Exploiter la chaleur présente sous nos pieds pour apporter de l’énergie aux bâtiments historiques
Les systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques de surface commencent à s’imposer comme des candidats intéressants pour moderniser le parc immobilier vieillissant de l’Europe. Les initiatives de l’UE, notamment la vague de rénovation, et les mesures politiques telles que la révision de la directive sur la performance énergétique des bâtiments sont le fer de lance de ce changement. Chaque bâtiment historique présente toutefois des contraintes spécifiques qui les empêchent d’utiliser cette source d’énergie entièrement renouvelable. Le projet GEO4CIVHIC, financé par l’UE, a développé et modifié des technologies existantes afin d’accélérer le déploiement du chauffage et du refroidissement géothermiques de surface dans ce type de bâtiments situés dans des zones bâties. «En moyenne, un système géothermique peut fournir 4 kW d’énergie thermique au bâtiment en utilisant 1 kW d’énergie électrique et en extrayant 3 kW d’énergie gratuite du sous-sol», explique Adriana Bernardi, coordinatrice du projet, physicienne, directrice de recherche et responsable de l’Institut des sciences atmosphériques et du climat du Conseil national de la recherche, à Padoue, en Italie.
Forer et opérer dans un espace restreint
Un échangeur de chaleur de forage couplé à une pompe à chaleur extrait la chaleur inépuisable de la Terre et transmet cette énergie aux unités d’émission ou aux radiateurs. Les échangeurs de chaleur extraient l’énergie du sol jusqu’à 8 °C, et la pompe à chaleur «élève» cette énergie à des températures allant jusqu’à 60-70 °C pour alimenter le système de chauffage. En été, la pompe à chaleur s’inverse et puise la chaleur du bâtiment pour recharger le sol. «Des approches radicalement nouvelles du forage augmentent l’efficacité de la pompe à chaleur pour les températures élevées, et de nouveaux types de réfrigérants sont nécessaires», explique Adriana Bernardi. La ville historique de Malines, en Belgique, compte quelque 300 bâtiments classés. GEO4CIVHIC a développé une foreuse compacte, allégée et très peu encombrante qui a pu être hissée dans les jardins avec une grue au milieu de ces rues étroites et pittoresques. GEO4CIVHIC a optimisé et installé plusieurs échangeurs de chaleur coaxiaux en acier affichant des taux d’extraction d’énergie jusqu’à 20-30 % plus élevés, réduisant ainsi la longueur totale requise des échangeurs de chaleur. Ces échangeurs de chaleur ont été brevetés dans le cadre du projet Horizon 2020 Cheap-GSHPs.
Des variations entre les sites de démonstration en Europe
Trois sites pilotes et quatre sites de démonstration témoignent de l’étendue du succès de GEO4CIVHIC sur tout un éventail de roches de la croûte terrestre et différentes conceptions de bâtiments. Trois pompes à chaleur utilisant le CO2 comme réfrigérant plus respectueux de l’environnement ont été développées pour les systèmes d’émission à haute température. À Ferrare (Italie), Greystones (Irlande) et Malines (Belgique), elles ont affiché des coefficients de performance allant jusqu’à 3,3 à des températures de 60 à 70 °C. Une pompe à chaleur à double source (air/sol) est installée dans un site historique à Malte pour des applications en climat chaud. En outre, quatre pompes à chaleur compactes prêtes à l’emploi ont été intégrées aux installations d’essai de l’université de Padoue, en Italie, et de Tecnalia, à Bilbao, en Espagne, afin de développer des applications de gestion de l’énergie et d’étudier de nouveaux réfrigérants à faible potentiel de réchauffement planétaire. Adriana Bernardi souligne: «Ces développements incluent l’utilisation de nouveaux fluides frigorigènes à faible potentiel de réchauffement planétaire pour répondre à la législation à venir.» Pour le forage dans les roches dures, GEO4CIVHIC a développé une tête de forage roto-vibrante compacte et puissante. En Irlande, le cas de démonstration à Greystones se trouvant sur de la roche compacte, l’équipe a utilisé de l’air comprimé comme fluide de forage. La consommation d’air comprimé et l’usure du trépan ont été considérablement réduites par rapport à la méthode de forage conventionnelle. À Malte, dans la roche plus tendre du jardin historique du bastion de Msida, l’eau a été utilisée comme fluide de forage et le forage a été très rapide, bien qu’à des vitesses inférieures à 1 m/min.
L’avenir de l’énergie géothermique
Les cartes de forabilité complètes de GEO4CIVHIC permettront de caractériser les sites en fonction de leurs propriétés géologiques, avec les taux et les coûts de forage. «Nous développons un système d’aide à la décision en vue d’intégrer les installations géothermiques avec d’autres sources renouvelables. Cela aidera les utilisateurs à améliorer l’efficacité énergétique globale et à accélérer le retour sur investissement», souligne Adriana Bernardi. La vision que nourrit Adriana Bernardi à l’égard du parc immobilier historique de l’Europe consiste à «démontrer à toutes les parties prenantes les avantages économiques à long terme du chauffage et du refroidissement géothermiques de surface. Les activités que nous envisageons en matière de formation, de lignes directrices et d’ateliers contribueront à accroître la sensibilisation et la confiance des parties prenantes à l’égard de cette technologie», conclut-elle.
Mots‑clés
GEO4CIVHIC, pompe à chaleur, bâtiment historique, réfrigérant, énergie géothermique de surface, chauffage et refroidissement, forage, puits, sources renouvelables