a) Zones de restriction pour les installations géothermiques, b) Température du sol à 1m de profondeur, c) Conductivité thermique, d) Diffusivité thermique dérivée des cadastres géothermiques. Zones grises : en dehors de la zone d'étude. © LESO-PB

EPFL: Pompes à chaleur géothermiques - fort potentiel en zone rurale et insuffisanten ville

(EPFL) Une doctorante de l’EPFL a déterminé l’énergie maximale théorique que les cantons de Vaud et de Genève peuvent extraire de leur sous-sol grâce aux pompes à chaleur géothermiques. En estimant la surface disponible et en simulant virtuellement la production des installations, elle constate que l’usage exclusif de cette technologie, au fort potentiel en zone rurale, ne serait pas suffisant en ville. 


Les Suisses sont parmi les meilleures élèves d’Europe pour le chauffage domestique grâce à la géothermie. En 2019, l’Office fédéral de l’énergie comptabilisait 101’600 pompes à chaleur verticales dans le pays, la « plus forte concentration au kilomètre carré dans le monde ». Ces systèmes souvent installés dans les jardins puisent la chaleur du sous-sol au moyen de sondes pouvant atteindre jusqu'à 400 mètres de profondeur, et où circule un liquide en circuit fermé qui remonte la chaleur à la surface.

Performant toute l’année
L’avantage du système, qui bénéficie surtout aux maisons et immeubles, est sa faible emprise sur l’environnement. Il est également performant toute l’année, grâce à la stabilité de la source de chaleur en profondeur. Mais surtout, l'extraction d'énergie géothermique peu profonde est une approche prometteuse pour la décarbonisation du secteur du chauffage. Avec le refroidissement des bâtiments, il représente un tiers de la demande totale d’énergie en Suisse, 75% de laquelle étant fournie par des combustibles fossiles comme le fioul ou le gaz naturel. 

Une source pas inépuisable
La « formidable source d’énergie » que représente la géothermie, comme l’affirmait en 2017 la présidente de la Confédération Doris Leuthard, n’est pas pour autant inépuisable et l’extraction doit obéir à certaines règles. Les sondes de faible profondeur doivent notamment être installées en respectant un certain écart pour éviter une interférence ou un « court-circuit » thermique ainsi qu’un refroidissement du sous-sol. « Quand on fait circuler le liquide, il va se chauffer et prendre l’énergie thermique du sous-sol. Trop de sondes dans un petit espace font refroidir le sol à terme, ce qu’il faut surtout éviter », explique Alina Walch, doctorante au Laboratoire d’énergie solaire et physique du bâtiment de l’EPFL.

Dans un article publié le 18 novembre dans Renewable Energy, c’est l’une des limites qu’elle a pris en compte pour quantifier le potentiel géothermique technique des pompes à chaleur au niveau du Plateau suisse dans les cantons de Vaud et de Genève. « Le potentiel technique, c’est l'énergie thermique maximale pouvant être extraite par les pompes à chaleur verticales installées sur toute la surface disponible des deux cantons, de telle sorte qu’elles puissent fonctionner avec au moins 80% de leur puissance nominale. »

Les limites techniques
Pour mener son étude, la chercheuse a estimé la surface disponible théorique grâce aux nombreuses données préexistantes dans le modèle topographique du paysage suisse. Ont été exclus les environnements construits et naturels comme les forêts. Elle a ensuite simulé différentes installations géothermiques sur l’ensemble des parcelles disponibles, en utilisant les données des deux cantons sur la température, la conductivité et la diffusivité du sous-sol. « On a ainsi pu regarder les limites techniques et estimer l’espacement des sondes qui nous permet de satisfaire toutes les normes tout en maximisant l’énergie qui peut être extraite », continue Alina Walch.

Potentiel insuffisant en ville
C’est la première fois en Suisse qu’une étude prend en compte à une telle échelle non seulement le potentiel géothermique du sous-sol, mais aussi les limites techniques des pompes à chaleur. La doctorante en a déduit un potentiel total de 4.6 TWh sur le territoire étudié, qui correspond à un tiers des besoins de chauffage dans cette région. De manière plus générale, cela correspond à une densité énergétique maximale de 15.5 kWh/m2. « Si on ne fait que de l’extraction d’énergie, ce potentiel est très limité. Ça suffit pour remplir la demande dans beaucoup de zones suburbaines et rurales, mais le déficit serait important dans les centres urbains. » Les urbanistes peuvent utiliser ces données pour évaluer les aspects technico-économiques d'un déploiement dense de sondes géothermiques.

Alina Walch a aussi pu calculer que la somme de toutes les longueurs des sondes installées sur un hectare ne peut pas dépasser 2 km pour respecter ces limites. Ce paramètre pourra éviter une éventuelle surexploitation de la capacité thermique du sol.

Le résultat de l’étude reste théorique, précise la chercheuse, d’autant qu’il ne prend pas en compte certains paramètres variables localement comme les nappes phréatiques et les mouvements souterrains de l’eau, qui peuvent modifier le temps de refroidissement du sous-sol. Un forage d’essai reste indispensable avant l’installation d’une sonde géothermique. 

Un potentiel hybride de chaleur renouvelable
Ses travaux peuvent néanmoins contribuer à l'élaboration de stratégies de décarbonisation pour le secteur du chauffage en Suisse, en quantifiant le potentiel de production de chaleur renouvelable à partir de l'énergie géothermique peu profonde, et en mettant en évidence les zones où des sources de chaleur complémentaires sont nécessaires. « Le but final de mon travail est de faire des études à l’échelle nationale. Je combine ces résultats avec d’autres sources d’énergies renouvelables (Voir ici l’étude sur le potentiel du photovoltaïque en Suisse). J’ai donc besoin de connaitre un potentiel indépendant de la demande. L’idée est d’évaluer un potentiel hybride de chaleur renouvelable à partir des bases de données géothermiques et solaires thermiques. »

Financement
Cette recherche a été financée en partie par le Fonds national suisse (FNS) dans le cadre du Programme national de recherche 75 (Big Data) pour le projet HyEnergy, et en partie par l'Agence suisse pour l'encouragement de l'innovation (Innosuisse) dans le cadre du Swiss Competence Center for Energy Research.

Références
"Quantifying the technical geothermal potential from shallow borehole heat exchangers at regional scale"
Alina Walch, Nahid Mohajeri, Agust Gudmundsson, Jean-Louis Scartezzini >>

Texte : Rémi Carlier, EPFL

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