Laboratoire unique en France, installé sur le site du BRGM depuis 2008, la plateforme Géothermie du BRGM permet de tester en conditions réelles les échangeurs géothermiques superficiels qui équipent les maisons individuelles ou bâtiments de petite taille pour la fourniture de chaud et de froid.

Site laboratoire unique en France inauguré en 2008 au BRGM à Orléans, la plateforme Géothermie a pour objectif d’optimiser la performance de systèmes énergétiques (échangeurs géothermiques, solutions de stockage intermittent, pompe à chaleur - PAC) et réalise des tests de validation sur tous types d’échangeurs en boucles fermées pour l’alimentation de chaud, de froid, d’eau chaude sanitaire et de stockage d’énergie.

Une plateforme de tests d’échangeurs géothermiques de surface en boucle fermée

La plateforme Géothermie exploite des échangeurs de chaleur implantés dans le proche sous-sol, c’est-à-dire à une profondeur n’excédant pas 200 mètres. On parle alors de géothermie de surface.

La plateforme propose et met à disposition les compétences et moyens techniques permettant de réaliser différentes expérimentations en conditions réelles d’exploitation pour :

  • Mesurer les performances d’échangeurs géothermiques multiformes en imposant différents types de consignes (température d’injection, débit de fluide caloporteur ou de puissance échangée) ;
  • Evaluer l’impact de l’environnement extérieur et souterrain (géologie, hydrogéologie) sur les performances des installations ;
  • Evaluer des outils d’auscultation de la qualité des forages (tuyau, température, cimentation, compactage du sol, teneur en eau…).

Produire de la chaleur et du froid grâce à la géothermie de surface

La plateforme expérimentale pour pompes à chaleur géothermiques vise à étudier les échangeurs de chaleur souterrains. 

Située à Orléans sur le site du BRGM, elle est co-financée par la Région Centre et le FEDER depuis sa phase de construction (Orléans, France, 2010). 

© BRGM 

La plate-forme géothermique installée au BRGM, à Orléans, permet de comparer les performances des différentes techniques pour échanger, été comme hiver, la chaleur entre le bâtiment et le sous-sol.

L'ambition de cette plate-forme est de décrire les mécanismes qui entrent en jeu tels que le vent, la pluie, le soleil, la chaleur des profondeurs. Comprendre la ressource va permettre de mieux la gérer pour mieux l'utiliser.

Les 1ers systèmes installés et étudiés sont les échangeurs horizontaux. Simple, économique, cette technique n'est pas la plus performante, mais donne des clés pour comprendre les autres échangeurs. On peut également choisir la stabilité de la ressource thermique pouvant être mobilisée avec des sondes verticales. C'est le cas aussi avec les solutions sur nappes aquifères. Actuellement, des solutions intermédiaires apparaissent comme ces systèmes appelés échangeurs compacts. Les performances ne sont pas encore complètement étudiées, mais sa simplicité de mise en place, avec une pelleteuse, fait de ce système un compagnon idéal pour les futurs maisons et bâtiments basse consommation.

En faisant circuler de l'eau dans les échangeurs, auxquels on impose une température et un débit, on peut simuler les besoins de chaud et de froid de tous les bâtiments. On peut ainsi reproduire le comportement de tous les habitats, de toutes les pompes à chaleur existantes ou de celles qui ne sont que des concepts.

Ce dispositif permet d'acquérir près de 10 000 valeurs de températures toutes les 2 min grâce à la technologie de la fibre optique.

2 ingénieurs, 2 thésards et un jeune BTS CIRA en alternance ont été embauchés pour faire vivre la plate-forme.

Objectifs de la plateforme Géothermie du BRGM

  • Accompagner les professionnels vers un développement de la géothermie respectueux des ressources du sous-sol grâce aux recommandations issues des campagnes scientifiques de tests.
  • Contribuer à la formation des futurs professionnels grâce aux partenariats, échanges et projets communs noués avec des centres de formations. 
  • Diffuser la connaissance sur les échangeurs géothermiques superficiels via des visites de la plateforme.

Domaines d'application

Caractérisation des performances et du comportement d’échangeurs géothermiques innovants

  • Optimisation de la conception de dispositifs de stockage de chaleur en champ de sondes ;
  • Développement de dispositifs de production de froid décarboné dit passif par géocooling ;
  • Modélisation et expérimentation de l’impact du climat et du revêtement du sol sur les performances d'échangeurs géothermiques.

Optimisation des performances des systèmes énergétiques

  • Caractérisation des performances de pompes à chaleur géothermiques ou hybrides innovantes ;
  • Hybridation de la géothermie de surface avec une autre source de chaleur, renouvelable ou non : solaire thermique, chaleur fatale... ;
  • Amélioration de l'efficacité de nouveaux modèles de corbeille géothermique pour faciliter leur mise en œuvre ;
  • Développement d’une solution clés en main pour la maison individuelle neuve (outil de dimensionnement et d'évaluation de la qualité de l’échangeur géothermique).

Quatre types d’échangeurs géothermiques

La plateforme Géothermie du BRGM permet de tester tout type d’échangeur superficiel à boucle fermée. Elle est constituée de différents types d’échangeurs géothermiques connectés à une machinerie thermodynamique.

Aujourd’hui, les quatre types d’échangeurs les plus représentatifs du marché sont testés sur la plateforme : horizontaux, verticaux, corbeilles géothermiques (ou échangeurs compacts) et puits canadiens.

Les échangeurs horizontaux ont été installés en serpentin entre 0,8 et 1,2 mètres de la surface du sol, profondeur à partir de laquelle les variations saisonnières de température sont déjà sensiblement atténuées.

Lors de l’installation, le sol a été décapé afin que la profondeur soit homogène et que la densité de terre pesant sur les échangeurs horizontaux soit constante.

Des investigations ont été menées sur ces échangeurs dans le but d’étudier leur comportement au cours du temps en fonction des échanges de chaleur avec l’atmosphère à la surface du sol. Afin d’analyser ces paramètres, une station météorologique complète a été installée sur la plateforme. Ses capteurs enregistrent différentes mesures : température et humidité de l’air, rayonnement solaire direct et réfléchi par le sol ou encore température du sol en surface. La pelouse située au-dessus des échangeurs refroidit et humidifie le sol : son impact, sa hauteur et en particulier sa capacité à rafraîchir le sol en été ont été étudiés.

Ces études permettent d’évaluer l’impact des événements climatiques sur les performances des échangeurs horizontaux et ainsi d’en mesurer l’efficacité en fonction de conditions météorologiques données.

Seize sondes verticales sont installées sur la plateforme : deux sondes de 50 mètres de profondeur et quatorze sondes de 100 mètres. Dans le cadre de plusieurs projets, le BRGM évalue l’impact des écoulements d’eau souterraine et des différentes couches du sol sur les performances des sondes géothermiques verticales : comment la nappe souterraine emporte-t-elle la chaleur en s’écoulant ? Comment impacte-t-elle l’efficacité du système ? Comment la chaleur s’échange-t-elle entre les différentes couches géologiques ?

Pour réaliser ces analyses, trois piézomètres de suivi des nappes d’eau souterraines ont été installés. Grâce à des pompages d’essais, ils permettent de mesurer la perméabilité du milieu. La température de l’eau souterraine est suivie grâce à la fibre optique installée le long des sondes et des piézomètres. De plus, les hydrogéologues du BRGM ont effectué des essais de traçage, qui permettent de mieux comprendre les écoulements souterrains.

Couplés à une pompe à chaleur, ces échangeurs verticaux chauffent aujourd’hui un des bâtiments situé sur le campus du BRGM, d’une superficie de 429 m2.

Les treize corbeilles géothermiques de la plateforme se présentent sous la forme de ressorts de 3 mètres de hauteur pour 38 cm de diamètre pour sept d’entre elles, et de 2,3 à 2,7 mètres de hauteur pour 1 à 1,2 mètre de diamètre pour six autres.

Solution encore peu développée, les corbeilles de plus grand diamètre ont fait l’objet de différents projets collaboratifs qui visaient à mieux comprendre les échanges entre la corbeille, le sol et l’atmosphère dans le but de donner aux professionnels des recommandations pour en optimiser la conception et les techniques de mise en place. Les essais réalisés sur la plateforme ont permis notamment de valider une innovation technique : la taille des corbeilles et les rainures faites le long des tubes des échangeurs, qui permettent de produire 20% de chaleur en plus.

Deux puits canadiens, appelés également puits provençaux pour leur fonction de refroidissement en été, sont installés sur la plateforme. C’est le système le plus simple et le plus ancien pour la régulation thermique des bâtiments. Dans ce cas, l’échange thermique se fait entre le sous-sol et de l’air neuf nécessaire pour la ventilation des bâtiments.

L’objectif consiste à tempérer cet air neuf, c’est à dire le préchauffer en hiver ou le rafraîchir en été, en le faisant circuler dans des tubes enfouis dans le sol avant d’être distribué dans le bâtiment. Il permet ainsi de limiter l’utilisation du chauffage et de la climatisation classique. La plateforme géothermie assure le suivi en continu d’installations de chauffage-rafraîchissement de deux chalets au moyen de puits canadiens.

Ce système permet de maintenir une température d’une vingtaine de degrés dans les chalets en hiver et inférieure à 26°C en été.

Une instrumentation précise et innovante

L’objectif de cette plateforme étant de décrire les mécanismes qui entrent en jeu tels que le vent, la pluie, le soleil et la chaleur du sol et du sous-sol, elle dispose d’une instrumentation innovante, qui permet d’analyser avec précision les impacts des différents éléments sur la performance des échangeurs. Outre la station météorologique et les trois piézomètres, 1,2 km de fibres optiques ont été déployées tout le long des échangeurs. À chaque mètre, elles donnent une température qui permet aux experts de déterminer quelle couche géologique transmet le mieux la chaleur. Ainsi, près de 12 000 valeurs de température du sous-sol peuvent être mesurées toutes les minutes.

Il est également possible de simuler les échanges de chaleur entre le sous-sol et le système énergétique d’un bâtiment : une pompe à chaleur de maison individuelle ou encore un panneau solaire afin de récupérer la chaleur excédentaire produite.

Des données accessibles sur le site de la plateforme Géothermie

Les données de fonctionnement de la plateforme Géothermie sont accessibles et téléchargeables sur son site web :

  • Données de la station météorologique enregistrées en continu et mises à jour toutes les 3 heures.
  • Données énergétiques de fonctionnement en temps réel du chauffage d'un bâtiment à l'aide d'échangeurs verticaux.

Un outil numérique pour évaluer le coût et la dimension de l’installation

Le BRGM a participé à la conception d’une solution géothermique adaptée à la maison individuelle basse consommation proposée au client pour un coût de 10 000 € TTC (pose et raccordement inclus), et capable d’assurer seule les trois usages thermiques principaux : production d’eau chaude sanitaire, chauffage, et rafraîchissement. La plateforme géothermie a été mobilisée afin de réaliser les tests sur les innovations des corbeilles géothermiques mais aussi dans le but de mettre au point un outil de dimensionnement des échangeurs géothermiques.

Le BRGM a diffusé cet outil sous forme d’une plateforme digitale accessible aux professionnels. Il s’agit d’un outil de dimensionnement d’échangeurs géothermiques qui vise à proposer une solution géothermique optimale en réponse aux contraintes liées à l’habitation, au climat et au terrain. Elle permet de déterminer l’installation géothermique nécessaire pour un bâtiment et une température souhaitée : à combien de mètres de profondeur les forages doivent être réalisés pour l’installation d’échangeurs verticaux ? Combien de corbeilles géothermiques sont nécessaires ? Ou encore quelle surface doit être couverte avec des échangeurs verticaux ?

Le BRGM propose des sessions de formation aux professionnels - bureaux d’études, foreurs, etc. - afin de les accompagner dans la prise en main de l’outil et de les aider à proposer des solutions géothermiques optimales aux particuliers.

Moyens techniques

Échangeurs multiformes représentatifs du marché

  • 1 champ de 13 sondes verticales disposées en étoile à 100 m de profondeur et espacées de 4,5 m ;
  • 3 échangeurs verticaux : 2 sondes à 50 m, 1 sonde à 100 m de profondeur équipée d’un écarteur de sonde ;
  • 13 échangeurs compacts innovants, type corbeille cylindrique, en différents matériaux et dimensions installés entre 0,8 m et 10 m de profondeur ;
  • 400 m2 d’échangeurs horizontaux installés à 1 m de profondeur sur différents types de surface et d’exposition ;
  • 2 puits canadiens de 50 m de long, enterrés entre 1 à 2 m de profondeur.

Machinerie thermodynamique chaud/froid

  • Thermo-frigo pompe permettant de produire jusqu’à 190 kW de chaud et 210 kW de froid ;
  • Injection d’eau glycolée sur une gamme de températures de -10°C à 55°C ;
  • Deux ballons tampons de 1 500 L chaud et froid, respectivement maintenus à - 8°C et 60°C ;
  • Système de contrôle-commande à distance des régulations.

Instrumentation innovante

  • Mesure distribuée de la température du milieu par 12 km de fibre optique, soit 12 000 valeurs par minute ;
  • Mesure de teneur en eau du sol (sondes capacitives) et du niveau de l’eau de la nappe (3 piézomètres) ;
  • Station météorologique intégrée (températures, vent, pression, rayonnement solaire et infrarouge…) ;
  • Suivi en ligne du dispositif de chauffage géothermique d’un bâtiment.

Moyens humains

  • 4 docteurs et ingénieurs spécialisés en modélisation de transfert thermique et géothermie de surface ;
  • 1 experte en communication scientifique et sociologie (acceptabilité sociale des projets) ;
  • Appui de l’équipe géothermie multi-spécialisé (plus de 25 experts).