous-sol. Pour produire simultanément de la chaleur et du froid, on utilise des PAC appelées « thermofrigopompes ».
À savoir
- Le COP d’une pompe à chaleur géothermique est de 4 à 5. Autrement dit, pour 1 kWh d’électricité consommée, 4 kWh de chaleur sont produits.
- Le rendement énergétique d’une PAC est bien supérieur à celui d’une climatisation, car elle utilise l’énergie de l’air au lieu de la produire
Deux projets utilisant la géothermie pour produire du froid
Le village olympique et le quartier Pleyel à Saint-Denis en France
Avec la hausse des températures estivales, la demande en système de climatisation explose. En décembre 2023, une centrale géothermique a été mise en service à Saint-Denis pour alimenter en énergie renouvelable le réseau de refroidissement et de chauffage urbain auquel sont raccordés 600 000 m2 de bâtiments, dont le village des Athlètes des Jeux olympiques et paralympiques 2024 et le quartier Pleyel.
La centrale est alimentée par 11 puits géothermiques de 50 à 70 m de profondeur, où se trouve une eau maintenue à une température constante de 14 °C. Ces puits sont connectés à trois thermofrigopompes produisant simultanément :
- du froid (eau à 5 °C alimentant les réseaux de refroidissement, notamment au sol) ;
- du chaud (eau à 65 °C alimentant les réseaux de chauffage et d’eau chaude sanitaire).
Cette solution permettrait de fournir au quartier 68 % d’énergie renouvelable et d’éviter l’émission près de 5000 tonnes de CO2 par an.
Le Biodôme de Montréal au Canada
Le Biodôme est un « musée vivant » situé dans l’ancien vélodrome de Montréal au Canada. Il présente, dans un même édifice, cinq écosystèmes différents : forêt tropicale humide, milieu sous-marin, forêt canadienne, côtes de l’Est canadien et île subantarctique. Il « se visite comme une balade en nature » et permet d’observer 200 espèces animales et 400 espèces de végétaux.
Pour maintenir dans le même bâtiment des atmosphères très différentes (à la fois tropicales et polaires) sans faire exploser les coûts énergétiques, un système de récupération de l’énergie et une gestion globale des flux de chaleur ont dû être mis en place lors de travaux de rénovation achevés en 2010. Ceci a été rendu possible par la mise en place de quatre PAC géothermiques reliant les différents écosystèmes, utilisant une nappe souterraine d’eau à 16 °C située à 20 m sous le bâtiment. C’est le système de géothermie ouverte le plus important du genre au Canada.
L’eau extraite réchauffe ou refroidit le fluide frigorigène des PAC puis elle est refoulée dans la nappe à 150 mètres de distance du point de pompage. Lors des périodes de pointe, la géothermie amène ainsi le surplus d’énergie requise. Cette récupération de chaleur suffit à chauffer le bâtiment 50 % du temps (à l’échelle d’une année). Les bassins qui doivent être conservés à des températures inférieures à l’air ambiant sont refroidis mécaniquement ; l’énergie retirée est alors rejetée dans le réseau de chauffage ou utilisée pour chauffer les bassins chauds.
Ce projet a permis au Biodôme de réduire de 52 % la facture énergétique et de 80 % ses émissions de gaz à effet de serre.
Sources
- ADEME
- Connaissance des énergies
- Géothermies
- Syndicat des énergies renouvelables
- Les clés de la transition énergétique
- Espace pour la vie – Biodôme
- Voir Vert
Par Véronique Molénat, rédactrice scientifique