Les géostructures telles que les fondations, les murs de soutènement et les revêtements de tunnel sont en contact avec le sol et peuvent être utilisées comme échangeurs de chaleur avec nos bâtiments, afin de les chauffer en hiver et de les refroidir en été. Plus généralement, dans un monde où les besoins énergétiques ne cessent de croître et où la recherche de sources d'énergie locales et renouvelables devient une obligation ardente, la géothermie semble avoir un bel avenir.

Principe de fonctionnement des géostructures énergétiques

L'échange thermique entre le sol et les structures en béton est assuré par un système de tubes disposés à l'intérieur de la structure et à l'intérieur desquels circule un liquide de refroidissement.

La température du sous-sol restant constante tout au long de l'année (à l'exception des 5 à 8 premiers mètres), elle reste supérieure à celle de l'air extérieur en hiver et inférieure en été. Cette différence de température permet d'extraire la chaleur du sol en hiver (pour chauffer des bâtiments aménagés) et de l'injecter en été (pour refroidir ces bâtiments). Cela s'inscrit dans la catégorie des systèmes géothermiques dits "à faible enthalpie", qui concernent les 100 premiers mètres de sol et fonctionnent avec des variations de température de l'ordre de 10 à 20 ° C. Pour adapter la température des échangeurs à celle requise pour chauffer ou refroidir les bâtiments, ces systèmes sont reliés à une pompe à chaleur.

Le système peut être utilisé soit pour chauffer et refroidir des bâtiments (mode double), soit uniquement pour chauffer ou uniquement pour refroidir (mode simple). Le choix du mode de fonctionnement dépend, entre autres, des conditions locales d'écoulement des eaux souterraines:

• Si le débit des eaux souterraines est nul ou très faible, une recharge thermique du sol est nécessaire afin de maintenir la température constante sur le long terme. Dans ce cas, il est fortement conseillé d'utiliser le système en double mode pour garantir son efficacité; le stockage de chaleur saisonnier est possible.

• Si au contraire le sol est suffisamment perméable et soumis à un débit d'eau souterraine supérieur à 0,5 ou 1 mètre par jour, la température du sol se rééquilibre automatiquement et un mode simple est possible. L'extraction est ensuite découplée de l'injection de manière naturelle.

Les avantages de l'énergie géothermique appliquée aux géostructures

Le principal avantage de l'installation de géostructures énergétiques par rapport à d'autres systèmes géothermiques est que des éléments structurels sont nécessaires à la résistance mécanique des bâtiments ou des infrastructures et doivent donc être réalisés. Cela se traduit par une réduction des coûts d'installation initiaux. L'expérience montre une période d'amortissement comprise entre 4 et 8 ans, l'investissement initial étant de l'ordre de 2 à 4% du coût des travaux.

Évidemment, comme d'autres systèmes géothermiques à faible enthalpie (sondes horizontales et verticales), il s'agit principalement d'une source d'énergie locale et renouvelable.

En fait, l'énergie est produite à partir de la chaleur stockée dans le sous-sol, qui est en partie d'origine solaire (chauffage de la surface de la terre par le rayonnement solaire) et en partie d'origine interne terrestre (flux de chaleur de la Terre) coeur). Ces énergies peuvent être transportées par la nappe phréatique ou les eaux souterraines plus profondes. La combinaison de ces effets fait subir à la température des premiers mètres de sol une variation saisonnière en fonction de la température de l'air extérieur (zone dite hétérothermique).

Plus profond, il reste constant jusqu'à environ 50 m de profondeur (zone dite neutre). À partir de cette profondeur, la température commence à augmenter en raison d'environ 3 ° C tous les 100 m: c'est ce qu'on appelle le gradient géothermique. Les géostructures énergétiques utilisent la zone intermédiaire à température constante, qui en Europe se situe autour de 10-15 ° C tout au long de l'année. Leur utilisation peut conduire à une réduction des émissions de CO₂ d'un bâtiment d'environ 320 kg par kW produit.

Efficacité énergétique de la technologie

Selon les données disponibles des installations opérationnelles, il est possible d'extraire entre 20 et 100 W / m de tas d'énergie.

L'évaluation de l'échange thermique des murs et des tunnels énergétiques est plus difficile à réaliser, car il existe dans ce cas beaucoup moins d'expérience réelle. En fonction des données limitées disponibles, il est possible d'échanger entre 10 et 30 W / m² surfaces des murs ou des tunnels; ces valeurs varient en fonction des propriétés du sol, de la géométrie de la fondation, des conditions de fonctionnement du système et surtout de la présence d'un écoulement souterrain.

Pour mieux évaluer l'efficacité énergétique de ces systèmes, des études expérimentales et théoriques sont en cours. Par exemple :

L'estimation de l'échange thermique dans le cas des murs et des tunnels est moins simple que dans le cas des pieux, principalement en raison de la prise en compte de l'échange avec l'air du côté de l'excavation. Une étude numérique récente sur les murs d'énergie montre que la différence de température entre le sol et l'air à l'intérieur de l'excavation (par exemple à l'intérieur d'un parking ou d'un tunnel ou d'une station) affecte considérablement la qualité de l'échange de chaleur, notamment à long terme.

Géothermie appliquée aux géostructures: un intérêt croissant

Les géostructures énergétiques se sont développées en Europe et dans le reste du monde à partir des années 1980. Les premières installations ont été réalisées en Autriche, mais la technologie s'est répandue assez rapidement en Suisse, en Allemagne et en Angleterre. Dans d'autres pays, comme la France ou l'Italie, leur acceptation sociale est encore limitée et leur développement plus lent. Les géostructures énergétiques ont également récemment commencé à se développer aux États-Unis et en Asie.

La figure suivante montre la rapidité du nombre d'installations réalisées dans le monde au cours des dix dernières années, ainsi que la réduction correspondante des émissions de CO₂ augmenter. Les données disponibles ne sont certainement pas représentatives de tous les cas existants, mais la figure donne un aperçu de l'intérêt pour cette technologie et de ses avantages. Les piles énergétiques restent largement l'application la plus courante. Ce type de fondation profonde est largement utilisé pour traverser une couche de sol de mauvaise propriété mécanique et aller se reposer, par exemple, sur une base rocheuse.

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Cet article, extrait de l'articleEncyclopédie de l'environnement, a été proposé par Alice Di Donna, Maître de Conférences à l'Université de Grenoble Alpes (UGA), Laboratoire Sols, Solides, Structures et Risques. Le lecteur intéressé par la géothermie trouvera des compléments dans cet autre article:

– L'énergie géothermique, une importante source d'énergie, par Cornet François-Henri

– L'énergie géothermique: une ressource cachée importante, publié par l'Encyclopedia of Energy.

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Ce travail a été réalisé avec le soutien financier deÉditions UGA dans le cadre du programme "Investissement d'avenir", géré par l'Agence Nationale de la Recherche.