La géothermie, une opportunité énergétique ?

1. Mardi, 15 novembre 2022 La géothermie, une opportunité énergétique ? Alain Dassargues, Professeur en Hydrogéologie & Géologie de l'Environnement (ULiège - ArGEnCo) Mathieu Leroy, Ingénieur de projets (Bureau Greisch)

2. LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :

3. La Géothermie: une opportunité énergétique A. Dassargues Hub Créatif Verviers 15/11/2022 1

4. 2 Utiliser le sous-sol pour exploiter/stocker de la chaleur ? aquifères = formations géologiques perméables

5. 3 Gradient géothermique … environ 3° / 100 m (hors anomalie) … en plus de la t° moyenne annuelle du lieu Exemple: chez nous on peut espérer 27° à 500 m (12° + 15°)

6. 4 Différents types de géothermie - faible profondeur forages + pompages - qq dizaines de mètres, circuits fermés en forage - d’anciennes mines noyées … et géothermie profonde, et très profonde L’utilisation de la chaleur terrestre Aperçu, technologies, visions Editeur : Office fédéral de l’énergie (OFEN), Suisse

7. 5 Température du sous-sol immédiat Modified from GeoTrainet 2011

8. 6 Systèmes de basse température - avec pompes à chaleur - circuits ‘ouverts’ ou circuits fermés Il faut étudier et quantifier : - les impacts sur le milieu - l’efficacité (rendements) du système à court, moyen et long termes

9. 7 Systèmes de basse température circuits ‘ouverts’ dans d’anciennes mines Heat exchange system for urban heat supply Surface : 12°C Difficultés - géométrie complexe du sous-sol et des anciennes exploitations - court-circuit possible entre point de pompage et réinjection

10. 8 Systèmes de basse température circuits ‘ouverts’ dans d’anciennes mines

11. 9 Systèmes de basse température circuits ‘ouverts’ dans d’anciennes mines

12. ‘heat short circuit’ 10 simulations pour différents ratios Kshaft+galleries/Kbedrock 𝐾!"#$%&'#(()*+)! 𝐾,)-*./0 = 101,3 𝐾!"#$%!&'#(()*+)! 𝐾,)-*./0 = 104 𝐾!"#$%!&'#(()*+)! 𝐾,)-*./0 = 105

13. 11 - éviter les puits de grands diamètres non comblés - à coupler à un réseau de chaleur de 4ème ou 5ème génération

14. 12 Circuits ‘ouverts’ ou circuits ‘fermés’ ? Critères de décision - coût d’installation - conditions du sous-sol - impacts - rendements Coûts d’installation: coûts circuits fermés > coûts circuits ouverts sûrement pour puissances > 100 kW Conditions du sous-sol: conductivité hydraulique pour circuits ouverts Impact: à étudier cas par cas Rendement: à étudier cas par cas

15. 13 Circuits ‘ouverts’ ou circuits ‘fermés’ ? Pour circuit ouvert Puissance: 𝑷 = 𝑸. ∆𝑻. 𝒄𝒘𝒂𝒕𝒆𝒓 𝟏' 𝟏 𝑪𝑶𝑷 𝒎𝟑 𝒉 . °𝑪. 𝒌𝑾𝒉 𝒎𝟑°𝑪 Pour circuit fermé Puissance: système vertical : 40 à 60 W/m, système horizontal: 24 W/m2 + interactions éventuelles entre sondes

16. 14 Utiliser les aquifères pour stocker de la chaleur ? Injection et pompage (système ouvert) Les potentialités sont en principe grandes … … mais à vérifier en pratique - jouer sur l’alternance saisonnière (geothermie + geocooling) - espérer que la migration de chaleur au sein du sous-sol soit faible - étudier les impacts - étudier les rendements ATES

17. 15 Utiliser les aquifères pour stocker de la chaleur ? efficacité et impact sont très liés : optimisation nécessaire

18. 16 Utiliser les aquifères pour stocker de la chaleur ? Efficacité et impact sont très liés : optimisation nécessaire

24. 22 Utiliser le sous-sol pour stocker de la chaleur ? Efficacité et impact sont très liés : optimisation nécessaire - échanges de chaleur entre les deux aquifères mais pas d’impact significatif sur les systèmes individuels - données supplémentaires via data-loggers dans les puits - 2 ‘aquifères’ à écoulements lents

25. 23 Impact/efficacité Aspects hydrodynamiques - trouver les endroits où le compromis entre valeur de K et gradient hydraulique est acceptable pour inverser les puits à la saison suivante avec un maximum de rendement et un minimum d’impact sur les environs Aspects hydrochimiques - transport réactif accentué par les changements de température favorisant corrosion ou précipitations/clogging notamment près du puits de réinjection

26. 24 Beaucoup de réponses attendues de la phase d’étude et de caractérisation … nécessaires également pour le ‘permitting’ - vérifier circonstances hydrogéologiques - calculer rigoureusement les rabattements induits et remontées - calculer rigoureusement les impacts potentiels au niveau la quantité et de la qualité des eaux souterraines - appréhender l’hétérogénéité réelle et incertaine du site, et son influence potentielle sur les rendements et impacts - calculer les rendements à long terme avec d’éventuels changements redox

27. 25

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31. 29 Spécifiquement en RW, il faut une - meilleure prise en compte des conditions du sous-sol par les acteurs - meilleure prise en compte des spécificités d’un pompage pour des applications géothermiques par les autorités (administration) Merci !

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34. www.greisch.com « La géothermie, une opportunité énergétique ? » Mathieu Leroy Ingénieur de projet Les guides technique AFPG “La géothermie, l’énergie de demain dés aujourd’hui” Dans le cadre de la conférence Liège Créative du 15/11/2022

35. Systèmes fermés - Etude de conception : bâtiment  Monotone des besoins énergétiques du bâtiment  Optimisation énergétique  Sélection des émetteurs adaptés  Puissance installée vs puissance totale BUREAUX SRE totale 17.165 m2 Besoins bruts totaux chaud 278.664 kWh Besoins bruts totaux froid 310.872 kWh SRE plafonds/planchers chaud/froid 9.814 m2 Besoins bruts plafonds/planchers chaud 159.325 kWh Besoins brutts plafonds/planchers froid 177.739 kWh CHAUD (kWh) FROID (kWh) CHAUF (kWh) ECS (kWh) CHAUD (kWh) FROID (kWh) Janvier 41.375 1.316 11.491 4.463 57.329 1.316 Février 29.826 2.190 8.645 3.572 42.042 2.190 Mars 17.938 5.507 4.711 3.255 25.904 5.507 Avril 3.312 12.740 293 2.298 5.903 12.740 Mai 65 21.415 0 1.612 1.677 21.415 Juin 0 31.178 0 1.354 1.354 31.178 Juillet 0 36.849 0 1.596 1.596 36.849 Août 0 34.312 0 1.921 1.921 34.312 Septembre 0 19.557 0 2.528 2.528 19.557 Octobre 2.350 8.829 106 3.559 6.015 8.829 Novembre 23.273 2.652 6.348 4.152 33.773 2.652 Décembre 41.186 1.194 11.185 4.591 56.963 1.194 TOTAL 159.325 177.739 42.778 34.903 237.005 177.739 Part besoin chaud logement 33% Ratio froid/chaud 75% misation du fonctionnement de la pompe à chaleur pour Etterbeek PROFILS RESULTANTS BUREAUX Répartition des besoins LOGEMENTS Rapport des demandes d'énergie annuelles de refroidissement et de chauffage Etude solaire des façades Illustration du rapport besoin en chauffage / besoins en refroidissement compatible avec un système géothermique fermé

36. Systèmes fermés - Etude de conception : sous-sol  Conductivité thermique du sol (test de réponse thermique)  Champ de sondes : 40 sondes de 100 mètres (intervalle 9-10m).  Etude sur 50 ans avec un logiciel adapté pour vérifier la pérennité du système sur le long terme  Puissance extraite par mètre de sonde (chaud et froid) : env. 25-30 W/m Test de réponse thermique (CA Etterbeek) : 1.9 W/mK Simulation de la température du fluide dans le circuit des sondes sur 50 ans – Couverture des besoins en chauffage et refroidissement (CA Etterbeek) Plan du champ de sondes (CA Etterbeek)

37.  Système «renouvelable » si il y a une stabilisation des températures du sous-sol sur le long terme  Haut rendement (COP = 4) – coût – pas une solution « stand alone »  Réchauffement climatique (vs PAC air eau / geocooling)  Emetteurs adaptés (problématique de la rénovation)  Changement de profil de besoins (adaptation, flexibilité, rénovation, …)  SCOP réel auxiliaires FORMATION BÂTIMENT DURABLE : POMPE À CHALEUR: CHOIX ET CONCEPTION – PRINTEMPS 2021 Exemple : • Echangeur géothermique vertical • Pompe à chaleur eau/eau • Dalles actives avec activation du noyau de béton Evolution du COP en fonction de la température au condenseur et à l’évaporateur Illustration de dalle active à haute température (régime 21°- 19°) – Projet Agoria Problématique de dimensionnement d’un champ de sondes géothermiques (D. Pahud) Systèmes fermés - Avantages et inconvénients

38.  Frein : Planning des études / Redondance nécessaire / modification impossible / solution combinée TS-STAB / Entrepreneur et mise en œuvre  Retour d’expérience disponible sur le comportement mécanique et thermique des géo structures thermiques en phase exploitation est quasi-inexistant => Non normé!  Possibilité nombreuses : Pieux, parois moulées, pieux sécants, … Recommandations pour la conception, le dimensionnement et la mise en œuvre des géo structures thermiques CFMS/SYNTEC INGENIERIE Projet Clervaux – Potentiel géothermique équipant les pieux de fondation – Bureau d’étude Greisch Systèmes fermés - Aparté – Structures géothermique

39. Systèmes ouverts - Etude de conception : bâtiment Implantation des doubles géothermiques. Projet LOOM – Bureau d’étude Greisch  Doublets géothermiques : puisage direct  Préserver les structures d’une perte de capacité portante : Règles de bonnes pratiques (diamètres – distance, semelles de fondations, armatures,…)  Forage exploratoire : étude structurelle complexe  Monotone des besoins et schéma de principe Monotones des besoins energétiques et quote part de la couverture géothermique – Projet LOOM - Terrra Energy Schéma de principe – Projet LOOM– Bureau d’étude Greisch

40. 1 2 Systèmes ouverts - Etude de conception : sous-sol Etançonnement / Plan d’installation du forage test (LOOM) Outil Brugeotool https://geodata.environnement.brussels/client/brugeotool/home

41. Systèmes ouverts - Avantages et inconvénients  Système «renouvelable » si il y a une équivalence des énergies soutirées  Haut rendement (COP = 5) – pas une solution « stand alone »  Permis  Emetteurs adaptés (problématique de la rénovation)  Système moins invasif qu’un système fermé.  Cout des forages et modèles  Imprédictibilité importante à modérée des débits soutirés selon l’hétérogénéité du sous-sol Résultat d’un test de pompage en phase exploratoire Illustration de l’interaction forage - structures Vérification de l’equivalence des énergie soutirées (Terrra Energy)

42. Lignes Directrices du Concept Energétique et Environnementale Présentation synthétique des pistes ENV ENV_01 : Isolation du bâtiment (UPEB) ENV_03 : Opacification des allèges ENV_05 : Protections architecturales ENV_06 : Vitrages solaires SE/SO ENV_10 : Toiture végétalisée SYS SYS_01 : Calorifugeage des conduites, fonctionnement à basse T° SYS_02 : Remplacement du générateur SYS_04 : Changement d’émetteurs SYS_05 : Remplacement du générateur SYS_07 : Boiler électrique instantanée pour les petits points de puisage REG_01 : Ralenti nocturne des consignes ENR ENR_01 : Photovoltaïque en toiture (45 kWc) VEN VEN_01 : Echangeur η 80% ; Ventilateurs SFP 3 et à débit variable ECL ECL_01 : Changement des luminaires ; Gestion par détection d’absence EAU EAU_01 : Equipements peu consommateurs (robinet mousseur, urinoir, pommeau de douches économiques) Verviers : genèse du projet  Audit énergétique du « Grand Bazar »

43. Position possible du doublet Objectif : Taux de couverture → >80% en chaleur et en refroidissement SYS_03 : Géothermie avec système ouvert Cas « Grand Bazar seul » Contenu du puits Finition « souterraine » Verviers : genèse du projet ENR ENR_01 : Photovoltaïque en toiture - 45 kWc ENR_03 : BIPV façades SE/SO - 52,5 kWc EP GP GE PAC CO2 Ventilation naturelle °C, HR ENV ENV_02 : Isolation du bâtiment - approche passive ENV_04 : Allège vitrée ENV_07 : Vitrage électrochrome ENV_08 : Façade Nord végétalisée ENV_09 : Façade patio végétalisme ENV_10 : Toiture végétalisée SYS SYS_01 : Calorifugeage des conduites, fonctionnement BT SYS_03 : Générateur "No Fossiles" SYS_04 : Emetteurs BT REG_02 : Asservissement à la présence SYS_06 : Rafraichissement nocturne DIV DIV_01 : Green Farming DIV_02 : Monitoring des consommations DIV_03 : Revêtement des façades teinte claire DIV_04 : Captage de Nox Hiver/Canicule VEN VEN_01 : ventilateurs SFP 3, DBV VEN_02 : ventilation hybride VEN_03 : végétalisation à l'entrée des CTA ECL ECL_01 : LED (6W/m2) Gestion par détection d'absence Graduation éclairage naturel EAU EAU_01 : Equipements peu consommateurs EAU_02 : Citerne eau de pluie K115 K14 NZEB OBJECTIF: OUTSTANDING 0tCO2 CER - Communauté d'Energies Renouvelables

44. 11 DIV_05 : Communauté d’Energie Renouvelable Identification du potentiel (après rénovation Grand Bazar) Verviers : vers une communauté d’énergie renouvelable?

45.  Dossier : Scénario Fonds FEDER  Appel à projet géothermie peu profonde en région Wallonne 12 Piste d’amélioration DIV_05 : Communauté d’Energie Renouvelable Electricité : xxxx MWh/an Electricité : xxx MWh/an Electricité : xxx MWh/an Verviers : communauté d’énergie renouvelable ? Chaleur : xxxx MWhan Froid : xxx MWh/an Chaleur : xxxx MWh/an Chaleur : xxx MWh/an Froid : xx MWh/an

46. Réseau de chaleur késako?  Intervapeur – première centrale réseau vapeur pour les sites industriels texteliles et autres (lavoir, teintureries, etc …)  1937 – 2005 (67 ans de fonctionnement)  Chaudière charbon rendement 50%  70 km de réseau  1000 bâtiments en chauffage et électricité « C’était un système unique, une particularité de notre ville. Surtout en hiver avec des trottoirs jamais enneigés grâce à la chaleur qui s’en dégageait.» 5iem génération 5-25°C (max 40°C) Historiquement à Verviers … 1er génération

47.  Cartographie en région wallonne (cadastre des réseaux de chaleur existants, densité de production d’énergie renouvelable, …)  Présence de chaleur fatale  Verviers : Haute densité > 4500 hab/km² Réseau de chaleur en Wallonie Verviers

48. Géothermie profonde  Zones prioritaire d’exploitation (réservoir du carbonifère) Verviers Saint-Ghislain, l’eau jaillit d’environ 2.500 m de profondeur à une température de 73°C via un puit artésien à 100 m³/h Ensival - 700 m – 13°C …

49. Géothermie basse enthalpie  Plaine alluviale?  Premier aquifère captif?

50. DIV_05 : Communauté d’Energie Renouvelable Identification du potentiel (après rénovation Grand Bazar) Verviers : vers une opportunité géothermique?  Cartographie des forages exploratoires  Analyse financière  Analyse des besoins

51. Verviers : communauté d’énergie renouvelable DIV_05 : Communauté d’Energies Renouvelables Objectif principal : Fournir des avantages environnementaux, économiques ou sociaux à ses actionnaires ou à ses membres ou en faveur des territoires locaux où elle exerce ses activités, plutôt que de rechercher le profit. • Avantages environnementaux : • Meilleure intégration de la production d'électricité renouvelable via l'augmentation de l'autoconsommation et le partage d'énergie à une échelle locale • Changement d’habitudes de consommation pour tendre vers une URE • Limitation de la mobilisation du réseau public • Avantages économiques : • Impact favorable sur les factures des participants • Retombées positives sur l’économie et les emplois locaux • Avantages sociaux : • Possibilité de partage ouverte à tous les citoyens, y compris locataires et ménages précarisés ne pouvant investir seuls dans une production décentralisée • Inclusion sociale renforcée et précarité énergétique diminuée

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