Géothermie : c’est l’énergie de la terre ! Terme issu du grec « gê » : terre et « thermos » : chaud. Cette énergie, provenant du sol est utilisée depuis des milliers d’années, le plus souvent sous forme d’eau chaude directement captée.

Tous les jours, la terre capte, grâce au soleil, des calories dans le sous-sol, qui lui-même dispose d’un réservoir inépuisable de chaleur provenant de ses profondeurs (plus de 4000°C dans le noyau terrestre ; de quoi faire !.Que cela soit en profondeur ou par effet d’ensoleillement, notre sol offre une capacité thermique et donc une énergie que nous exploitons à peine.

A cause sans doute d’un manque de notoriété en France, la géothermie est très faiblement utilisée comme beaucoup de ressources renouvelables, comparativement à des pays comme l’Italie ou la Suède. Néanmoins, en ces temps de préservation de l’énergie, son évolution est importante et elle occupe aujourd’hui en France une des premières place des énergies renouvelables, en terme d’énergie produite.

Cette chaleur sous-jacente représente un réservoir inépuisable de calories gratuites qui, si elles ne sont pas utilisées directement sous forme d’eau chaude, peuvent l’être via des capteurs de sol par une pompe à chaleur, dite géothermique.

Sur tout le territoire, cette ressource peut être valorisée, utilisée avec des performances conduisant à des rendements de 300%, si l’on peut s’exprimer ainsi.
C’est à dire que la maison ou l’immeuble équipé d’un système de pompe à chaleur géothermique, restituera 3 kW de puissance calorifique pour 1 kW absorbé d’électricité. c’est ce que nous appelons non pas le rendement mais le coefficient de performance. Plutôt intéressant en ces périodes d’économies d’énergie !

Et si de plus l’Etat contribue à accorder un crédit d’impôt de 40% en 2005 et de 50% en 2006, sur l’achat de pompes à chaleur géothermique, nous aurons compris que le manque de notoriété à la Française est bel et bien en train de disparaître, pour laisser place à un système d’énergie des moins gourmands et des plus respectueux en terme de développement durable.

D’une manière générale, la géothermie est l’exploitation de l’énergie disponible dans notre sous-sol, sous forme d’eau chaude, qui peut être supérieure à 100°C, d’eau à basse température (inf. à 30°C), ou bien de la capacité thermique dont dispose notre sol du fait de son exposition au soleil et de la conduction thermique venant de la chaleur intense des profondeurs.

Dans le cas du présent dossier, nous limiterons notre exposé à la géothermie dite à «très basse température» pour les applications de chauffage et de climatisation de la maison individuelle, de l’habitat collectif et des applications tertiaires. Ces installations puisent les calories dans le sous-sol et relève la température par un système de pompe à chaleur. Globalement 2/3 de l’énergie proviennent du sous-sol et 1/3 de la pompe à chaleur alimentée électriquement.

En quelques mots : économies réalisées

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

C’est le principe du chauffage dit thermodynamique basé sur la récupération de chaleur gratuite dans l’environnement extérieur, du sol ou l’eau présente dans le sous-sol de nos maisons et de nos immeubles.

La pompe à chaleur puise les calories dans cet environnement abondant et gratuit et le restitue au logement à un coût très économique. La pompe à chaleur est un équipement équipé d’un compresseur électrique qui permet ainsi des économies d’énergies jusqu‘à 70% par rapport à un chauffage électrique direct. Bien entendu, par rapport à de simples convecteurs électriques, le coût d’installation est nettement plus important : pompe à chaleur, puits, réseaux de tuyauteries, …

Rendement de la pompe à chaleur ou COP (coefficient de performance)
En utilisant 1 kWh d ‘électricité pour faire fonctionner la pompe à chaleur, vous pouvez récupérer gratuitement jusqu’à 3 ou 4 kWh naturellement présents dans l’environnement tout en le préservant.
Ce passage de 1 à 3 est appelé COP (coefficient de performance de la pompe à chaleur) , c’est pour ainsi dire le rendement. Oui le rendement d’une PAC, pompe à chaleur, est bien supérieur à 1, il est dans cet exemple de COP = 3 !
Autrement dit en terme de consommation, vous vous chauffez avec 3 kWh et n’en payez qu’un ! ou bien votre facture de chauffage s’il est en électrique direct, par exemple avec des convecteurs, est divisé par 3 !

En quelques mots : les grands principes de pompes à chaleur géothermiques

Principalement 2 grands types de pompes à chaleur géothermiques se présentent :

La pompe à chaleur sur le sous-sol, dite PAC SOL/EAU

La température au niveau du sol est en moyenne de 12°C et au fur et à mesure que nous descendons dans le sous-sol, celle-ci augmente en moyenne de 4°C tous les 100 m, c’est ce qui est appelé le gradient géothermal.

L’énergie est donc puisée dans le sol par des capteurs horizontaux enterré d’environ 80 cm ou des capteurs verticaux, profonds jusqu’à 100 mètres. Ces derniers, prennent moins de place sur le terrain, mais nécessitent des opérations de forage bien maîtrisées.

Cette technique avec pompe à chaleur sur capteurs est plus adaptée à la MAISON INDIVIDUELLE.
Elle peut assurer également les besoins de climatisation avec des pompes à chaleur dites EAU/EAU, circuit d’eau côté capteurs, circuit d’eau côté maison.

La pompe à chaleur sur eau, dite PAC EAU/EAU

L’énergie est puisée dans les nappes phréatiques souterraines également à des températures qui peuvent paraître froides autour de 14°C, mais bien suffisantes pour être captées et décuplées avec une COP de 3 ou 4 vers une installation de chauffage via pompe à chaleur. La température de la nappe à ce niveau étant des plus intéressantes pour en profiter avec encore plus d’efficacité en été lors du fonctionnement en mode climatisation que toute pompe à chaleur EAU/EAU peut fournir.

Cette technique avec pompe à chaleur EAU/EAU est plus adaptée aux applications tertiaires : bureaux, centres commerciaux, hôtellerie, …, là où les besoins de chauffage et de climatisation sont requis.

Un peu de théorie : comment fonctionne une pompe à chaleur ?

Le sol ou l’eau souterraine possède donc une quantité de chaleur renouvelée sans cesse grâce au rayonnement solaire et à la capacité thermique du sous-sol.
Puiser de la chaleur pour la transférer dans un autre milieu est un principe bien connu des industries frigorifiques.

Principe selon lequel un fluide frigorigène, à l’intérieur d’un circuit frigorifique, lorsqu’il est compressé ou détendu, permet :

• D’’absorber de la chaleur « du sol », en se vaporisant dans l’évaporateur (l’évaporateur est le dispositif extérieur dans le cas d’une pompe à chaleur),
• De restituer de la chaleur absorbée en se condensant dans le condenseur (le condenseur est la partie chaude, qui va céder des calories dans la pièce ou l’immeuble à chauffer).

L’énergie mécanique nécessaire au déplacement du fluide frigorigène et à ses changements d’état, est apportée par un compresseur, lui-même fonctionnant à l’électricité.

Ce cycle est appelé cycle frigorifique.

Source Mitsubishi Electric

Pour réaliser ce transfert de calories, seul le compresseur et les ventilateurs (ou pompes) du système sont raccordés électriquement. Comme les calories prélevées dans le milieu naturel sont gratuites et qu’une grande partie de l’électricité fournie au compresseur est transformée en chaleur, un chauffage thermodynamique consomme moins d’énergie qu’il n’en fournit. Ce phénomène est défini par le Coefficient de Performance ou COP. C’est le rapport entre la puissance nominale de chauffage et la puissance absorbée par la PAC.

Si nous appelons :
E l’évaporateur, et PE, la puissance en kW absorbée à l’évaporateur,
C le condenseur, et PC, la puissance en kW évacuée à l’évaporateur,
P, le compresseur, et PP la puissance en kW apportée ou consommée par le compresseur,

Par exemple, nous avons:

PE, la puissance en kW absorbée à l’évaporateur = 2 kW
PP la puissance en kW consommée par le compresseur = 1 kW
PC, la puissance en kW évacuée au condenseur = donc 2 + 1 = 3 kW

C’est la puissance récupérée dans la pièce à chauffer.
Le COP, coefficient de performance de la machine = PC/PP = 3 !

Le fonctionnement de la PAC est réversible grâce à une vanne quatre voies : l’évaporateur devient condenseur et vice-versa. En été, la PAC devient un climatiseur : elle absorbe alors la chaleur pour refroidir les pièces et l’évacue dans l’air extérieur, de l’eau ou le sol.

Chauffage et climatisation, c’est possible

Comme nous l’avons expliqué paragraphe précédent, la pompe à chaleur « pompe de la chaleur » du milieu extérieur, en l’occurrence le sol et restitue plus de chaleur vers le logement.
Si vous inversez dans cette explication « extérieur » et « logement », alors la pompe à chaleur fonctionne comme un climatiseur, puisqu’elle enlève de la chaleur au logement et donc le refroidi et libère de la chaleur à l’extérieur.

Autre exemple, le climatiseur fonctionne sur le même principe que votre réfrigérateur. D’un côté il produit du froid (puise des calories) et de l’autre, au dos de votre frigo il évacue du chaud, des calories. Le petit bruit que vous entendez dans votre frigo est le compresseur électrique qui « comprime » un fluide dit réfrigérant qui a la capacité par ses changements d’état (gazeux/liquide) de transférer l’énergie frigorifique et calorifique.

En résumé, les pompes à chaleur géothermiques dites « réversibles » vous permettent de chauffer ou de rafraîchir votre logement selon le confort souhaité en un seul équipement. Il vous suffit de modifier le sens de fonctionnement de la pompe à chaleur grâce à une commande (ou télécommande) qui en fait va inverser le cycle de la PAC (pompe à chaleur).

Dans ce cas la PAC est dite réversible.

Elle sera pour un fonctionnement maîtrisé de type EAU/EAU, soit un circuit d’eau vers l’extérieur, et un circuit d’eau vers l’utilisation chauffage ou climatisation.

Energie et environnement

La pompe à chaleur géothermique fonctionne avec de l’électricité, qui doit faire tourner son compresseur (L’électricité étant également nécessaire pour faire fonctionner les auxiliaires ; pompes, et/ou ventilateurs, …, utiles au transport et à l’émission de chaud ou de froid dans la pièce et vers l’extérieur).

Note importante : Attention sur ce point car ces consommations sont certes faibles, mais continues durant toute la saison de chauffe, voire toute l’année, dans le cas d’une PAC réversible. De ce fait, le COP ou rendement prévu de 3, est réduit dès lors que l’on considère le COP ou rendement global annuel (consommations de ces auxiliaires prises en compte).
Les pompes à chaleur utilisent à l’intérieur un fluide réfrigérant ou frigorifique appelé couramment « fréon ». Certains fluides dits « HCFC » sont nocifs pour la couche d’ozone et leur émission à l’atmosphère a un effet destructif. C’est pourquoi la Communauté Internationale et plus particulièrement la Communauté Européenne a réglementé leurs utilisations et interdit certains. Désormais, la réglementation interdit d’utiliser des HCFC pour la production de tout équipement de froid ou de conditionnement d’air et les fluides dits « verts » disponibles sur le marché sont les seuls autorisés.
Ce sont les R 407C, R 410A, …, qui sont sans effets nocifs sur la couche d’ozone.

Soyez donc vigilants lorsque vous récupérez du matériel dans une maison ancienne. Toutefois, pour les anciennes installations, achetées avant le 01/01/2004, l’interdiction d’utiliser des HCFC, autrement dits anciens fréons, est portée après le 01/01/2015 pour les opérations de maintenance et d’entretien.

En ces périodes d’économies d’énergie et de sauvegarde de l’environnement, la géothermie avec la pompe à chaleur géothermique est une solution de chauffage et de climatisation qui peut diviser par 3 notre consommation d’électricité pour le chauffage, et qui contribue au développement durable par l’utilisation d’une énergie renouvelable, abondante, gratuite et inépuisable.
Cette vision dupliquée conduit la France et d’autres pays dépendants énergétiquement des énergies fossiles, à reconsidérer leur politique énergétique.