Survol des différentes technologies en géothermie de très

7 mars 2012 Conférence du GRIES – page 1

Survol des différentes technologies en géothermie de très basse température

Philippe Pasquier Département des génies civil, géologique et des mines

7 mars 2012


• Généralités • Géothermie de basse température

• Boucle ouverte • Puits à colonne • Boucle fermée

• De l’exploration à la construction • Forage exploratoire • Essai de réponse thermique • Dimensionnement • Construction

• Conclusion et questions

Plan de la conférence


On définit la ressource géothermique selon la température:

• Haute température (>150 °C) - Production électrique. • Moyenne température (<150 °C) - Applications “directes”. • Basse température (<32 °C) - Applications avec pompes à chaleur.

Généralités

Haute température Basse température Moyenne température


Généralités Les endroits propices à la géothermie de haute température sont associés à des

zones géologiquement actives.


Généralités

www.geopub.nrcan.gc.ca/moreinfo_e.php?id=288745

Potentiel géothermique du Canada

EU Italie

Japon

Philippines

N-Z

Islande

http://www.geopub.nrcan.gc.ca/moreinfo_e.php?id=288745�


Variabilité des prix de l’énergie au Québec

Généralités

http://www.hydroquebec.com/affaires/moyen/comparaison.html


La géothermie connaît une importante croissance au Canada depuis 2006.

1996 1998 2000 2002 2004 2006 20080

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Année

Nom

bre

d'un

ités

Progression de la géothermie au Canada

RésidentielInstitutionnelTotal

Généralités


1 Coalition Canadienne de l’Énergie Géothermique (2007)

L’efficacité d’un système de chauffage et de climatisation s’évalue en termes de coefficient de performance (COP) COP = Puissance produite Puissance utilisée COP Chauffage électrique : 1 Chauffage/climatisation par géothermie : 3 @ 5 Géothermie avec stockage thermique : > 5 Les coûts de chauffage/climatisation d’un système géothermique BT sont1 :

70% moindres qu’un système de chauffage électrique 35% moindres qu’un climatiseur EnergyStar

Généralités








On distingue principalement 3 types de systèmes de géothermie de basse enthalpie utilisant des pompes à

chaleur eau-air ou eau-eau.

5 - Géothermie de basse température - TP

Boucle fermée verticale Boucle ouverte Puits à colonne


Géothermie de basse température


BOUCLE OUVERTE

Circulation directe de l’eau souterraine à travers une thermopompe eau-air et/ou un échangeur de chaleur à plaque (8-10% des installations)1

• Requiert de bonnes conditions hydrogéologiques • La qualité de l’eau est importante (biofilm, entartrage…) • Coûts de construction moindres que les systèmes en boucle fermée • Grande efficacité énergétique (COP>4-5)




PUITS À COLONNE PERMANENTE

Recirculation de l’eau souterraine dans un puits profond à travers une thermopompe eau-air et/ou un échangeur de chaleur à plaque (<1% des installations)1

• Ne requiert pas de conditions hydrogéologiques très favorables • Technologie idéale pour une intégration à un bâtiment existant • La qualité de l’eau assez importante (biofilm, entartrage…) • Coûts de construction moindres que les systèmes en boucle fermée • Grande efficacité énergétique (COP>4-5)




BOUCLE FERMÉE VERTICALE

Circulation continue d’un fluide caloporteur à travers une pompe à chaleur et un réseau de puits géothermiques (90% des installations)1

• Technologie éprouvée – faible entretien, longue durabilité • Bonne efficacité énergétique (COP≈ 3-4) • Coûts de construction proportionnels :

- Charges thermiques du bâtiment - Conductivité thermique du milieu géologique








Forage exploratoire

Source de l’image: P.Pasquier, 2010, Les aspects souterrains de la géothermie, Congrès de l’APPQ, Boucherville, Québec.


Les composantes et les dimensions d’un puits sont généralement de l’ordre de:

• Profondeur – 100 à 300 m • Diamètre du forage – 4.75’’ à 6’’

Un coulis imperméable de bentonite est utilisé pour prévenir:

• La contamination des eaux souterraines par un polluant provenant de la surface

• La contamination des eaux souterraines par un polluant provenant d’un autre aquifère

• Les pertes d’eau souterraine pour les aquifères en conditions artésiennes

Un puits géothermique en quelques mots



Le profil thermique permet de déterminer précisément la température du sol (Tg), un paramètre nécessaire au dimensionnement d’un système complet.

Profil thermique vertical

Source des images: P.Pasquier, 2010, Les aspects souterrains de la géothermie, Congrès de l’APPQ, Boucherville, Québec.

Saisonnier

Gradient géothermique 6 à 10 oC/km

Réchauffement climatique et Urbanisation


Essai de réponse thermique

Un essai de réponse thermique consiste à transférer de la chaleur à un puits d’essai géothermique et à mesurer la variation de température du fluide. L’essai est réalisé à l’aide d’une unité comprenant différents éléments:

•Éléments chauffant •Pompe de circulation •Sondes de température •Débitmètre •Transmetteur de puissance de chauffage •Système d’acquisition de données


L’interprétation de l’essai consiste à déterminer les paramètres thermiques du milieu géologique (k, α). Erreur d’ajustement (oC)

104

105

106

10

12

14

16

18

20

22

Temps (secondes)

Tem

péra

ture

(°C

)

Valeurs expérimentalesModèle

0 1 2 3 4 5 6

x 105

5

10

15

20

25

30

35

Temps (secondes)

Tem

péra

ture

(°C

)

T1 - LWT - 0mT2 - 61mT3 - 122mT4 - 183mT5 - 61mT6 - EWT - 0m

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

x 105

10

12

14

16

18

20

22

Temps (secondes)

Tem

péra

ture

(°C

)

Valeurs expérimentalesModèle

Graphique

Analytique

Numérique

0.075 0.08 0.085 0.09 0.095 0.1 0.105 0.111.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5



Pour certaines études, l’interprétation est réalisée à l’aide d’un modèle numérique 3D pouvant simuler le comportement thermique d’un puits.



Dimensionnement d’un système Le dimensionnement d’un champ de géothermique repose sur :

• Besoins thermiques du bâtiment et PAC • Conductivité thermique du sous-sol

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000-300

-200

-100

0

100

200

300

Temps (heure)

Bes

oins

The

rmiq

ues

(kW

)

Chauffage

Climatisation


Dimensionnement d’un système Le dimensionnement d’un système revient à simuler l’évolution temporelle de la

température du fluide caloporteur.

Le champ de forages sera dimensionné de façon à ce que la EWT du fluide soit toujours à l’intérieur des limites d’opération de la PAC

EWTClim

EWTChau

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

x 104

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40Température du fluide caloporteur a l'entrée de la PAC

Heure

Temp

ératur

e (ºC

)

1 1 1 11 1 1,

1( ) ( ) ( , , ) ( , , )t t wn n n

f g b b i i i j p i i ii i j j pw

T t T q t R T r q q t t T r q q t tn− − → − −

= = = ≠

= + + ∆ − − + ∆ − −∑ ∑ ∑


Simulation de systèmes hybrides La simulation de systèmes hybrides permet d’évaluer le % d’énergie provenant de la

géothermie et des systèmes auxiliaires et ainsi de mieux évaluer les économies financières générées par le système géothermique.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

x 104

-10

-5

0

5

10

15

20

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30

35

40

45

Jour

Tem

péra

ture

C

Température du fluide caloporteur

Chauffage auxiliaire

Climatisation auxiliaire

Géothermie chauffage/climatisation

72% 90% % d’énergie fournie par la géothermie

100% 98% % d’énergie fournie par la géothermie

EWTClim

EWTChau


L’utilisation d’un système hybride permet de réduire la puissance fournie par les puits (et les coûts de construction) tout en permettant des économies d’énergie

significatives.

Avantages des systèmes hybrides

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 10088

90

92

94

96

98

100

% énergie vs %pic

% pic

% é

nerg

ie


La simulation d’un système hybride permet d’optimiser la valeur actuelle nette (VAN/NPV) d’un projet de géothermie, un indicateur financier.

Source: Marcotte et Pasquier, 2008, Efficient Fluid Temperature Computation

Simulation de systèmes hybrides


Impact de l’évolution des prix de l’énergie

Facteurs favorables à la géothermie Acceptabilité sociale

Concertation et jumelage des besoins

Hausse des tarifs de l’électricité et autres énergies

0.05 0.1 0.15 0

2

4

6

8

10

Période de retour vs coût du kWh

Coût électricité ($/kWh)

Pér

iode

de

reto

ur (a

ns)

0.065 0.075

Maintenant: 7.5 ans Dans 4 ans (4% d’inflation): ≈ 6.5 ans


Construction des composantes souterraines









Questions ?

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