L’ énergie géothermique

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Chaque cm³ de la Terre est en mouvement, et celle-ci l’est depuis sa formation, il y a 4.5 milliards d’années. En effet, selon l’échelle de temps géologique, des tremblements de terre se font sentir, des volcans naissent et grandissent, et les continents se réarrangent à la surface de la Terre. La source d’énergie à l’origine de tous ces phénomènes est la chaleur, on l’appellera par la suite : l’énergie géothermique. Cette source d’énergie est propre et est considérée comme renouvelable (à l’échelle macroscopique). Cette ressource peut avoir de nombreuses applications, telles que le chauffage et la climatisation résidentielle, la production d’électricité, etc. L’énergie géothermique est présente sur toute la surface du globe, chacune de ses applications peut être envisagée, peu importe l’emplacement. L’utilisation de cette ressource présente de nombreux avantages :
• son utilisation ne requiert d’investissement que lors de l’installation et l’entretien ;
• du point de vue environnemental, l’utilisation de cette énergie rejette très peu de CO2 dans l’atmosphère ;
• elle permet de réduire la demande en électricité ;
• elle permet de remplacer les systèmes de production électrique utilisant l’énergie fossile par l’utilisation d’une énergie renouvelable ;
• enfin, la géothermie peut également être un moyen de stockage d’énergie .

Afin d’utiliser cette énergie de la manière la plus efficiente possible, nous allons comprendre quels sont les moyens de transfert de chaleur mis en jeu sous terre, quels sont les moyens d’extraire cette énergie et quelles sont les contraintes imposées par les caractéristiques du sol.

Moyen de récupération de l’énergie géothermique

Le choix du moyen de récupération d’énergie est tributaire des caractéristiques suivantes :
• le type de sol ;
• la présence d’eau en grande quantité ;
• les besoins énergétiques de la résidence ;
• le niveau d’entretien accepté ;
• l’espace de terrain disponible ;
• l’investissement disponible.

Il existe plusieurs systèmes de récupération de l’énergie géothermique dont les principaux sont :

ÉCHANGEUR DE CHALEUR SOUTERRAIN VERTICAL (BOUCLE FERMÉE)
Le système à circuit fermé puise la chaleur dans le sol même ou dans un lac (ou un étang) et fonctionne à partir d’une boucle continue formée de tubes de plastique. Un mélange d’antigel (ex : Propylène Glycol, etc …) et d’eau circule constamment dans la boucle et dans la thermopompe, transférant ainsi la chaleur du sol ou de l’étendue d’eau vers lui, selon le besoin en chauffage et en climatisation. Dans un système en circuit fermé, le fluide n’entre jamais en contact avec le sol. Il est scellé à l’intérieur de la boucle et de la thermopompe.

ÉCHANGEUR DE CHALEUR SOUTERRAIN HORIZONTAL (BOUCLE FERMÉE)
Ce système est similaire au circuit à boucle verticale. Il peut être envisageable lorsque l’on dispose d’un terrain d’une grande surface.

SYSTÈME À EAU SOUTERRAINE (BOUCLE OUVERTE)
Ce système utilise l’eau souterraine, afin de réduire ou d’augmenter la chaleur de l’eau dans la boucle. Il est généralement utilisé dans les régions où les eaux souterraines sont abondantes et facilement accessibles. L’eau est habituellement réinjectée dans l’aquifère. L’avantage premier est que la température de l’eau du puits est constante, permettant ainsi un fonctionnement hautement efficace à un coût d’installation relativement faible. Un échangeur thermique intermédiaire est ajouté, dans de nombreux cas, afin d’isoler la boucle raccordée aux unités des eaux souterraines et ainsi réduire les coûts d’entretien. Le système ouvert est soumis à de l’eau souterraine contenant des solides dissous (fer, souffre, calcaire et autres minéraux ), qui peut encrasser son échangeur de chaleur, diminuant donc son efficacité et requiert un entretien régulier.

SYSTÈME À PIEUX GÉOTHERMIQUE
Les pieux géothermiques servent à la fois de fondation et de puits géothermique. Ils intègrent un système d’échangeur thermique à la structure du bâtiment pour la production de froid et/ou de chaleur.

ÉCHANGEUR DE CHALEUR À EAU DE SURFACE
Les systèmes à échangeur de chaleur à eau de surface sont souvent utilisés à proximité d’une étendue d’eau. Ce système profite de la stabilité de la température de l’eau à une certaine profondeur pour en extraire de l’énergie.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GÉNÉRALITÉS
1.1 L’ énergie géothermique
1.1.1 Introduction
1.1.2 Moyen de récupération de l’énergie géothermique
1.1.3 Sources d’énergie remplacées
CHAPITRE 2 REVUE DE LITTÉRATURE
2.1 Introduction
2.2 L’évolution des tests de réponse thermique sur site
2.3 Mise en contexte
CHAPITRE 3 UN TEST DE RÉPONSE THERMIQUE MULTI NIVEAU
PERMET-IL D’OPTIMISER LA LONGUEUR DE PUITS
GÉOTHERMIQUE ?
3.1 Introduction
3.1.1 Données initiales du projet
3.2 L’équation d’ASHRAE
3.2.1 Les charges au sol
3.2.2 Les températures
3.2.3 Les résistances thermiques
3.2.4 Calcul de la longueur
3.3 Comparaison de la méthode avec d’autres essais issus de la littérature
3.3.1 Introduction
3.3.1.1 Étude N˚1
3.3.1.2 Étude N˚2
3.3.1.3 Étude N˚3
3.3.1.4 Étude N˚4
3.3.1.5 Étude N˚5
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 DESCRIPTIF ET FONCTIONNEMENT DE LA NOUVELLE
MÉTHODE ET DU PROTOTYPE
4.1 Introduction
4.2 Description de la nouvelle méthode et du prototype
4.3 Description de la procédure d’analyse
4.4 Description du site expérimental
4.5 Déroulement des expériences
4.5.1 Plan expérimental
CHAPITRE 5 ANALYSE DES RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
5.1 Détermination des caractéristiques du sol par analyse en laboratoire
5.1.1 Reproduction des sols de forage
5.2 Détermination des caractéristiques du sol par tests de réponse thermique
multi niveaux
5.2.1 Données initiales
5.2.2 Analyse N˚1 : Comparaison entre le test N˚1 et le test N˚6
5.2.2.1 Test N˚1 : SANS rondelles de plastique souple
5.2.2.2 Test N˚6 : AVEC rondelles de plastique souple
5.2.2.3 Analyse
5.2.3 Analyse N˚2 : Comparaison entre le test N˚2 et le test N˚5
5.2.3.1 Test N˚2 : SANS rondelles de plastique souple
5.2.3.2 Test N˚5 : AVEC rondelles de plastique souple
5.2.3.3 Analyse
5.2.4 Analyse N˚3 : Comparaison entre le test N˚3 et le test N˚4
5.2.4.1 Test N˚3 : SANS rondelles de plastique souple
5.2.4.2 Test N˚4 : AVEC rondelles de plastique souple
5.2.4.3 Analyse
5.2.5 Analyse N˚4 : Comparaison entre le test N˚6 et le test N˚7
5.2.5.1 Test N˚7 : AVEC rondelles de plastique souple percées
5.2.5.2 Analyse
5.2.6 Analyse N˚5 : Influence des disques de plastique souple sur le
transfert de chaleur
5.2.6.1 Analyse
5.2.6.2 Analyse de l’évolution de la température le long du
câble chauffant
5.3 Conclusion
CHAPITRE 6 INFLUENCE DES ERREURS LORS DES ESSAIS
6.1 Introduction
6.2 Analyse de l’efficacité des Power Switching Supply
6.3 Calibration des capteurs de température
6.3.1 Détermination de l’incertitude d’étalonnage
6.4 Mesure de puissance
6.5 Mesure de l’efficacité EPSS
6.6 Mesure du temps
6.7 Mesure de la longueur des puits
6.8 Mesure de la longueur du câble chauffant
6.9 Mesure de la capacité thermique du sol (C)
6.10 Combinaison des erreurs sur le résultat final
6.10.1 Combinaison des erreurs sur le calcul du taux d’injection de
chaleur
6.10.2 Combinaison des erreurs sur le calcul de la conductivité
thermique
CONCLUSION