L’alliance des pompes à chaleur géothermiques et de la géothermie de surface contre le gaz russe

En France, depuis le début des années 2000, la consommation totale de gaz naturel, corrigée des variations climatiques, oscille autour de 500 TWh PCS après une forte croissance dans les années 1990. En 2020, dernière année disponible, elle s’établit à 494 TWh PCS, en baisse de 1,7 % par rapport à 2019. En 2019, le résidentiel représente 31 % de cette consommation, devant l’industrie (28 %), la production d’électricité et de chaleur (19 %) et le tertiaire (17 %).

En logement, la consommation moyenne de gaz naturel atteint 11 187 kWh, avec de fortes disparités selon qu’il est utilisé seulement pour la cuisson ou également pour le chauffage et la production d’ECS. 81,5% de la consommation moyenne sont consacrés au chauffage, contre 11,5% pour la production d’eau chaude sanitaire et 6,9% pour la cuisson.

L’association géothermie de surface et pompes à chaleur ne peut pas se substituer au gaz pour la cuisson, mais peut le remplacer pour le chauffage, pour la production d’eau chaude sanitaire (ECS) et apporte en plus le rafraîchissement quasi-gratuit.

Voici toutes les géothermies. Nous nous focalisons dans cet article sur les catégories 1 à 5. ©BRGM

GMI à boucle ouverte ou à boucle fermée ?

La géothermie de surface, dite aussi "géothermie de minime importance" (GMI) en France, est l’exploitation de la chaleur du sous-sol, soit par un forage en boucle fermée dans laquelle circule de l’eau glycolée, à moins de 200 m de profondeur de forage et avec une puissance thermique maximale prélevée inférieure ou égale à 500 kW, soit par puisage et réinjection d’eau en nappe, dit échangeur géothermique sur boucle ouverte.

La boucle ouverte, pour bénéficier de la simplification administrative de la GMI, doit respecter les mêmes contraintes que la boucle fermée : moins de 200 m de profondeur de forage et 500 kW de puissance prélevée au maximum.

Mais elle exige le respect de cinq obligations supplémentaires : la température de l’eau prélevée doit être inférieure à 25°C, les débits pompes dans l’aquifère sont inférieurs à 80 m3/h, les eaux prélevées sont réinjectées dans le même aquifère et la différence entre les volumes prélevés et les volumes réinjectés est nulle, enfin, la variation de température dans la nappe dans un rayon de 200 m autour du rejet doit être inférieure à 4°C.

Même si les ressources en nappes phréatiques sont largement disponibles sur le territoire français, elles ne sont pas présentes partout et peuvent s’accompagner de difficultés techniques d’exploitation, comme des eaux fortement corrosives ou sous pression et susceptibles de jaillissement en cas de forage.

De plus, la boucle ouverte implique l’installation d’une pompe immergée en nappe, dont l’entretien annuel nécessaire peut être complexe et coûteux.

A l’inverse, la géothermie de minime importance sur boucle fermée peut être mise en œuvre virtuellement partout, sauf s’il existe des obstacles sur le parcours du forage, par exemple des espaces vides importants dans le sol.

Une puissance de 500 kW suffit pour chauffer environ 50 logements des années 70 et plus de 100 logements conformes à la RT 2012 ou bien labellisés "bâtiment basse consommation énergétique rénovation" en ce qui concerne les bâtiments existants.

Les avantages de la GMI

Selon le décret n°2015-15 du 8 janvier 2015, modifiant le décret n°78-498, les ouvrages dits "de minime importance" – c’est-à-dire d’une profondeur comprise entre 10 et 200 mètres et avec un prélèvement ≤ 500 kW - introduit un régime déclaratif simplifié : ces ouvrages n’ont pas besoin d’une autorisation préalable.

Les forages qui relèvent de la géothermie de minime importance (GMI) doivent être déclarés sur un site spécifique : déclaration d’une nouvelle GMI, changement d’exploitant d’une GMI existante, modification d’une GMI déjà déclarée, arrêt d’une GMI.

Une fois la déclaration effectuée, le site délivre une preuve de dépôt de la déclaration. Ce qui est réputé valoir accomplissement de diverses procédures, notamment celle prévue par l’article L.411-1 du code minier : « Toute personne exécutant un sondage, un ouvrage souterrain, un travail de fouille, quel qu'en soit l'objet, dont la profondeur dépasse dix mètres au-dessous de la surface du sol, doit déposer une déclaration préalable auprès de l'autorité administrative compétente ».

Des entreprises qualifiées

La réglementation impose que les forages dans le cadre d’une GMI soient réalisés par des entreprises qualifiées RGE forage. Il existe deux sous-qualifications : nappe (boucle ouverte) ou sonde (boucle fermée). Ces qualifications sont gérées par l’association Qualit ENR.

La liste des entreprises qualifiées est disponible sur le site de l’association : sélectionner "Tous les systèmes", puis "Forage géothermique".

A propos de la GMI, le BRGM (Bureau des recherches géologiques et minières) a divisé la France en trois zones. La zone verte n’implique aucun risque, mais il faut tout de même utiliser les services d’un foreur qualifié RGE. ©BRGM

En zone orange, la réalisation de l’ouvrage requiert une attestation préalable étable par un « Expert GMI » agréé, plus naturellement l’intervention d’un foreur qualifié RGE Forage.

Dans sa dernière version, datant du 4 février 2019, la liste des experts agréés GMI compte 18 entreprises et se trouve sur le site de l’AFPG (Association Française des Professionnels de la Géothermie).

Dans la zone rouge, très réduite et il faut zoomer sur les cartes interactives du BRGM pour la distinguer, la GMI perd son régime déclaratif simplifié et retombe sous le régime de la procédure de l’autorisation préalable. Ce qui implique un dossier nettement plus complexe, plus coûteux et plus long à établir. Dans la zone rouge, il faut sans doute réfléchir à d’autres solutions techniques, différentes de la GMI.

Quelle est la puissance disponible ?

En France, à une profondeur de 10 à 20 m, la température du sol est influencée par le climat et se situe en moyenne à 12°C. A partir d’une profondeur de 25 à 30 m environ, la température du sol augmente de 1°C en moyenne tous les 33 m de profondeur.

Pour les sondes géothermiques en boucle fermée qui ne descendent pas à plus de 200 m de profondeur, la température du sol en été est en général plus faible que la température de l’air ambiant extérieur. L’installation peut donc contribuer à rafraîchir le bâtiment de manière passive par geocooling.

Les caractéristiques du sous-sol conditionnent le dimensionnement d’une installation de géothermie. L’AFPG indique (à partir de la page 16) les valeurs ci-dessous pour la conductivité thermique de différents types de sols :

Le sable mouillé affiche une conductivité thermique 4,6 fois supérieure à celle du sable sec.

En résumé, une valeur de 40 W/m d’extraction de chaleur par mètre de sonde réalisée est considérée comme basse, tandis qu’une valeur de 60 W/m est considérée comme excellente.

Combien coûtent les forages ?

Une enquête déjà ancienne, réalisée par l’AFPG en 2014, montrait des prix moyens de forage et d’installation de sonde en boucle fermée allant de 55 à 85€/m.

En prenant une valeur moyenne de 50 W récupérés par mètre linéaire de sonde, une installation dont le besoin s’élève à 500 kW suppose 10 000 m/l de sondes, soit 25 sondes de 200 m de profondeur (sonde en U : 200 m de profondeur = 400 ml de sonde) ou 50 sondes de 100 m de profondeur et un investissement de 550 000 à 750 000 €, simplement pour les forages et les sondes.

Le forage est incontournable pour les bâtiments existants. Pour les bâtiments neufs, en revanche, il existe d’autres solutions nettement moins coûteuses. Pour les grands bâtiments, il est possible de noyer les boucles fermées dans les fondations. C’est ce que l’on appelle les géostructures. Plusieurs énormes bâtiments sont traités de cette manière dont une tour de logement à Monaco. ©Weishaupt / PP

Pour les plus petits bâtiments, il est possible d’utiliser des murs géothermiques de faible profondeur, des nappes horizontales enfouies à moins de 10 m de profondeur. Il existe également des corbeilles géothermiques préfabriquées, enfouies à faible profondeur. ©NIBE / Caléosol

Une offre importante de pompes à chaleur géothermiques

Les pompes à chaleur adaptées à une installation géothermique sont des pompes à chaleur eau glycolée/eau, réversible ou non, ou des thermofrigopompes eau glycolée/eau qui produisent simultanément de la chaleur et du froid. ©Weishaupt

Particulièrement adaptées au tertiaire, les thermofrigopompes comportent 6 tubes : deux tubes pour l’aller et retour vers l’échangeur eau glycolée, deux tubes de départ chauffage, deux tubes de départ rafraîchissement.

En ce qui concerne les pac géothermiques plus classiques, elles sont proposées dans toutes sortes de puissances sur le marché français, par le petit français Lemasson, par le géant Viessmann, par Atlantic, Ciat, Weishaupt et une bonne vingtaine d’autres marques.

Les thermofrigopompes sont proposées par Carrier, Lennox, par les fabricants italiens Aermec, ClimaVeneta ou Clivet et d’autres, ainsi que par Swegon avec sa gamme OMICRON REV de 100 à 944 kW ou par Nibe.

En France, Johnson Controls fabrique des thermofrigopompes de forte puissance à Nantes, ETT développe une gamme utilisant le propane comme fluide frigorigène, Clauger en propose pour des emplois en industrie. SDEEC propose des thermofrigopompes de 54 à 300 kW.

Pour atteindre des puissances importantes, de l’ordre de plusieurs MW, la plupart des modèles de pac géothermiques sont cascadables. ©Stiebel Eltron