Soutenance mémoire
La géothermie très basse température et les aspects réglementaires associés
Dans un contexte de développement global des énergies renouvelables, la géothermie se démarque par son aspect multi-échelle ainsi que par la pérennité de sa ressource. En effet, il convient de différencier les différents types de géothermie (BRGM, 2018) :
• la géothermie profonde à haute température ou énergie pour la production d’énergie, dont la profondeur est supérieure à 2 000 m et dont la température est comprise entre 200 et 250 °C ;
• la géothermie basse température ou énergie pour la production de chauffage et d’Eau Chaude Sanitaire (ECS) via, entre autres, les réseaux de chaleur urbains, dont la profondeur est comprise entre 1 000 et 2 000 m et dont la température est comprise entre 50 et 80 °C ;
• la géothermie très basse température ou énergie pour la production de chauffage et/ou de climatisation ainsi que l’ECS pour des ouvrages d’habitation individuels ou collectifs mais également pour des structures tertiaires, dont la profondeur est inférieure à 300 m et dont la température est inférieure à 40 °C.
Dans tous les cas, la ressource est le terrain et potentiellement l’eau qu’il contient. Contrairement aux énergies solaire et éolienne qui sont dépendantes des conditions météorologiques, cette ressource est extrêmement stable dans le temps. Cependant, des actions anthropologiques tels que les pompages de chantier, d’eau potable ou l’utilisation de cette ressource par d’autres systèmes géothermiques ont la possibilité de modifier la quantité d’énergie disponible. La quantification de la ressource énergétique est ainsi dépendante de nombreux paramètres détaillés ci-après dans ce rapport. Pour la production de chauffage, de climatisation ou d’ECS, le système est, soit couplé à une Pompe à Chaleur géothermique (PACg), soit en échange direct. De plus, il existe deux types de circuit d’échangeurs :
• les échangeurs en boucle ouverte où l’eau est extraite et réinjectée dans le milieu (e.g. doublet géothermique). Il y a ainsi un transfert de masse et d’énergie dans le système ;
• les échangeurs en boucle fermée où les échangeurs ne sont pas directement en contact avec le milieu (e.g. sonde géothermique). Il y a ainsi uniquement un transfert d’énergie dans le système.
Selon les critères précédemment énoncés, les géostructures thermiques font partie de la géothermie très basse température à échangeur en boucle fermée. En effet, les échangeurs thermiques constitués essentiellement de tubes en Polyéthylène Haute Densité (PEHD) sont liés directement aux cages d’armature des éléments en béton armé avant coulage. Par conséquent, il n’y a aucun contact entre le terrain et les échangeurs. De plus, le fluide caloporteur, typiquement de l’eau pure ou de l’eau glycolée, circule dans les tubes avec une température comprise entre +1 et + 35 °C. Il convient de noter que, en France, la géothermie très basse température comprend également une distinction réglementaire liée à la puissance installée et à la profondeur des installations. En effet, le décret n°78-498 du 28 mars 1978 modifié par le décret n°2015-15 du 8 janvier 2015 définit que les installations dont la puissance installée est inférieure à 500 kW et dont la profondeur est inférieure à 200 m pour les échangeurs en boucle fermée correspondent à la géothermie dite de minime importance. Cependant, ce décret exclut explicitement les géostructures thermiques de son champ d’application. Ainsi, il n’existe aucun texte réglementaire (code minier, code de l’environnement, etc.) encadrant l’utilisation de cette technologie en France. Les pays dans lesquels ces ouvrages sont construits ont, tout de même, rédigé un certain nombre de recommandations afin de préciser les bonnes pratiques à utiliser et les méthodologies de calcul à entreprendre afin de mener à bien un projet (GSHP association, 2012 ; SIA, 2005 ; CFMS et SYNTEC, 2017).
Définition du besoin énergétique
Les besoins en chauffage et en climatisation d’un bâtiment sont relatifs à sa fonction (e.g. résidentiel ou tertiaire), à sa position géographique (e.g. climat tempéré ou désert) et à ses performances énergétiques (e.g. BBC RT20124). Ainsi, selon les cas, le bâtiment pourra avoir des besoins équilibrés, partiellement déséquilibrés ou complètement déséquilibrés avec des amplitudes variables (Kavanaugh et Rafferty, 1997 ; ASHRAE, 2009 ; Michopoulos et al, 2011, Kharseh et al, 2015). Ce sont ces besoins qui sont le moteur des échanges thermiques avec le terrain. Ils décrivent une chronique de puissance. Ils sont généralement déterminés à des pas de temps horaires lors de Simulations Thermiques Dynamiques (STD) en suivant différentes prescriptions et notamment celles définies par l’ASHRAE (2012). Ces simulations permettent de définir les pics de puissance en chauffage et/ou en climatisation mais également l’énergie globale nécessaire pour subvenir aux besoins. Ces valeurs permettent de dimensionner la PACg. En effet, soit celle-ci est dimensionnée pour subvenir à 100 % des besoins (i.e. système monovalent), soit celle-ci est couplée à des systèmes auxiliaires pour prendre le relai en cas de pic de besoin trop important (i.e. système bivalent). Dans le cas des géostructures thermiques, les puissances dégagées sont rarement suffisantes pour subvenir à l’intégralité des besoins. Ces systèmes sont donc généralement bivalents (Pahud et Lachal, 2004, SIA, 2005). La figure suivante montre un exemple de chronique de puissance annuelle théorique définie au pas de temps horaire d’un immeuble d’habitation récent en France de Surface Hors-Œuvre Nette (SHON) de 2000 m² (Figure I – 42). Les besoins ainsi définis permettent de mettre en évidence les périodes de pics de demande en chauffage ou en climatisation mais également l’étalement de ces périodes. En effet, une demande d’énergie importante sur un temps très court ne sollicitera pas le système de la même façon que sur un temps très long. De même, les périodes de repos comme la nuit ou le week-end pour les bâtiments tertiaires permettent au système de se régénérer partiellement (cf. I.1.3.3). La réponse du système et, par conséquent, du terrain qui sert de réservoir d’énergie est très dépendante de ces éléments.
Influence de la géologie
Jusqu’à présent, les modèles testés ne considèrent que des milieux homogènes et isotropes sur toute la hauteur de l’ouvrage à l’exception de l’extrémité des fiches dont le substratum est considéré imperméable. Par conséquent, du toit de la nappe à la base des fiches, l’écoulement est identique. Or, dans un milieu géologique naturel, le terrain est composé d’une multitude de couches géologiques à la composition et aux propriétés variables (cf. I.1.3.3 et I.3). Les propriétés fondamentales qui sont susceptibles de varier et qui ont une influence dans les modèles de calcul thermo-hydrauliques sont :
• la conductivité thermique λ ;
• la chaleur spécifique Cv ;
• la porosité n ;
• la perméabilité k.
Premièrement, la conductivité thermique est le paramètre thermique qui commande les transferts de chaleur par conduction. Plus sa valeur est élevée, plus le flux de chaleur est élevé pour un même gradient de température. Pour les ouvrages en parois moulées, la présence de zones d’ombre hydraulique implique qu’une proportion importante du système fonctionne en conduction pure. Ce paramètre est donc essentiel. De plus, au sein même des parois moulées, les transferts de chaleur à travers le béton sont uniquement conductifs. Deuxièmement, la chaleur spécifique détermine la capacité d’un matériau à stocker de l’énergie. Il s’agit donc d’un paramètre essentiel pour la caractérisation des zones de stockage d’énergie où les anomalies thermiques s’accumulent. Mais, il s’agit également d’un paramètre déterminant dans la propagation du panache thermique. En effet, plus la chaleur spécifique des grains est élevée, plus la vitesse du front thermique est faible car l’eau n’arrive plus à dissiper l’énergie contenue dans les grains. Cependant, ce paramètre est relativement constant à l’échelle du grain. Troisièmement, la porosité a un rôle non négligeable car elle détermine la quantité d’eau contenue dans chaque formation en fonction du degré de saturation. Or, l’eau a une chaleur spécifique très supérieure aux grains. Par conséquent, plus il y a d’eau dans une couche géologique, plus sa chaleur spécifique effective est proche de celle de l’eau. Cependant, concernant l’influence de la porosité sur la conductivité thermique, les conséquences sont différentes. En effet, il ne s’agit pas des mêmes processus physiques et dans un sol compacté naturellement, la conduction passe par les grains qui sont en contact les uns avec les autres. La présence d’eau améliore ce contact par la formation de ponts thermiques mais il s’agit ici de l’influence de la teneur en eau. De plus, l’étude bibliographique a montré qu’un matériau plus dense, donc moins poreux, conduit mieux la chaleur. Quatrièmement, la perméabilité contrôle la capacité d’un matériau à laisser transiter de l’eau à travers son squelette granulaire. Plus sa valeur est élevée, plus la vitesse d’écoulement de la nappe sera importante pour un même gradient hydraulique. Les études paramétriques précédentes ont montré l’impact de l’écoulement sur le comportement des géostructures thermiques, la perméabilité est donc un paramètre clé. Par conséquent, plusieurs modèles sont testés dans lesquels la géologie et, donc, les paramètres thermo-hydrauliques varient. Un premier exemple avec un multicouche à un aquifère est modélisé suivi d’un exemple avec deux aquifères. Le modèle géologique pour chaque modèle est donné dans la section en question. La géométrie de l’ouvrage et la sollicitation thermique considérée correspondent au cas de référence (cf. II.3.1). De plus, le modèle est composé de cinq couches dont un substratum. Il comprend deux potentiels aquifères et deux aquicludes, i.e. des formations considérées imperméables, en plus du substratum en pied de parois (Figure II – 93).
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : CARACTERISATION DES GEOSTRUCTURES THERMIQUES
I.1. La place des géostructures thermiques dans la ville d’aujourd’hui et de demain
I.1.1. La géothermie très basse température et les aspects réglementaires associés
I.1.2. Les différents types de géostructures thermiques
Les pieux
Les murs de soutènement
Les tunnels
I.1.3. Les enjeux associés aux géostructures thermiques
Aspects thermo-mécaniques
Impact des tubes échangeurs sur les propriétés thermiques
Aspects thermo-hydrauliques
Interaction à l’échelle de l’ouvrage et de la ville
I.1.4. Conclusion
I.2. Bilan énergétique : de l’ouvrage au terrain
I.2.1. Le réservoir d’énergie : le terrain
I.2.2. La géostructure thermique
I.2.3. Rôle et fonctionnement de la Pompe à Chaleur
I.2.4. Définition du besoin énergétique
I.2.5. Synthèse
I.3. Détermination de la conductivité thermique
I.3.1. Essais en laboratoire et in situ
Aiguille thermique et cellule chauffante
Test de Réponse Thermique
I.3.2. Relations analytiques
Modèle de Kersten
Modèle de De Vries
Modèle de Johansen
Modèle de Johansen modifié par Tarnawski
I.3.3. Analyse paramétrique
Effet de la teneur en eau
Effet de la densité
Autres paramètres
I.4. Synthèse sur l’état de l’art
CHAPITRE II : MODELISATION NUMERIQUE 3D THERMO-HYDRAULIQUE DE PAROIS MOULEES THERMOACTIVES
II.1. Calcul des puissances échangées
II.1.1. Développement de la méthode d’analyse des flux
Calcul de la divergence des flux
Application aux géostructures thermiques
II.1.2. Cas unidimensionnel
II.2. Hypothèses, conditions aux limites et conditions initiales
II.2.1. Géométrie et hypothèses d’analyse
II.2.2. Conditions aux limites
II.2.3. Conditions initiales
II.3. Résultats et analyses
II.3.1. Cas de référence
Présentation du cas de référence
Activation des parois moulées – Cas de référence
II.3.2. Influence de la vitesse d’écoulement
Vitesse de Darcy nulle (0,0 m/j)
Vitesse de Darcy élevée (0,5 m/j)
Vitesse de Darcy très élevée (1,0 m/j)
Synthèse
II.3.3. Influence de la sollicitation thermique
Sollicitation déséquilibrée à vitesse modérée (0,1 m/j)
Sollicitation déséquilibrée à vitesse nulle (0,0 m/j)
Sollicitation déséquilibrée à vitesse élevée (0,5 m/j)
Sollicitation déséquilibrée à vitesse très élevée (1,0 m/j)
Synthèse
II.3.4. Influence de la géométrie de l’ouvrage
Elancement 1
Elancement 3
Elancement 5
Synthèse
II.3.5. Analyse de l’interaction entre deux géostructures thermiques
Espacement de 10 m
Espacement de 20 m
Espacement de 30 m
Espacement de 50 m
Synthèse
II.3.6. Influence de la géologie
Multicouche à un aquifère
Multicouche à deux aquifères
Synthèse
II.4. Conclusions et perspectives
CHAPITRE III : MODELISATION PHYSIQUE DE PAROIS MOULEES THERMOACTIVES
III.1. Présentation de l’expérimentation Sense City
III.1.1. Description générale
Chambre climatique
Saturation de la fosse
Chauffage des bâtiments
III.1.2. Systèmes de géostructures thermiques en place
Géométrie et positionnement des ouvrages
Tubes échangeurs de chaleur et fluide caloporteur
Conditions aux limites et hypothèses expérimentales
III.2. Essais de caractérisation et instrumentation
III.2.1. Modèle géologique
III.2.2. Essais en laboratoire
Caractérisation géologique
Caractérisation thermique
Caractérisation hydraulique
Synthèse
III.2.3. Essais in situ
Remplissage de la fosse
Vidange de la fosse
Synthèse
III.2.4. Instrumentation
PT100
Fibre optique
Débitmètre
Synthèse
III.3. Programme d’essais
III.3.1. Scénarios étudiés
Expérience 1
Expérience 2
Expérience 3
III.3.2. Conclusion et perspectives
III.4. Modélisation numérique en 3D d’un essai type
III.4.1. Hypothèses, conditions aux limites et conditions initiales
Géométrie et modèle géotechnique
Conditions aux limites
Conditions initiales
III.4.2. Résultats et analyses
Scénario température imposée
Scénario puissance imposée
Scénario mixte
III.4.3. Conclusion
III.5. Conclusion et perspectives
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES
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