[PDF] LA GÉOTHERMIE DE SURFACE L'AFPG est structurée

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ÉRE

ÉDITION

LA GÉOTHERMIE

DE SURFACE

La géothermie,

l'énergie de demain dès aujourd'hui !

LES GUIDES MÉTHODOLOGIQUES AFPG

Réffi: GM01/2020SEPTEMBRE 2020

AFPG2Guide méthodologique • La géothermique de surface

LES GUIDES MÉTHODOLOGIQUES AFPG

LA GÉOTHERMIE DE SURFACE

3 AFPG

La géothermie,

l'énergie de demain dès aujourd'hui ! L'Association Française des Professionnels de la Géothermie (AFPG) est une association "loi

1901fi» créée le 15 juin 2010 à Paris, à l'initiative de l'ADEME. Elle compte une centaine d'adhé-

rents représentatifs des diflérents métiers de l'énergie géothermique en France métropoli-

taine et dans les DROM : foreurs, fabricants et installateurs de pompes à chaleur, gestionnaires de réseaux de chaleur, bureaux d'études (?uides/thermique et sous-sol/hydrogéologie), uni- versités et organismes de recherche, fabricants de matériel, investisseurs.

Nos missions

Représenter et fédérer les professionnels de la filière française. Informer les collectivités, les industriels, les associations, et les particuliers des ressources et de la diversité de l'oflre géothermique.

Accompagner les pouvoirs publics en matière de réglementation, de législation et de certification.

Notre rôle

Promouvoir et accélérer le recours à la géothermie, conformément aux objectifs fixés par la

programmation pluri-annuelle de l'énergie (PPE).

Nos actions

Ré?échir et proposer,

Communiquer et sensibiliser,

Former,

Concrétiser le passage à l'acte en relayant vers nos adhérents.

L'AFPG est structurée en deux filières: la géothermie profonde (usages directs de la chaleur, produc-

tion d'électricité, co-génération) et la géothermie de surface (production de chaleur et de fraîcheur

pour le bâtiment et les process). SER

Le Syndicat des Énergies Renouvelables

Le Syndicat des énergies renouvelables (SER) regroupe 400 adhérents, représentant un chiflre d'aflaires de 10 milliards d'euros et plus de 100 000 emplois. Elle est l'organisa- tion professionnelle qui rassemble les industriels de l'ensemble des lières énergies re- nouvelables : bois-énergie, biocarburants, éolien, énergies marines, gaz renouvelables,

géothermie et pompes à chaleur, hydroélectricité, solaire et valorisation énergétique

des déchets. Le SER a pour mission de défendre les droits et les intérêts de ses membres et de resserrer les liens qui les unissent, notamment pour développer la lière indus- trielle des énergies renouvelables en France et promouvoir la création d'emplois et de valeur ajoutée sur le territoire national. www.enr.fr www.afpg.asso.fr

LES GUIDES MÉTHODOLOGIQUES AFPG

LA GÉOTHERMIE DE SURFACE

4Guide méthodologique • La géothermique de surface - AFPG, SER

AVANT PROPOS8

1.QU'APPELLE-T-ON GÉOTHERMIE DE SURFACE ?9

1.1Définition10

1.2Périmètre technique 11

1.3Ses usages12

2.LA GÉOTHERMIE DE SURFACE ET SES DISPOSITIFS13

2.1Les dispositifs de Captage13

2.1.1Les captages13

2.1.2La valorisation du stockage d'énergie inter-saisonnier14

2.2Les dispositifs de Production18

2.2.1La production18

2.2.2La PAS Géothermique19

2.2.3Ses usages et ses rendements20

2.2.4Ses modes de fonctionnement et ses performances21

2.3Le dispositif de régulation et de supervision22

2.3.1Le dispositif de régulation22

2.3.2Le dispositif de supersition23

2.3.3L'armoire électrique / contrôle-commande 24

2.3.4L'automate24

2.3.5L'analyse fonctionnelle24

3.LA GÉOTHERMIE ET LE MARCHÉ DE LA CONSTRUCTION27

3.1Les engagements27

3.2Le marché de l'énergie à l'échelle du bâtiment 27

3.3Les intervenants du marché de la construction et du bâtiment 28

3.4Ordonnancement et phasage d'un projet de construction29

4ORDONNANCEMENT, PHASAGE ET INTERVENANTS

D'UNE OPÉRATION DE GÉOTHERMIE

32

4.1La Géothermie : un lot technique à part entière 32

4.2Le phasage d'une opération de géothermie 32

4.3Les intervenants d'une opération de géothermie33

Sommaire

5

5LA STRUCTURATION DE LA FILIÈRE39

5.1La réforme réglementaire39

5.2La GMI ou Géothermie de Minime Importance40

5.2.1Des techniques encadrées40

5.2.2Cartographie réglementaire : découpage des territoires en 3 zones (vert / orange

/ rouge) 40

5.3 Les démarches réglementaires41

5.3.1Déclaration d'un forage au titre de la GMI41

5.3.2Expertise réglementaire42

5.3.3Dossier d'Autorisation42

5.4 Les compétences requises43

5.5Les qualifications44

ANNEXE 145

PAC aérothermique / géothermique45

ANNEXE 247

Synoptiques hydrauliques standards d'un dispsitif de production géother- mique selon ses modes de fonctionnement 47-
50

CONCLUSION51

6Guide méthodologique • La géothermique de surface - AFPG, SER

Fig.TitreSourcePage

1 Périmètre technique d"un système de géothermie de surface sur champ de SGV de la BETE

BURGEAP

11 2 Périmètre technique d"un système de géothermie de surface sur nappe superflcielle

BURGEAP

12 3 Schéma de principe d"un doublet géothermique sur nappe 13 4 Schéma de principe de capteurs géothermiques horizontaux et de capteurs compacts

Gauche / JMP Chauage

13 5 Schéma de principe de sondes géothermiques verticales 14 6 Schéma de principe de sondes géothermiques coaxiales profondes 14 7 Schéma de principe de sondes géothermiques coaxiales profondes 14 8 Schéma de principe de collecteurs d"eaux usées récupérant l"énergie des e?uents et du terrain 15 9 Schéma de principe d"échangeurs à plaques couplés au réseau d"eau

épurée de rejet d'une STEP

15 10 Schéma de principe d"un système d"énergie thermodynamique sur eau de Mer (ETM) 15 11 Photos de terrassement et de pose de réseaux de connexions d"un champ de SGV

BURGEAP

16 12

Photo d"un atelier de forageBURGEAP

16 13 BTES (" Borehole Thermal Energy Storage » ou Stockage d'Energie Thermique sur Champ de SGV) 16 14 ATES (Aquifer Thermal Energy Storage » ou Stockage d"Energie

Thermique sur Aquifère)

AFPG 16 15 Principe d"un système de stockage inter-saisonier avec la visualisa- tion du déphasage du stockage. AFPG 17 16 Synoptique hydraulique de principe d"un dispositif de production géothermique standard AFPG 18 17 Photo panoramique d"une station de production géothermiqueWaterkotte 19 18 Synoptique réseau de la régulation - GTC d"une installationAccenta 21
19 Synoptique réseau d"une supervision d"une installationAccenta 22
20 Phasage d"une opération de construction ou de rénovation d"un bâtiment AFPG 30-31
21
Allotissement d"une opération de construction comprenant un lot géothermie - Interfaces avec les autres corps AFPG 36
22
Liste des intervenants sur une opération de construction compre- nant une solution de géothermie AFPG 37
23
Déroulement des missions encadrant une opération de géothermieAFPG 38
24
Les deux techniques courantes de géothermie de surface 40
25
Extrait d"une vue du zonage réglementaire encadrant la GMIBRGM 41

Figures

7

ANNEXE 2

27
Synoptiques hydrauliques standards d"un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnement AFPG 47
28
Synoptiques hydrauliques standards d"un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnement AFPG 47
29
Synoptiques hydrauliques standards d"un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnement AFPG 48
30
Synoptiques hydrauliques standards d"un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnementt AFPG 48
31
Synoptiques hydrauliques standards d'un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnement AFPG 49
32
Synoptiques hydrauliques standards d"un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnement AFPG 49
33
Synoptiques hydrauliques standards d"un dispositif de production géothermique selon ses modes de fonctionnement AFPG 50
8

Avant-propos

Ce guide méthodologique est consacré à toute opération de géothermie de surface de plus de 50 kW de puissance installée.

Destiné aux maîtres d"ouvrage et à tout donneur d"ordres, ce guide méthodologique explique com-

ment élaborer et structurer le montage d'une opération de géothermie de surface.

Il a également pour objet de présenter la filière "géothermie de surface» (ou dite de "Très Basse

Énergie

1

» (TBE)) dans ses grandes généralités et de caractériser les éléments qui la constituent.

La géothermie de surface constitue une solution énergétique qui répond à la problématique ther-

mique du bâtiment (Réglementation Thermique du Bâtiment). C'est pourquoi, le marché de la

construction et du bâtiment représente le coeur de marché de la filière.

Le présent guide s'attache à rappeler les conditions d'intégration, d'ordonnancement et de phasage

d'une opération. Ces dernières sont exposées de manière à donner une vision globale à tout donneur

d'ordres désirant mettre en oeuvre un système de géothermie.

La géothermie de surface se caractérise par la constitution d'un système composé de 3 dispositifs:

Un dispositif de Captage de la ressource géothermique;

Un dispositif de Production;

Un dispositif de Régulation (contrôle-commande).

L'ensemble de ces dispositifs constitue le périmètre technique d'un système de géothermie.

Sa bonne intégration à l"échelle d"un projet de construction impose d"étudier le système

dans sa globalité. An de pérenniser et de structurer le développement de la lière "figéothermie de surfacefi», l'AFPG et le SER recommandent la constitution d'un lot tech- nique dédié à la conception et à l'exécution d'un tel système.

La constitution d"un lot technique de géothermie permet de regrouper l"ensemble des compétences

(sous-sol, thermique, hydraulique, contrôle-commande et de monitoring) nécessaires à la réalisa-

tion d'une opération de géothermie. L'AFPG et le SER rappellent en conclusion du présent document, les actions de structuration de la

filière ainsi que les diflérentes qualifications existantes permettant d'encadrer une opération de

géothermie.

Bonne lecture

La géothermie,

l'énergie de demain dès aujourd'hui ! 1

Les acteurs du développement de la géothermie (BRGM, ADEME, AFPG, SER, BeT, etc.) déflnissent la " Très Basse

Énergie » - T.B.E comme étant l'exploitation d'une ressource d'une température de gisement < 30°C et qui nécessite

l'utilisation d'une machine thermodynamique (pompe à chaleur géothermique - P.A.C géothermique).

Guide méthodologique • La géothermique de surface - AFPG, SER 9

PARTIE 1

Qu"appelle-t-on

Géothermie de surface ?

1.1 Dénition

À des profondeurs comprises entre 1 et 800 mètres, la température est généralement inférieure à 30 °C, c'est la géothermie dite de surface. Elle constitue un système énergétique composé de 3 dispositifs : Un dispositif de Captage permettant d"exploiter la ressource géothermique, (capteurs géo- thermiques) ; Un dispositif de Production (Pompe à Chaleur (PAC) géothermique eau/eau) permettant de

transférer l'énergie thermique captée dans le sous-sol à un réseau de distribution de chaleur

et/ou de froid ; Un dispositif de Régulation (contrôle / commande) permettant d'assurer la communi- cation et le bon fonctionnement entre les dispositifs de Captage et de Production.

La géothermie de surface représente une solution énergétique qui répond à la problématique thermique

du bâtiment (RT 2012 / 2020). A l'échelle de la filière géothermie dans son ensemble, la géothermie de

surface représente en 2020 plus de 85 % de la puissance calorifique installée (2 600 MW) en France.

L'ensemble de ce système permet de couvrir des besoins de chauflage, d'ECS (Eau Chaude Sanitaire),

de climatisation et de rafraîchissement des bâtiments (neufs ou rénovés) et participe aux process de

déshumidification d'air, de maintien en température chaude/froide, etc.

La géothermie de surface nécessite la mise en oeuvre d'équipements thermodynamiques (pompes à

chaleur eau / eau, dites PAC géothermiques) qui prélèvent l'énergie à très basse température pour

l'augmenter à une température susante afin de permettre une production de chauflage, d'ECS. Elle

permet également de climatiser des bâtiments (individuels, collectifs, agricoles, industriels) au sens

classique du terme, ou de les rafraîchir directement avec un système de " géocooling » (froid passif,

cf. ci-après). Une PAC géothermique est un dispositif thermodynamique qui permet une production d'énergie

thermique par extraction ou injection de calories dans le milieu exploité (eaux / sous-sol). Le prin-

cipe d'extraction ou d'injection des calories est assuré par le dispositif de captage de la ressource

géothermique.

L'attrait fondamental de la géothermie de surface réside dans ses performances énergétiques et

environnementales :

Le " géocooling » : à des profondeurs de 10 à 200 mètres, la température du sous-sol est

presque systématiquement inférieure à 20 °C. La géothermie de surface oflre alors la possi-

bilité de rafraîchir directement un bâtiment grâce au " géocooling ». Le " géocooling » dispose

d'un rendement particulièrement élevé (de 4 à 7 000 % selon les conditions, soit 40 à 70 kWh

de froid fourni pour 1 kWh électrique utilisé,) du fait d'un échange direct entre ?uide géother-

mique et ?uide de rafraîchissement sans passer par un dispositif de Production.

10Guide méthodologique • La géothermique de surface - AFPG, SER

Le " TFP » ou mode Thermo Frigo Pompe : à travers un même et unique dispositif de Pro-

duction (PAC géothermique eau / eau), le système dispose de la capacité à produire simulta-

nément du chauflage et de la climatisation. Ce mode simultané appelé mode " TFP » permet de valoriser les rendements énergétiques du système (SCOP pour le chauflage et SEER pour la climatisation) en les additionnant (rendement de l'ordre de 800 à 1 200 %, soit 8 à 12 kWh de chauflage et climatisation fournis pour 1 kWh électrique utilisé).

La géothermie de surface regroupe diflérents dispositifs de captage. Les capteurs horizontaux, les

capteurs sur nappe superficielle, sur Sondes Géothermiques Verticales (SGV), sur champ de SGV, sur

géostructures (fondations thermoactives), sur eaux usées (collecteurs d'assainissement), sur STEP

(conduit de refoulement des eaux de rejet épurées), sur eau de mer, sur cours d'eau, sur plan d'eau.

Cette filière est également qualifiée règlementairement par l'administration de Géothermie de Minime

Importance (GMI) depuis la sortie des textes de simplification du code minier en 2015. La GMI donne un

cadre réglementaire simplifié aux systèmes de géothermie sur forages (nappe et SGV) inférieurs à 200

m de profondeur et exploitant moins de 500 kW de puissance calorifique extraite du sous-sol.

La géothermie de surface constitue une solution énergétique de premier plan pour le marché

de la construction, du simple bâtiment individuel jusqu'à l'écoquartier (5kW à 20 MW). Inté-

gratrice de nouvelles technologies d'information et de communication elle peut également contribuer au développement de la ville durable. 11

Figure 1

Périmètre technique d'un

système de géothermie de surface sur champ de

SGV de la BETEG.

© Burgeap

1.2 Périmètre technique

La géothermie de surface se caractérise par trois dispositifs distincts qui constituent le sys-

tème de géothermie : Le dispositif de Captage de la ressource géothermique ; Le dispositif de Production constitué d'une pompe à chaleur géothermique (PAC) ;

Le dispositif de Régulation (contrôle / commande) constitué par le monitoring couplé à une

Gestion technique centralisée (GTC).

La bonne intégration d'un système de géothermie à l'échelle d'un projet impose d"étudier le sys-

tème dans sa totalité. Un système de géothermie ne peut se limiter à la conception ou la réalisation

isolée d'un de ses 3 dispositifs. Il doit être considéré dans sa globalité.

Le dispositif de régulation, clef de voûte de l'installation, assure le bon fonctionnement du sys-

tème en commandant les diflérents équipements hydrauliques motorisés couplant le dispositif de

captage de la ressource géothermique au dispositif de production.

12Guide méthodologique • La géothermique de surface - AFPG, SER

Figure 2

Périmètre technique d'un

système de géothermie de surface sur nappe superflcielle.

© Burgeap

1.3 Ses usages

Le principal intérêt de la géothermie de surface est sa capacité à produire à partir d'une même

installation : du chauage (bâtiment, piscine, serre, etc...); de l'Eau Chaude Sanitaire (ECS) ; de la Climatisation (froid actif) ; du rafraîchissement (froid passif par géocooling).

La production de chauflage, d'ECS et de climatisation est assurée par le dispositif de production d'éner-

gie, activé à la base par un équipement thermodynamique appelé " pompe à chaleur eau / eau », ou dite

" PAC géothermique ». 13

PARTIE 2

La géothermie de surface

et ses dispositifs

2.1 Le dispositif de captage

2.1.1 Les captages

Le dispositif de captage se caractérise par le type de capteurs géothermiques mis en œuvre.

Il constitue la source d'énergie renouvelable du système géothermique. Il alimente le dispositif de

production.

L'ensemble des capteurs géothermiques exploite les ressources énergétiques du milieu naturel dans

lequel il est implanté. La ressource géothermique est exploitée par extraction et injection de calories

dans le milieu naturel par simple échange thermique. La ressource géothermique est exploitée pour couvrir respectivement des besoins de chauflage, d'eau chaude sanitaire, de climatisation et de rafraîchissement (géocooling).

Les dispositifs de captage de la ressource géothermique permettent la réalisation de projets com-

pris entre 5 kW à 20 MW. Les capteurs géothermiques concernent l'exploitation de plusieurs types de ressources :

L"énergie naturellement présente dans le sous-sol à quelques mètres, voire centaines de mètres,

l"énergie naturellement présente dans les aquifères, l"énergie présente dans les réseaux d"eaux usées (collecteurs EU), l"énergie naturellement présente dans les cours d"eau, les plans d"eau ou la mer. L'exploitation de ces diflérents types de ressources se réfère aux dispositifs suivants :

Les solutions sur nappes (de 1 de profondeur)

Les solutions sur capteurs horizontaux et sur corbeilles (de 1m à 5m de profondeur) ;

Figure 3

Schéma de principe d'un

doublet géothermique sur nappe

Figure 4

Schéma de principe de

capteurs géothermiques horizontaux et de cap- teurs compacts

© Burgeap

14Guide méthodologique • La géothermique de surface - AFPG, SER

Les solutions sur sondes géothermiques verticales (SGV) ou champ de SGV allant de 50 de profondeur ; Les solutions sur sondes géothermiques profondes (SGP) allant de 300 à de profondeur ; Les solutions sur fondations énergétiques et infrastructures énergétiques allant jusqu' de profondeur ;

Figure 5

Schéma de principe de

sondes géothermiques verticales

Figure 6

Schéma de principe de

sondes géothermiques coaxiales profondes

Figure 7

Schéma de principe de

quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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