Énergie Géothermique – Chauffage du cœur de la Terre
Les systèmes basés sur l’énergie géothermique tirent parti des quantités illimitées d’énergie stockées sous forme de chaleur dans l’eau, profondément sous la surface de la Terre. L’exemple le plus visible de cela provient des « geysers » et des « sources chaudes » qui éjectent de grandes colonnes d’eau très chaude, de vapeur et de gaz dans les airs de manière spectaculaire. L’énergie géothermique est une autre ressource énergétique renouvelable, car elle utilise l’immense chaleur naturelle illimitée stockée à l’intérieur du cœur de la Terre.
En fait, le mot « géothermique » provient de la combinaison de deux mots grecs : Geo signifiant « Terre », et Therme signifiant « chaleur », le mot résultant « géothermique » signifiant en réalité « chaleur générée par la Terre ». Ainsi, l’expression « énergie géothermique » signifie littéralement « énergie thermique générée par la Terre ». Une fois disponible, l’énergie géothermique peut être utilisée directement ou indirectement comme ressource énergétique alternative pour chauffer et refroidir nos maisons.
Comment Fonctionne l’Énergie Géothermique
L’énergie géothermique est une ressource énergétique naturelle alternative qui repose sur des sources d’eau chaude souterraines, tirant sa chaleur du cœur de la Terre. La chaleur du cœur est extrêmement chaude et suffisamment puissante pour faire fondre les roches en un liquide chaud à l’intérieur de la Terre, appelé Magma.
C’est ce magma liquide qui devient de la lave fondue une fois qu’il atteint la surface, et que nous voyons s’écouler des sommets des volcans. Le magma refroidit au fur et à mesure qu’il se rapproche de la surface de la Terre, formant un manteau solide qui entoure le cœur.
Nous continuons de la surface jusqu’à ce que nous atteignions le centre du globe, et la croûte terrestre, qui est l’extérieur du noyau. Cette abondance de chaleur est ce que nous utilisons comme énergie géothermique, car l’utilisation de cette chaleur est considérée comme respectueuse de l’environnement, gratuite, non polluante et renouvelable, étant donné qu’il y a un flux constant de chaleur terrestre du noyau intérieur vers la surface de la Terre.
Bien que la couche supérieure de la croûte terrestre, proche de la surface, ne soit pas très chaude, elle devient beaucoup plus chaude plus profondément sous terre en raison de la conduction de la chaleur du cœur. L’eau, provenant de la pluie ou des océans, s’infiltre à travers des trous géologiques, des fissures et des failles dans la croûte terrestre, absorbant de la chaleur tout en se déplaçant à travers les roches chaudes en dessous.
En conséquence, l’eau est superchauffée par les températures et pressions immenses juste quelques centaines de mètres plus bas, émergeant à nouveau sous pression à la surface de la Terre sous forme de geysers et de sources chaudes. Cette eau est suffisamment chaude pour être utilisée pour cuisiner, se baigner ou chauffer nos maisons. Parfois, cette « eau géothermique chaude » est piégée dans des vides souterrains, incapable d’atteindre la surface, formant des réservoirs géothermiques.
La source de chaleur géothermique moyenne juste en dessous de la surface de la Terre (généralement 2 à 3 m) varie rarement de 50 à 70oF (10 à 21oC), et peut être utilisée directement pour chauffer des bâtiments ou pour préchauffer des fournitures d’énergie conventionnelles à haute température. Cependant, à certains emplacements spécifiques, par exemple autour des geysers, des sources chaudes et des zones volcaniques, des gradients de température plus élevés se produisent, fournissant d’importantes ressources géothermiques beaucoup plus chaudes que dans d’autres zones.
De plus, beaucoup plus profondément sous la surface de la Terre, les températures sont suffisamment chaudes pour transformer l’eau en eau surchauffée et en vapeur. Ainsi, les ressources énergétiques géothermiques peuvent être utilisées soit pour une consommation directe, soit pour la production d’énergie de l’une des trois manières principales suivantes :
Types d’Énergie Géothermique
-
Énergie Géothermique Directe – c’est là où l’eau chaude est disponible soit à la surface soit très proche de celle-ci et peut être utilisée directement pour le chauffage, le bain ou le lavage. -
Géothermie par Pompes à Chaleur – c’est là où la ressource d’eau chaude géothermique se trouve à faible profondeur, permettant un accès facile à la ressource géothermique à l’aide de tuyaux et de forages. -
Centrales Géothermiques – celles-ci exploitent l’eau ou la vapeur extrêmement chaude à l’aide de forages verticaux effectués profondément dans le sol et les utilisent pour générer de l’énergie électrique.
Nous pouvons donc constater qu’il existe fondamentalement deux types principaux d’« énergie géothermique ». L’un où l’énergie peut être utilisée directement, sous forme de chaleur ou d’eau chaude, et l’autre où elle peut être utilisée indirectement comme moyen de générer de l’électricité.
La géothermie est particulièrement adaptée pour le chauffage et le refroidissement des maisons en installant soit des pompes à chaleur géothermiques soit un échangeur de chaleur géothermique pour une utilisation directe. Étant donné que cette ressource énergétique est constamment régénérée par le soleil et la Terre environnante, « l’énergie géothermique » est une ressource énergétique renouvelable.
Pompes à Chaleur Géothermiques
Comprenons que la géothermie n’est PAS de l’exploitation minière, car l’exploitation minière élimine le matériau extrait de manière permanente, tandis que l’énergie géothermique extrait la chaleur d’un fluide hydrothermal qui est renouvelé, parfois sur de très longues périodes par la Terre elle-même. De plus, le milieu de transport de chaleur, l’eau, finit par refroidir et retourne à la Terre par les processus naturels habituels pour être réchauffée à nouveau.
Une manière d’extraire cette énergie thermique est grâce à une Pompe à Chaleur Géothermique. La pompe à chaleur géothermique ne produit pas d’électricité, elle fait circuler un liquide thermiquement conducteur à travers des tuyaux (une boucle terrestre) enterrés sous terre, fonctionnant sur le même principe qu’un réfrigérateur domestique, mais à l’envers.
Une Pompe à Chaleur Géothermique, également connue sous le nom de « Pompe à Chaleur à Source Souterraine », est un moyen très efficace de chauffer et de climatiser des maisons et des bâtiments, car elle peut déplacer la chaleur de deux manières : pendant les mois d’hiver froids, la chaleur de faible température est prélevée dans le sol (la source de chaleur) pour une utilisation directe dans le chauffage des bâtiments et d’autres structures.
En été, pendant les mois les plus chauds, la pompe à chaleur géothermique fonctionne à l’envers, en éliminant la chaleur du bâtiment et en la dissipant dans le sol. Grâce à ce processus simple, le chauffage géothermique à usage direct devient très populaire auprès des propriétaires, car il représente une alternative économique aux systèmes de chauffage domestique à base de pétrole ou de gaz coûteux. Les économies d’énergie réalisées grâce à une pompe à chaleur d’origine terrestre peuvent être considérables sur une longue période.
Conception Géothermique
Dans la plupart des systèmes de pompe à chaleur géothermique résidentiels, la chaleur disponible sous la surface est extraite de terres peu profondes, c’est-à-dire à moins de 3 mètres (10 pieds) de profondeur.
Le transfert de la chaleur géothermique est réalisé par un mélange d’antigel et d’eau circulant dans des tuyaux en polyéthylène plastique et des boucles enterrées horizontalement (ou verticalement) dans le sol.
Le réfrigérant circule à travers un cycle de condensation et d’évaporation entre deux échangeurs de chaleur. Un échangeur de chaleur s’évapore à basse pression et absorbe de la chaleur pour le refroidissement, tandis que l’autre compresseur pousse la vapeur de réfrigérant, maintenant à haute pression, dans une autre bobine où le réfrigérant se condense et libère la chaleur pour le chauffage.
Contrairement aux réfrigérateurs et aux climatiseurs, les pompes à chaleur géothermiques peuvent fonctionner dans les deux sens, prenant de la chaleur du sol pour chauffer la maison et restituant l’excès de chaleur dans le sol pour refroidir la maison.
L’ajout d’une petite pompe à chaleur électrique dans un système géothermique permet d’utiliser de l’énergie géothermique à basse température dans les maisons et les bureaux. L’unité de pompe à chaleur se trouve généralement à l’intérieur d’un bâtiment pour la protection et est raccordée en interne soit à un système de chauffage par le sol à basse température, soit à un système de climatisation assistée par ventilateur, fournissant de l’air chaud ou froid en fonction de la saison.
Une pompe à chaleur ne génère pas d’électricité, mais utilise une petite quantité d’électricité pour transférer de grandes quantités d’énergie thermique gratuite dans les deux sens entre un bâtiment et le sol environnant, en fonction des besoins de chauffage ou de refroidissement.
Boucles Souterraines et Boucles de Terre Géothermiques
Les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques peuvent être installés dans le jardin ou le terrain entourant une maison suburbains ou un autre bâtiment. La boucle de terre (également connue sous le nom de boucle terrestre) transfère la chaleur vers et depuis le sol et, en fonction de la superficie de jardin, de parcelle ou de terrain disponible. Ces boucles de terre fermées, qui peuvent être horizontales, verticales ou spiralées, sont fabriquées en tuyaux en polyéthylène haute densité, enfouis profondément dans le sol ou même immergés dans un lac ou une mare suffisamment profonde.
Si suffisamment de terrain est disponible, on peut installer des boucles de terre horizontales. Cela implique de creuser une ou plusieurs tranchées peu profondes avec les tuyaux en polyéthylène disposés horizontalement à l’intérieur de la tranchée avant d’être remblayés. Il existe divers modèles de boucles de terre horizontales, utilisant une, deux, trois ou plusieurs branches parallèles dans une conception de tranchée unique, selon l’espacement. Plus il y a de tuyau par mètre de tranchée, plus la tranchée peut être courte, la longueur des tuyaux variant généralement de 30 à 100 mètres (100 à 300 pieds), selon la conception.
Types de Boucles de Terre Géothermiques
Un autre type de conception de boucle de terre horizontale utilise des bobines ou des boucles de tuyaux à l’intérieur de la tranchée au lieu de rangées droites.
Dans cette installation, la tranchée est creusée comme précédemment, mais au lieu de poser le tuyau à plat dans des lignes droites, des bobines en spirale de tuyau sont espacées uniformément sur toute la longueur de la tranchée, semblables à un ressort aplati et étiré.
L’avantage de ce type d’installation de boucle de terre est qu’il y a plus de tuyau par mètre, utilisant une zone de tranchée plus petite, ce qui en fait une conception plus compacte pour de petits jardins ou parcelles. Cependant, l’inconvénient est que la ressource thermique est extraite d’une empreinte beaucoup plus petite, donc moins de chaleur est extraite du sol.
Tout comme les boucles de terre horizontales fermées, des boucles de terre verticales peuvent être utilisées lorsque l’espace est limité ou lorsque les conditions locales ne sont pas appropriées pour des boucles horizontales, telles que des terrains durs ou rocheux. Cependant, contrairement aux boucles horizontales utilisant une tranchée peu profonde, les boucles de terre verticales nécessitent l’utilisation d’une foreuse pour forer un ou plusieurs trous environ 30 à 80 mètres (100 à 250 pieds) de profondeur.
Une fois foré, un tuyau double spécial ou deux tuyaux simples reliés ensemble avec un coude est inséré et enfoncé dans le trou jusqu’à atteindre le fond. Après cela, le trou est remblayé pour fournir un bon contact thermique autour du tuyau et sceller le trou. Un seul tuyau vertical ou des tuyaux sont ensuite connectés à un système de collecteur en surface. La capacité thermique d’un système de boucle verticale ne dépend pas de la profondeur, mais plutôt de la quantité de tuyau dans le sol et de la conductivité thermique globale du forage.
Les boucles de terre verticales peuvent également être utilisées dans le cadre d’un système d’énergie géothermique à boucle ouverte. Les boucles de terre ouvertes sont la conception géothermique la plus simple. Elles utilisent de l’eau souterraine pompée directement d’un puits ou d’un forage comme source de chaleur. L’eau à basse température est pompée d’un seul puits ou forage, la chaleur est extraite et l’eau est ensuite renvoyée dans la Terre à l’aide d’un second puits ou forage, permettant de renouveler le processus encore et encore.
Si elle est suffisamment propre, cette eau usée peut également être déversée dans un fossé, un ruisseau ou une mare si disponible. Les coûts associés à l’installation d’un système d’énergie géothermique à boucle ouverte sont généralement beaucoup moins élevés que ceux d’un système à boucle de terre fermée, tout en offrant la même efficacité élevée.
Les inconvénients d’une conception géothermique à boucle ouverte sont que, selon la qualité de l’eau provenant du puits, des filtres à eau et un nettoyage périodique de l’échangeur de chaleur à l’intérieur de l’unité peuvent être nécessaires.
De plus, l’eau géothermique contenant trop de contaminants tels que des sels et des minéraux dissous peut ne pas être adaptée pour une utilisation avec un système géothermique, un test approprié de l’eau avant l’installation peut donc être nécessaire.
Comme nous l’avons vu ci-dessus, les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques peuvent être connectés à la Terre de plusieurs manières. Les installations à boucle fermée horizontale sont généralement plus populaires et rentables pour de petites installations, en particulier pour une nouvelle construction où une superficie de terrain suffisante est disponible pour enterrer la tuyauterie avant le démarrage de la construction des fondations. Si elles sont correctement installées, elles sont économiques, efficaces et fiables.
La longueur de la tuyauterie de boucle variera en fonction de la température du sol, de la conductivité thermique du sol et de la conception du système, mais en règle générale, plus la tuyauterie est longue, mieux c’est. Les boucles fermées verticales sont utilisées dans de nombreuses situations où la surface de terrain requise pour une installation de boucle horizontale n’est pas disponible. Les boucles de terre verticales minimisent également la perturbation du paysage existant, mais le forage d’un trou profond peut être plus coûteux que de creuser une tranchée peu profonde.
Les systèmes d’énergie géothermique sont efficaces, respectueux de l’environnement, confortables et économiques, car ils consomment 25 à 50 % moins d’énergie électrique que les systèmes de chauffage ou de refroidissement conventionnels. Les pompes à chaleur géothermiques utilisent de petites quantités d’électricité pour transférer la chaleur, et non pour la générer par la combustion de combustibles fossiles, rendant ainsi l’extraction d’énergie géothermique une ressource d’énergie alternative.
Étant donné qu’un système de géothermie ne brûle pas de combustible fossile pour produire de la chaleur, il génère beaucoup moins d’émissions de gaz à effet de serre qu’un four conventionnel et élimine complètement une source potentielle de monoxyde de carbone dangereux dans la maison.
Avantages et Inconvénients de l’Énergie Géothermique
La liste suivante résume de nombreux avantages et inconvénients de l’énergie géothermique en tant que source d’énergie renouvelable.
Quelques Avantages de l’Énergie Géothermique
- L’énergie géothermique est une ressource énergétique bien prouvée qui peut être utilisée pour fournir à la fois chaleur et électricité.
- L’énergie géothermique est une source d’énergie propre car aucun combustible fossile n’est brûlé, donc il n’y a pas de polluants atmosphériques.
- Dans la plupart des cas, le combustible géothermique, l’eau chaude, est « gratuite » à extraire.
- L’énergie géothermique produit peu ou pas d’émissions.
- Les ressources géothermiques existent dans de nombreuses régions du monde pour des applications à haute et basse température.
- Une fois construites, les coûts d’exploitation des centrales géothermiques sont faibles, rendant l’électricité produite par géothermie beaucoup moins chère.
- La vapeur utilisée pour la production d’électricité est transformée en eau et recyclée dans la Terre.
- Les pompes à chaleur géothermiques basées au sol pour le chauffage et le refroidissement peuvent être utilisées presque partout.
- Utiliser directement l’énergie géothermique pour des applications de chauffage peut être jusqu’à 70 % plus efficace.
- L’énergie géothermique est renouvelable seulement si le taux d’extraction des fluides est inférieur au taux de recharge.
Quelques Inconvénients de l’Énergie Géothermique
- L’énergie géothermique peut ne pas être considérée comme une ressource renouvelable, mais seulement comme une ressource durable.
- La chaleur est générée à l’intérieur de la Terre par désintégration radioactive.
- Elle est mal répartie dans le monde car toutes les régions n’ont pas accès à une source géothermique.
- Les coûts d’installation et de capital initiaux sont plus élevés, mais il existe des économies potentielles à long terme par rapport aux systèmes CVC conventionnels.
- Nécessite de grandes surfaces d’excavation pour les tranchées horizontales.
- Nécessite le forage de puits profond dans le sol pour les puits verticaux.
- L’affaissement du sol dû au forage profond et à l’extraction d’eau peut poser problème dans certaines régions.
- Problèmes liés à l’eau corrosive et aux dépôts minéraux extraits du sol et exposés à la surface.
- Les sites géothermiques peuvent manquer de vapeur, car leurs températures baissent trop bas.
- Peut nécessiter le forage de nouveaux puits après quelques années d’utilisation.
Bien qu’il y ait de nombreux avantages et inconvénients à l’énergie géothermique listés ci-dessus, la Terre peut fournir une grande source d’énergie gratuite et sa chaleur stockée sous la forme d’énergie géothermique est de loin la ressource la plus abondante. Comparée à d’autres formes d’énergies alternatives comme l’énergie solaire et éolienne, l’énergie géothermique a été négligée en tant que moyen simple et rentable de chauffer et de refroidir nos maisons et bureaux.
Bien que la technologie géothermique soit bien développée, avec de nombreuses entreprises vendant maintenant des pompes à chaleur géothermiques très efficaces, son potentiel a à peine été exploité. Avec de nouvelles sources de combustibles fossiles devenant de plus en plus difficiles à trouver et à extraire de la Terre, l’énergie géothermique propre et durable peut être utilisée pour résoudre nos problèmes environnementaux et répondre à nos besoins énergétiques à long terme.
Pour mieux comprendre comment fonctionne l’« énergie géothermique », obtenir plus d’informations sur les divers systèmes d’énergie géothermique disponibles ou explorer les avantages et les inconvénients de l’énergie géothermique, rendez-vous sur Amazon et commandez votre livre de référence sur l’énergie géothermique aujourd’hui et apprenez-en davantage sur l’énergie géothermique et l’installation de pompes à chaleur géothermiques dans votre maison pour économiser de l’argent et protéger l’environnement.