Reconversion de forages profonds en échangeurs géothermiques

Contexte de réalisation

La réalisation d’un échangeur géothermique en boucle fermée peut constituer une alternative à la fermeture de forages profonds d’exploration pétrolière ou géothermique non productifs.

Dans un échangeur géothermique, le principe de la production de chaleur consiste à faire circuler un fluide en boucle fermée dans le forage. Un tubage thermiquement isolé   est mis en place dans le forage ; le fluide descend dans l’espace entre ce tubage et le casing du forage, se réchauffe au contact de la matrice rocheuse, puis remonte dans le tubage central. La performance énergétique du dispositif augmente avec l’isolation du tubage central. Contrairement à une exploitation directe d’un aquifère profond, du fait de l’échange de chaleur avec la matrice rocheuse, la température en sortie d’échangeur évolue sur de courtes durées en fonction de l’évolution de la demande en énergie thermique.

Objectifs

Estimer la performance énergétique et la rentabilité de l’utilisation de forages profonds comme échangeurs géothermiques en boucle fermée.

Schéma vue en coupe d'un échangeur géothermique profond

Programme des travaux

Les travaux ont été réalisés en plusieurs phases successives :

• recherche bibliographique et analyse de retours d’expériences à l’échelle européenne ;
• état de l’art de la réglementation ;
• développement d’un modèle énergétique pour le calcul des performances d’une pompe à chaleur sur échangeur géothermique profond avec modélisation des performances du système pour différents scénarios (profondeur du forage, quantité annuelle d’énergie prélevée) ;
• estimation des coûts d’équipement du forage ; valorisation du bilan énergétique ; calcul de rentabilité.

Résultats obtenus

Un modèle numérique d’échangeur géothermique profond, qui estime l’évolution temporelle de la température de sortie en fonction de la température d’entrée et du débit, a été développé, puis couplé au comportement d’un bâtiment et d’une pompe à chaleur. La modélisation dynamique couplée de l’ensemble des trois composants que sont le bâtiment, la pompe à chaleur et l’échangeur géothermique est en effet indispensable à l’établissement du coefficient de performance du système global et du bilan d’énergie. Ce bilan énergétique est ensuite valorisé dans le modèle économique.

Une application a été menée en considérant une courbe de demande en énergie thermique caractéristique d’un bâtiment de la zone climatique d’Orléans. Différents scénarios de profondeur de forage, de matériaux du tubage central et de taille du bâtiment ont été investigués.

Le modèle énergétique ainsi établi permet de calculer l’énergie prélevée au terrain et l’énergie électrique consommée par l’installation. Le coût de production de la chaleur a été calculé  pour deux solutions de chauffage : chaudière au gaz et pompe à chaleur sur échangeur géothermique profond, sans recourt à une subvention publique.

Le recours à la géothermie en lieu et place d’une chaudière gaz constitue un surinvestissement. Mais présente l’avantage de coûts d’exploitation inférieurs, qui seront d’autant plus faibles que l’augmentation du coût de l’électricité est limitée et que l’augmentation du coût du gaz est élevée

La rentabilité de l’opération de géothermie est dépendante de l’augmentation de prix de l’énergie fossile. Cependant, même lorsque cette augmentation est faible, pour des quantités annuelles d’énergie extraite élevées, les coûts de production de la chaleur par géothermie sur échangeur géothermique profond et par chaudière au gaz sont proches.

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