journée de sensibilisation à la géothermie de surface

Journée de sensibilisation à la

Géothermie de Surface

Bruno MARSAUD (AFPG - ANTEA Group)

Hervé LAUTRETTE (AFPG – GINGER BURGEAP)

Les différentes formes de « Captage » de la

ressource géothermique

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Bruno MARSAUD

Directeur de projets Eaux Ressource et Géothermies

[email protected]

Hervé LAUTRETTE

Responsable Géothermies SGV & Stockage inter saisonnier

[email protected]

Référent Régional Nouvelle Aquitaine de l’AFPG

Secrétaire National de l’AFPG

[email protected]

[email protected]

Mardi 11 Décembre 2018 à Talence

2Bruno MARSAUD (ANTEA Group) et Hervé LAUTRETTE (GINGER BURGEAP)

mailto:[email protected]




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Préambule : le périmètre technique de la « Géothermie de Surface »

Les différentes formes de « Captage »

1 – Echangeur géothermique fermé

Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

2 – Echangeur géothermique ouvert

Nappe superficielle

3 – Les autres systèmes Jo

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Bruno MARSAUD (ANTEA Group) et Hervé LAUTRETTE (GINGER BURGEAP)

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Les SGV constituent un dispositif de captage de la ressource géothermique de premier plan

pour le marché de la construction et de la rénovation.

Elles sont réalisables sur 90% du territoire national, du simple bâtiment individuel à l’échelle de

l’éco-quartier (5kW à 10 MW).

Sondes Géothermiques

Verticales pour le

chauffage individuel

d’une habitationChamp de SGV

Stockage Inter saisonnier

Local Pompes

Sous-Stations

Production

décentralisées

Galerie technique

Boucle d’eau

tempérée

Champ de SGV pour le chauffage collectif d’un éco-quartier

Les Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

Du Bâtiment individuel à l’éco-quartier

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La Géothermie sur SGV est une Technique Courante - Norme NF X 10 970

La SGV est un échangeur géothermique vertical en U ou coaxial dans lequel circule un fluide

caloporteur en circuit fermé.

Ce dispositif de captage consiste en l’exploitation de la chaleur de la Terre à l’intérieur d’un

forage d’une profondeur pouvant aller de 30 à 300 m.

1. Collecteur en forme d’ Y

2. Tube d’injection du ciment, Ø25mm

3. Manchon électro-soudable en tête de SGV

4. Pied de Sonde double U

5. Pot de décantation éventuel

6. Lest de la SGV pour faciliter sa mise en œuvre

7. Cimentation avec coulis spécialement adapté

aux SGV

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La ressource géothermique est exploitée par extraction et/ou injection de calories dans le sous-

sol, par simple échange thermique.

Extraction de calories du sous-sol → Production de chauffage

Injection des calories dans le sous-sol → Production de climatisation

Le principe consiste à faire circuler un fluide caloporteur (eau ou eau glycolée) en circuit fermé

dans l’échangeur vertical que constitue la SGV.

- Fluide ascendant

Paroi du forage

Tubes PEHD

Coulis de scellement

+ Fluide descendant

Principe d’exploitation

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L’injection du coulis géothermique

d’enrobage des SGV dans le

forage est essentiel.

Le coulis garantie le bon échange

thermique entre le fluide

caloporteur circulant dans les

SGV et le terrain.

La mise en œuvre du coulis

d’injection est une obligation

règlementaire et

environnementale imposé par

la norme et les règles de l’art.

Principe de précaution dans le cadre de la réalisation d’une

SGV: l’injection du coulis

RéalisationLes Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

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Modélisation et Dimensionnement

Dimensionnement

Etapes clef d’un projet de géothermie sur champ de SGV

• Besoins énergétiques (Puissances & Energies)

• Cadre réglementaire

• Réalisation du dispositif (champ de SGV)

• Qualité de l’injection

• Contrôles des pressions, essais de circulation, étalonnage des débits

• Suivi et entretien

Faisabilité (Dimensionnement)

• Définition des besoins énergétiques à couvrir

• Cadre réglementaire

• Réalisation d’un forage test

• Relevé du contexte géologique

• Test de Réponse Thermique (TRT)

• Modélisation thermique & Dimensionnement

• Rapport de faisabilité

Bilan thermique du système moyenne sur 50 anskWh/an Chauffage Champ de sondes

auxiliaire Total demande Nombre sondes 140

Electricité (PAC) 0 chauffage Longueur sondes m 205

273 900 Pompe à chaleur Chauffage PAC 1 255 800 Ecartement des sondes m 8

(PAC) 1 255 800 Longueur connexions horizontales m 1 120

COP 4.6 Fraction chauffage 100% Caractéristiques du terrain

Conductivité thermique W/m/K 1.9

887 200 Température initiale du terrain (au niveau du TN) °C 14.6

Sondes Gradient géothemique K/km 26

géothermiques Ratio energie injectée sur énergie extraite 136%

1 203 200 Demande de Chauffage

Refroidissement Puissance calorifique PAC kW 2 025

Refroidissement pour chauffage auxiliaire Total demande COP 4.5

94 800 92 800 refroidissement Total demande chauffage kWh/an 1 255 800

Refroidissement direct Refroid. sondes 1 190 200 Facteur sur les besoins 1.0

100 1 097 400 Demande de Refroidissement

Machine frigorifique Fraction refroidiss. 92% Puissance frigorifique PAC kW 1 085

Machine frigorifique 1 002 400 EER 5.0

Electricité (machine frigorifique) Total demande refroidissement kWh/an 1 190 200

EffCoolM 5.0 200 500 Facteur sur les besoins 1.0

Caractérisitiques géocooling

Tempéature géocooling °C 16

Delta T géocooling °C 5

Pincement échangeurs °C 2

Fluide caloporteur mode chauffage

Débit chauffage (eau pure) 2.1

Delta T à l'échangeur chaud °C 5.0

Température minimale sur 30 ans °C 3.8

Température minimale sur 50 ans °C 3.8

Fluide caloporteur mode climatisation

Débit climatisation (eau pure) 1.8

Delta T à l'échangeur froid °C 5.0

Température maximale sur 30 ans °C 34.4

Température maximale sur 50 ans °C 35.1

Fonctionnement en mode chauffage

Puissance max couverte kW 2 025

Couverture chauffage PAC kWh/an 1 255 800

100%

Consommation électricité PAC kWhél/an 273 900

Puissance d'extraction maximum par mètre de sonde W/m 55

Energie annuelle extraite par mètre de sonde kWh/m/an 31

Fonctionnement en mode refroidissement

Puissance max couverte kW 1 085

Couverture refroidissement PAC kWh/an 1 002 400

84%

Puissance d'injection maximum par mètre de sonde W/m 45

Energie annuelle injectée par mètre de sonde kWh/m/an 42

Fonctionnement en géocooling

Couverture Géocooling kWh/an 100

0.0%

Fonctionnement en thermofrigo-pompe

Couverture Thermo-frigopompe kWh/an 94 800

8%

Appoint froid

Couverture de l'appoint froid kWh/an 92 800

8%

-202468

10121416182022242628303234363840

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

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mp

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du

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°C

Année de fonctionnement

Température du fluide dans circuit hydraulique des sondes

maximum mensuel

minimum mensuel


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Le Test de Réponse Thermique (Norme NF EN ISO 17628)

Les paramètres recherchés lors d’un TRT :

λ: Conductivité thermique du terrain (W/(m.K)),

T0Température initiale du terrain (°C),

Rb Résistance thermique de la sonde (K/(W.m)).

Cp Capacité volumique thermique du terrain (MJ/m3.K) identifiée à partir de la coupe géologique

Mesures : TRTLes Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

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Projet - Université d’Oshawa (Canada - Toronto)

Champ de SGV - 384 sondes x 213 m

82 km de sondes - 4 MW chaud & 7 MW froid

Projet - AIRBUS Group (France – Blagnac)

Champ de SGV - 140 sondes x 205 m

29 km de SGV - 2 MW chaud & 1,2 MW froid

RéférencesLes Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

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Stockage inter-saisonnierLes Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

Valorisation du stockage inter-saisonnier par la réversibilité du système :

Extraction de calorie en hiver lors de la production de chauffage

Injection de calories en été lors de la production de climatisation

Maintien en T°C du terrain → augmentation des rendements (1°C = ↑ 3% du SCOP)

ƞ = Ratio Energie Injectée / Energie Extraite → 60% < ƞ < 150%

Opération : Siège AIRBUS - 31 - France : • Champ de 140 SGV de 205m

• 2 MW de chauffage

• 1,2 MW de climatisation

Eté Hiver

Année 2017• Energie de Chauffage : 887 MWh extraits

• Energie de climatisation 1018 MWh injectés

Ƞ = 114%

7,5 8,5

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Suivi d’exploitation et entretienLes Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

Relevé des T°C dans le champ de SGV

Mars 2016 à février 2017

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ChantiersLes Sondes Géothermiques Verticales ou SGV

Train de Tiges et tubages à l’avancement de forage

Installation de chantier

Les forages et pose des SGV

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Têtes de forage, « Y » de raccordement, connexions horizontales et collecteurs

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Les connexions horizontales et collecteurs

Les différentes formes de captage de la ressource

géothermique

1 – Echangeur géothermique fermé (Sondes géothermiques verticales SGV)

2 – Echangeur géothermique ouvert (PAC sur nappe)

3 – Autres systèmes

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Principe d’exploitation

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Doublet géothermique :

Pompage sur un forage de production (producteur)

Récupération de calories (échangeur et PAC)

Réinjection dans la même nappe dans un forage de réinjection (injecteur)

Faisabilité

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Plusieurs données d’entrées :

Estimation la plus juste du besoin

(puissance, DeltaT, débit) sans forcément

chercher à couvrir la pointe du besoin

Mode de fonctionnement :

Chaud seul

Chaud et Froid

A partir de données bibliographiques et/ou

de forage(s) de reconnaissance recherche

des aquifères potentiels :

Géologie, hydrogéologie

Débit, caractéristiques hydrodynamiques

Sens d’écoulement (piézométrie)

Ouvrages voisins (géothermie, AEP,

Industriels ou agricole)

Chimie des eaux

Conception du doublet

Ecartement des forages

Conception des forages

=> ADEQUATION BESOIN / RESSOURCE

Ecartement du Doublet

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Déterminé par le risque de recyclage thermique :

L’eau refroidie crée une « bulle froide » autour du forage réinjecteur

Il y a risque que l’eau froide revienne sur le producteur : c’est le recyclage thermique

Réflexion à mener au moins sur la durée de vie des ouvrages (30 ans)

Ecartement du doublet

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Recours à des modélisations plus ou moins complexes selon les enjeux :

Modélisation par calcul analytiques pour les cas simples ou en première approche

Ecartement du doublet

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Recours à des modélisations plus ou moins complexes selon les enjeux :

Modèles hydrodynamiques maillés pour les sujets complexes : plusieurs doublets,

autres ouvrages à proximité (AEP )


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Choix des diamètres, des matériaux, des crépines, du

mode d’exécution en fonction du débit et des terrains

Ouvrages monolithes à faible profondeur et sans enjeux

forts d’isolement de plusieurs nappes (cimentation)


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Ouvrages télescopés pour profondeur plus importantes ou avec enjeux forts

d’isolement de plusieurs nappes (cimentation)

Réalisation des forages

Attention : il faut faire appelle à une entreprise qualifiée

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Sables - Calcaires

Suivi des travaux

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Les points particuliers a suivre lors des travaux:

Les exigences minimales de suivi des travaux

précisées dans l’arrêté du de 25 Juin 2015 (non

exhaustif, se référer au texte):

Coupe géologique et technique (diamètres,

types de tubes)

Niveau des nappes

Cimentation (Diagraphies CBL)

Pompage d’essai minimum 24 h, essai de

réinjection en vraie grandeur

Analyse d’eau (cation et anions majeurs,

ferrobactéries, bactéries sulfatoréductrices)

Dans des contextes particuliers plus à risques :

Comptage particulaires (dimensionnement des

filtres)

Modélisations hydrochimiques

Essais de plus longue durée

Surdimensionnement des ouvrages

Pompes de retro-lavage

Pompages d’essais

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Deux types de pompage :

Pompage par paliers :

Détermine la courbe

caractéristique

débit/rabattement

Définit un « état zéro »

avant exploitation

Important à conserver en cas de

problème sur l’ouvrage dans le

future

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10

15

20

25

30

35

40

450,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

13:30 14:30 15:30 16:30 17:30

Déb

it (m3

/h)

Rab

attemen

t (m)

Pompages d’essais

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Deux types de pompage

Pompage longue durée (24 à 72 h) :

Mesure des paramètres hydrodynamiques de la nappe et les limites

éventuelles de l’aquifère

Permettent de vérifier les conditions d’écartement (important sur le

premier des deux forages réalisés)

Finition et protection

Sécurité de l’ouvrage, de la nappe et des personnes

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Suivi de l’exploitation et entretien

Obligation réglementaire - utilité technique

Suivi de plusieurs paramètres : - Débit - Niveaux / pression- Température- Physico- chimie

Bancariserles données !

Echangeur

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Suivi de l’exploitation et entretien

Obligation réglementaire tous les 10 ans - utilité technique

Un forage s’entretient !- Inspections de contrôle (caméra, autres)

- Diagraphies- Pompages d’essai- Traitements mécaniques et chimiques éventuels

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Les différentes formes de captage de la ressource

géothermique

1 – Echangeur géothermique fermé (Sondes géothermiques verticales SGV)

2 – Echangeur géothermique ouvert (PAC sur nappe)

3 – Autres systèmes

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Les dispositifs de captage de la ressource géothermique, du simple

bâtiment individuel à l’échelle de l’éco-quartier

Les dispositifs de captage de la ressource géothermique constituent une source d’énergie

locale, renouvelable et non-intermittente.

Du simple bâtiment individuel à l’échelle des éco-quartiers, la « Géothermie de Surface »

est disponible au droit de chaque projet.

Elle constitue une multitude de solutions de captage énergétiques susceptibles d’équiper

vos projets.

Le concept de la « ville durable » peut se dessiner à partir de la Géothermie.

Faut-il encore s’en donner les moyens.

Osons la transition énergétique et bien venue dans l’univers de la

Géothermie qui vous attend.

Les autres dispositifs de « captage » de la Géothermie de Surface

Ouvrages de profondeur de 10m à 200m

Un échange géothermique en circuit fermé ou ouvert

Une PAC Géothermique

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Les capteurs à l’échelle de l’habitat individuel

(Circuit fermé) Les SGV ou

Sondes Géothermiques

Verticales (de 50m à 200m

de profondeur)

(Circuit ouvert) Le doublet

Géothermique sur nappe

superficielle (de 1m à 200m

de profondeur)

Ouvrages de profondeur de 0,50m à 4m

Un échange géothermique en circuit fermé


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Les boucles géothermiques

immergées

Les capteurs horizontaux

(de 0,5m à 1,5m de

profondeur)


Ouvrages de profondeur de 3m à 30m

Un échange géothermique en circuit fermé


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Les corbeilles (de 2 à 4m de

profondeur)

Les sondes coaxiales

obliques (de 30 à 50m de

profondeur)


Sur fondations énergétiques (Pieux/parois-moulées/tunnels)

Ouvrages de profondeur de 10 à 40m

Sondes géothermiques intégrées dans les fondations en circuit fermé

Un échange thermique avec le sol


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Pieux énergétiques

Parois-moulées énergétiques

Voussoirs énergétiques

Les capteurs à l’échelle de l’habitat collectif

Sur récupération de la chaleur des Eaux usées

Réseaux d’assainissement Ø300 à Ø 2000

Linéaires selon le Ø

Un échange thermique avec les effluents des collecteurs et le sol


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Sondes Géothermiques enroulées

autour d’un collecteur d’E.U (Récupération de la chaleur des effluents et

du terrain)

Solution pour des réseaux d’EU de

Ø300 à Ø 2000

Echangeurs à plaque disposés dans

la cunette d’écoulement des EU(Récupération de la chaleur des effluents)

Solution pour ovoïdes ou gros

collecteur > Ø 1500


Les Energies Thermodynamiques sur plan d’eau

Un échange thermique avec un lac

Exploitation des calories/frigories par simple circulation via un capteur géothermique immergé en circuit fermé


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Boucles immergées

dans un lac

Echangeurs immergés dans un lac ou fleuve


Les Sondes Géothermiques Profondes

Un échange thermique avec le sol (de 300 à 1 000m de profondeur)

Exploitation des calories par simple échange thermique avec le sol en circuit fermé


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Les Sondes

Géothermiques

Profondes


Energie Thermodynamique de Mer (thalassothermie), fleuve.

Un échange thermique avec la mer, un fleuve

Pompage en circuit ouvert

Echangeurs + filtres


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Pompage dans les dars d’un port ou en mer

Pompage dans des eaux d’un fleuve


Récupération de la chaleur sur les Eaux épurées d’une STEP.

Un échange thermique avec les rejets d’eaux épurées d’une STEP

Pompage en circuit ouvert

Echangeurs


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Echange thermique avec les eaux de rejet

d’une STEP


Valorisation du stockage inter-saisonnier couplé à de l’énergie solaire

Stockage inter-saisonnier couplé des capteurs solaires

Augmentation des performances énergétiques du système

40°C < Température du stockage < 80°C

Sans PAC Géothermique

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La Géothermie, une solution multi-énergies, multi-points

Valorisation du stockage inter-saisonnier couplé à de l’énergie solaire

Stockage inter-saisonnier couplé à des routes solaires

Augmentation des performances énergétiques du système

0°C < Température du stockage < 40°C

Avec PAC Géothermique

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La Géothermie, une solution multi-énergies, multi-points

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La « ville durable » de demain grace à la boucle d’eau tempérée, réel smard grid

thermique à l’échelle de l’éco-quartier

Appuyons nous sur ces ressources et développons des réseaux multi-énergies,

multi points

Les capteurs géothermiques sont présents :

A l’échelle des éléments naturels qui entourent nos projets:

Le sol

Les nappes phréatiques

Les fleuves

La mer

Les plans d’eau

À l’échelle des infrastructures de nos projets:

Les Fondations

Les collecteurs d’EU

Les STEP

Les chaussées

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Merci pour votre attention

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journée de sensibilisation à la géothermie de surface

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