Quels sont les différents types de géothermie ?

Il existe trois grands types de géothermie :

  • La géothermie de très basse à basse énergie
  • La géothermie de moyenne énergie
  • La géothermie de haute énergie

La géothermie basse énergie se caractérise par des températures inférieures à 90°C. Elle est généralement utilisée pour le chauffage des bâtiments ou la production d’eau chaude sanitaire. On trouve également dans cette catégorie la géothermie très basse énergie (ou « géothermie de surface », « géothermie de minime importance »). Celle-ci se caractérise par des températures inférieures à 30°C.

illustration énergie géothermique différents types de géothermie

La géothermie de moyenne énergie, quant à elle, se situe dans une fourchette de température allant de 90°C à 120°C. Elle permet notamment de produire de l’électricité grâce à des turbines à vapeur. Enfin, la géothermie de haute énergie se distingue par des températures supérieures à 120°C. Elle est principalement utilisée dans des applications industrielles, telles que la production d’électricité ou de chauffage à grande échelle. Ainsi, ces trois types de géothermie se différencient non seulement par leur profondeur et leur température, mais aussi par l’utilisation de la ressource de chaleur.

Dans cet article, nous allons nous intéresser principalement à la géothermie très basse énergie. Plus précisément, nous nous concentrerons sur la géothermie de surface, qui s’applique à utiliser les températures du sous-sol pour chauffer, refroidir et produire de l’eau chaude sanitaire pour des maisons individuelles, des immeubles d’habitation ou des bâtiments tertiaires.

La géothermie de surface, adaptée au secteur domestique et industriel, correspond à la partie de la géothermie qui se situe dans le proche sous-sol. Elle est exploitable à des profondeurs inférieures à 200 mètres et pour une puissance de 500kW maximum par projet. Les systèmes qui exploitent cette géothermie sont le plus souvent dotés d’une PAC (pompe à chaleur) géothermique, qui fait la liaison entre l’énergie récupérée sous terre et la transmission de cette énergie vers le circuit de chauffage central. Pour exploiter cette géothermie de surface, plusieurs solutions géothermiques peuvent être envisagées par les particuliers comme les professionnels. Nous verrons dans cet article quelles sont ces solutions et quels avantages et inconvénients elles présentent.   

Systèmes de géothermie de surface : une vue d’ensemble 

On peut classer les principales solutions de géothermie de surface dans deux grandes catégories : la géothermie horizontale et la géothermie verticale.

La géothermie horizontale 

La géothermie horizontale consiste à installer des tuyaux enterrés dans le sol (ou immergés dans un plan d’eau) à faible profondeur, généralement à une profondeur de 1 à 2 mètres. Ces tuyaux sont placés de manière à former un réseau souterrain qui permet de capturer la chaleur du sol. L’eau ou le fluide antigel circulant à l’intérieur de ces tuyaux absorbe la chaleur du sol et la transfère vers une pompe à chaleur (Pac) qui la transforme en chaleur utilisable pour le chauffage ou l’eau chaude sanitaire. La géothermie horizontale est plus couramment employée par les particuliers que sa version verticale, en raison de sa simplicité d’installation et de son coût plus économique. Toutefois, pour être efficace, la longueur du réseau doit être d’au moins 2 fois la surface à chauffer.

géothermie horizontale
la géothermie sur plan d'eau

La géothermie sur plan d’eau (naturel ou artificiel) est une variante de la géothermie horizontale. Il s’agit d’une méthode de production d’énergie renouvelable qui exploite la chaleur du sous-sol à travers les eaux naturelles, telles que les lacs, les bassins, ou les étangs. Cette technique utilise la capacité de l’eau à stocker et à transférer la chaleur pour chauffer ou refroidir des bâtiments.

Pour utiliser la géothermie sur plan d’eau, des tubes sont immergés au fond du plan d’eau, à une profondeur où la température est relativement constante tout au long de l’année. Ces tubes sont remplis d’un fluide caloporteur qui circule en circuit fermé. Lorsque le fluide passe à travers les tubes, il absorbe la chaleur de l’eau environnante, puis cette chaleur est transférée à un échangeur de chaleur situé dans le bâtiment. Dans le cas du chauffage, l’énergie thermique extraite de l’eau est utilisée pour chauffer l’air ou l’eau qui circule dans les systèmes de chauffage des bâtiments.

La géothermie verticale

La géothermie verticale quant à elle, consiste à forer des puits profonds, de 10 à 200 mètres, dans lesquels sont insérés des tubes en boucle. Ces boucles sont remplies d’eau ou de fluide antigel et captent la chaleur du sol ou d’une nappe à plus grande profondeur. Comme pour la géothermie horizontale, la chaleur capturée est transférée à une pompe à chaleur pour être utilisée dans le système de chauffage ou d’eau chaude. Ces deux systèmes de géothermie (horizontal et vertical) présentent des caractéristiques différentes. La géothermie horizontale est souvent moins coûteuse à installer car elle ne nécessite pas de forage profond. Cependant, elle nécessite un espace suffisant pour installer le réseau de tuyaux, ce qui peut être un défi dans les zones urbaines denses. De plus, la géothermie horizontale a une efficacité légèrement inférieure à celle de la géothermie verticale, car la température du sol à faible profondeur est plus variable.

La géothermie verticale offre une efficacité énergétique plus élevée car la chaleur capturée à plus grande profondeur est plus constante. De plus, elle nécessite moins d’espace au sol, ce qui la rend plus adaptée aux zones urbaines. Cependant, le forage des puits peut être coûteux (prix au mètre linéaire de forage) et nécessite une expertise spécifique. Quelle que soit la méthode choisie, la géothermie est une source d’énergie renouvelable et propre. Elle permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et de réaliser des économies d’énergie significatives. De plus en plus de consommateurs se tournent vers la géothermie pour leurs besoins de chauffage et d’eau chaude, contribuant ainsi à la transition vers une société plus durable et respectueuse de l’environnement.

différents types de géothermie, al solution verticale

La géothermie verticale : sur sondes ou sur nappe phréatique ?

La géothermie verticale se divise elle-même en deux catégories distinctes : la géothermie verticale sur sondes et la géothermie verticale sur nappe phréatique. La géothermie verticale sur sondes consiste à creuser des puits verticaux dans le sol, qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres de profondeur. Ces puits sont ensuite équipés de sondes géothermiques, qui sont des tubes contenant un fluide caloporteur. Ce fluide circule dans les sondes et absorbe la chaleur du sol, avant d’être renvoyé vers une pompe à chaleur. Cette dernière se charge de transférer la chaleur récupérée vers un système de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire.

La géothermie verticale sur nappe phréatique, quant à elle, repose sur l’utilisation de nappes phréatiques situées à faible profondeur (moins de 200 mètres pour la géothermie de surface). Des forages sont réalisés pour atteindre ces nappes et y prélever de l’eau (en amont), qui est ensuite pompée vers une pompe à chaleur géothermique. La pompe à chaleur extrait la chaleur de l’eau pour la transférer vers le système de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire. Une fois la chaleur extraite, l’eau est réinjectée dans la nappe phréatique (en aval).  

Les avantages de la géothermie de surface

Ces différentes solutions de géothermie (verticale sur nappe, verticale sur sondes, horizontale) présentent des avantages écologiques indéniables. En effet, elles permettent de réduire les émissions de gaz à effet de serre, car elles utilisent une source d’énergie renouvelable et inépuisable : la chaleur du sol. L’utilisation de cette énergie permet de réduire les consommations d’énergies fossiles et de lutter contre le réchauffement climatique. De plus, elles permettent de réaliser des économies d’énergie significatives, car elles exploitent une ressource gratuite et disponible en permanence. Cependant, la mise en place d’un système de géothermie peut représenter un investissement initial conséquent. Il est donc crucial, avant toute installation, de réaliser une étude de faisabilité géothermique afin de déterminer la pertinence et la rentabilité du projet.

Parmi ses avantages, la géothermie présente une grande stabilité et une disponibilité constante. Contrairement aux énergies fossiles telles que le pétrole ou le gaz, dont les prix peuvent fluctuer et dont les réserves sont limitées, la géothermie de surface ne dépend pas des facteurs géopolitiques et offre une source d’énergie inépuisable. Par ailleurs, la géothermie de surface présente un faible impact environnemental. Contrairement aux installations de production d’énergie traditionnelles, elle ne nécessite pas de combustion de carburants fossiles, ce qui réduit considérablement les émissions de polluants atmosphériques tels que les oxydes d’azote ou le dioxyde de soufre. De plus, les installations de géothermie de surface ont une empreinte écologique relativement faible et peuvent être intégrées de manière harmonieuse dans les paysages.

En résumé, la géothermie de surface offre de nombreux avantages à la fois sur le plan environnemental, économique et énergétique. En exploitant la chaleur naturelle du sol, elle constitue une alternative durable et efficace aux énergies fossiles, contribuant ainsi à la transition vers un avenir énergétique plus propre et plus durable.

Comparatif des solutions de géothermie : avantages et inconvénients  

Découvrez le principe de fonctionnement, les avantages et les inconvénients de chaque solution dans le tableau récapitulatif ci-dessous.

Géothermie horizontale sur sondesGéothermie sur plan d’eauGéothermie verticale sur sondesGéothermie verticale sur nappe (ou doublet géothermique)
PrincipeLa chaleur est prélevée à moins de deux mètres sous la surface du sol et est transférée au bâtiment à chauffer par l’intermédiaire d’une pompe à chaleurDes capteurs sont placés au fond du plan d’eau pour prélever la chaleur naturelle de l’eau. Raccordés à un système de pompe à chaleur, ils permettent de chauffer et refroidir le bâtiment.Une sonde verticale (ou +) est enterrée à une profondeur pouvant aller jusqu’à 200m. Cette sonde capte les calories contenues dans le sol et les transfère au bâtiment via un système de pompe à chaleur.Des forages pompent l’eau de la nappe phréatique en amont. L’eau est chauffée ou refroidie via un système de pompe à chaleur et transférée dans le bâtiment à chauffer, avant d’être réinjectée dans la nappe en aval.
Avantages• Rendement très bon (économie entre 66 et 75% de votre facture)
• Investissement relativement faible
• Robustesse (durée de vie > 100 ans hors PAC > 15 ans)
• Très peu d’entretien
• Aides financières de l’État importantes (65% du projet)
• Performance et rendement excellents (puissance de captage jusqu’à 97 Watt/mètre, contre 50 W/m avec un forage)
• Pas de forage nécessaire
• Système plus simple à mettre en œuvre (réglementation peu contraignante pour la création de bassins)
• Aides financières de l’État importantes (65% du projet)
• Rendement excellent (économie entre 70 et 80% de votre facture)
• Peut-être installé quasi-partout
• Robustesse (durée de vie > 100 ans hors PAC > 15 ans)
• Très peu d’entretien
• Aides financières de l’État importantes (65% du projet)
• Le meilleur rendement (économie entre 75 et 85% de votre facture)
• Aides financières de l’État importantes (65% du projet)
Inconvénients• Nécessite une grande surface de terrain (2 fois la surface du bâtiment à chauffer)• Investissement initial important mais avec un ROI rapide (moins de 5 ans hors subventions)
• Nécessite une surface de terrain minimum
• Nécessite un entretien plus fréquent
• Investissement initial plus important
 
• Investissement initial plus important
• Nécessite une nappe phréatique abondante (pas possible partout)
• Nécessite un entretien annuel

Quelles sont les étapes d’une installation de géothermie réussie ?   

La géothermie est une technologie complexe qui nécessite des connaissances et des compétences spécifiques pour être correctement mise en place et garantir sa rentabilité. C’est pourquoi il est essentiel de faire appel à des professionnels expérimentés dans l’installation de systèmes géothermiques. Par ailleurs, il convient de respecter certaines étapes pour garantir une installation réussie. Voici nos recommandations.

Tout d’abord, il est impératif de faire réaliser une étude de faisabilité géothermique. Celle-ci va permettre de déterminer si le site dispose des caractéristiques appropriées pour l’installation d’un système géothermique. En effet, cette étude permet d’analyser les caractéristiques géologiques du terrain telles que la présence de nappes phréatiques et leurs propriétés ou la conductivité thermique du sol, qui peuvent influencer la performance et l’efficacité du système géothermique. Cette étape permet également d’étudier les besoins énergétiques liés au projet ainsi que les caractéristiques thermiques du bâtiment à chauffer. En effet, la performance thermique du bâtiment va en partie conditionner le dimensionnement du système. En évaluant ces paramètres, l’étude permet de déterminer si le site est adapté à l’installation d’un système géothermique et si celui-ci pourra répondre aux besoins de chauffage du bâtiment de manière efficace. L’étude permet également d’estimer les coûts d’installation et d’exploitation d’un tel système, en prenant en compte les spécificités du site et les besoins en termes de puissance. Enfin, l’étude de faisabilité géothermique permet de dimensionner le système géothermique en fonction des besoins de chauffage du bâtiment. En estimant la puissance nécessaire au système, il est possible de déterminer la taille des équipements annexes, tels que la pompe à chaleur géothermique, les échangeurs de chaleur ou les capteurs géothermiques. Cette étude est cruciale pour garantir une installation réussie.

Après cette phase d’étude, tous les paramètres de l’installation ont été définis et il convient ensuite de planifier l’installation et passer à la phase travaux. Pour installer un système de géothermie, des travaux assez conséquents peuvent être à prévoir en fonction du système de géothermie choisi. Pour un système horizontal, nul besoin de réaliser des forages, seule une opération de terrassement de la surface concernée par l’installation est nécessaire. Des boucles géothermiques y sont ensuite installées. Il s’agit de tuyaux enterrés dans le sol et qui permettent d’y extraire la chaleur ou le froid. Ces températures sont ensuite exploitées via la mise en place de la pompe à chaleur.

En revanche, dans le cas d’une géothermie verticale, il est nécessaire de faire intervenir une foreuse. L’installation d’un système vertical commence alors par la réalisation des forages. Ceci consiste à creuser des puits verticaux dans lesquels seront insérés des tubes en polyéthylène. Ensuite, il convient de réaliser des tranchées afin de permettre l’implantation des tubes pour acheminer l’eau vers la chaufferie. Ces tubes seront ensuite connectés à la pompe à chaleur qui est l’élément clé de tout système de géothermie. La pompe à chaleur est responsable de récupérer l’énergie thermique du sol et de la transférer vers le système de chauffage de la maison. Une fois que la pompe à chaleur est installée, il faut procéder au raccordement au réseau. Cela implique de connecter le système de géothermie à la plomberie existante de la maison, ainsi qu’au système de chauffage central. Enfin, il est important de réaliser des tests et des vérifications pour s’assurer que le système de géothermie fonctionne correctement. Cela inclut des contrôles de pression, des tests de fuites et des ajustements éventuels du système. Une fois que toutes ces étapes sont terminées, le bâtiment est prêt à profiter des avantages d’un système de géothermie verticale.

le forage géothermie verticale

En phase d’exploitation du système, il convient d’assurer l’entretien et la maintenance du système en faisant appel à des professionnels. Cela inclut des vérifications périodiques pour s’assurer que le système fonctionne correctement, le nettoyage des équipements et des réparations si nécessaire. Il est important de souligner que l’installation d’un système de géothermie ne peut pas être réalisée par des amateurs ou des entreprises non spécialisées. Les techniques et les connaissances nécessaires pour une installation réussie sont spécifiques à la géothermie. Par conséquent, faire appel à des professionnels qualifiés est essentiel pour garantir un fonctionnement efficace et fiable du système géothermique.  

Les innovations récentes dans le domaine de la géothermie 

La géothermie se développe et de nouvelles applications ont vu le jour ces dernières années. Nous vous en partageons quelques exemples.

Géothermie et datacenter      

Les datacenters sont connus pour leur consommation énergétique élevée et leur production de chaleur importante, ce qui nécessite des systèmes de refroidissement efficaces. Traditionnellement, les datacenters utilisent des systèmes de climatisation (grands ventilateurs le plus souvent) qui consomment énormément d’électricité, ce qui entraîne des coûts élevés et contribue au réchauffement climatique. Cependant, la géothermie propose une alternative plus respectueuse de l’environnement. Plus précisément, la solution de géocooling permet de procéder au refroidissement du data center de la manière la plus efficace possible, en utilisant le sous-sol comme source de fraîcheur. Ce refroidissement liquide se fait par l’utilisation d’une nappe phréatique, d’un plan d’eau existant ou de sondes géothermiques sans utilisation d’une pompe à chaleur. La seule installation d’une pompe de circulation pour sortir le froid du sous-sol permet d’obtenir des coefficients de performance COP de plus de 10, même en été. Cette technique du géocooling permet de réduire considérablement la consommation d’électricité nécessaire au refroidissement des serveurs, ce qui entraîne des économies financières importantes. De plus, elle permet de diminuer l’empreinte carbone du datacenter en réduisant sa consommation d’énergie d’origine fossile.

La technique du free heating géothermique

Ce système est particulièrement adapté aux infrastructures de stockage, qui entreposent des marchandises sensibles au gel comme les jardineries, les usines et plateformes logistiques ou encore les entrepôts de stockage. Dans le cadre de la jardinerie, le risque de gel des plantes est une menace pour les jardiniers. Pour s’en prémunir, les jardineries utilisent souvent un chauffage en mode hors gel en hiver qui permet de protéger les plantes du froid. La technique du free heating géothermique s’adapte particulièrement bien ce type de besoin. Le principe est de réaliser deux forages sur nappe (un pour le prélèvement d’eau, l’autre pour la réinjection) et permettre ainsi de puiser dans une eau à 12°C en période de froid. Ce système ne requiert pas l’installation d’une pompe à chaleur et la distribution de chaleur à l’intérieur du bâtiment est réalisée via des aérothermes (transmission de la chaleur de l’eau à l’air). Selon le dimensionnement de l’installation, il est possible de maintenir une température d’environ 8°C à l’intérieur du bâtiment en hiver. Ne nécessitant pas d’une PAC pour fonctionner, ce système est particulièrement rentable (d’où le terme « free » heating). Les consommations d’énergie générées par cette solution se limitent à la consommation des aérothermes et de la pompe immergée du forage. Cela représente une consommation de moins de 10% de l’énergie utile produite par le système.

Géothermie dans les piscines publiques     

Saviez-vous que les piscines et centres aquatiques sont souvent les bâtiments les plus énergivores dans le patrimoine des communes ? Or, l’installation d’un système de géothermie pour réchauffer ces installations permet notamment de réduire l’empreinte carbone de ces infrastructures aquatiques. En effet, contrairement aux combustibles fossiles tels que le gaz ou le fioul, la géothermie ne produit pas de gaz à effet de serre. Cela permet non seulement de préserver l’environnement, mais également de répondre aux préoccupations croissantes en matière de durabilité. De plus, la géothermie offre à ces infrastructures une solution économiquement avantageuse sur le long terme. Bien que l’investissement initial soit généralement plus élevé que l’installation d’un système de chauffage conventionnel, les coûts de fonctionnement et d’entretien sont considérablement réduits. En outre, l’utilisation de la géothermie pour réchauffer les piscines publiques et les centres aquatiques présente également des avantages en termes de confort et de qualité de l’eau. Contrairement aux méthodes de chauffage traditionnelles, qui peuvent entraîner des fluctuations de température et des problèmes de qualité de l’eau, la géothermie offre une chaleur constante et une meilleure régulation de la température.

Pour en savoir plus….

Si vous souhaitez en savoir davantage sur la géothermie et notamment, la géothermie de surface, nous vous proposons deux articles complémentaires :

Vous avez des questions ou souhaitez étudier la faisabilité d’une installation de géothermie ? Notre bureau d’études se tient à votre disposition pour en discuter. Nous pouvons étudier votre projet et vous garantir une installation dans les règles de l’art pour un fonctionnement optimal de votre système.