Comprendre la géothermie

Vous êtes nombreux à nous questionner sur la géothermie et les systèmes de chauffage géothermique lorsque vous nous rencontrez dans les salons, les formations ou les conférences... Vous êtes encore plus nombreux à nous demander quelles sont les subventions disponibles pour la géothermie et l'installation de systèmes de chauffage géothermique au Québec, ainsi que si cela les rend économiques à l'achat et à l'utilisation !

Nous le confirmons, cette technologie est séduisante, mais assez complexe à installer et, jusqu'à l'annonce récente des nouvelles subventions du programme LogisVert, coûteuse. Pour cette raison, jusqu'à présent, et malgré son profil écologique et efficace, nous avons hésité à recommander la géothermie pour le chauffage des maisons individuelles. Maintenant, généreusement assistés par la nouvelle subvention du programme LogisVert, le chauffage géothermique devient intéressant et nous vous invitons à vérifier si votre maison pourrait en bénéficier en remplissant notre outil interactif ici :

De plus, Alain Nguyen de l’école Polytechnique de Montréal, a rédigé l'article suivant pour vous et y inclut une technique encore peu connue mais qu’il juge particulièrement efficace et possible en milieu urbain : les systèmes à puits à colonne permanente (PCP). Bonne découverte de la géothermie et ses subventions !

Qu'est-ce que la géothermie?

Les systèmes géothermiques utilisés pour le chauffage et la climatisation des bâtiments s'appuient sur le principe qu'en profondeur (6-10 m) la température de la terre n'est plus influencée par les variations de température en surface et qu’elle est relativement constante (8-10°C). La température du sous-sol terrestre est donc plus chaude que celle de l'air en hiver, et plus fraîche que celle de l’air en été.

Un système géothermique est composé de trois éléments:

1. l'échangeur de chaleur souterrain (ECS)
2. la pompe à chaleur (PAC)
3. le système de distribution de chaleur

En mode chauffage, l'échangeur capte la chaleur du sol qui est ensuite recueillie par la pompe à chaleur. Cette chaleur est ensuite acheminée vers le bâtiment par l'entremise d'un système de distribution de chaleur. Inversement, en mode climatisation, la chaleur du bâtiment est acheminée vers le système de distribution de chaleur, puis captée par la pompe à chaleur, et finalement rejetée dans le sol par l'échangeur. Ainsi, un kilowatt d'électricité consommé par la pompe permet de produire en moyenne 3 à 5 kilowatts d'énergie. Le graphique ci-dessus présente le principe de fonctionnement d'un système géothermique.

Contrairement aux pompes à chaleur conventionnelles qui utilisent l'air extérieur comme source d'énergie, les PAC géothermiques exploitent la terre comme point de source/point de rejet de chaleur, ce qui leur permet d'atteindre des coefficients de performance (COP) élevés  (le COP est le rapport entre l'énergie produite par le système géothermique et la puissance électrique consommée par celui-ci). Un échangeur de chaleur souterrain requiert néanmoins une longueur minimale pour puiser/rejeter la chaleur du sol.

Les différents types de systèmes géothermiques

Il existe plusieurs types d'échangeurs de chaleur souterrains pour transférer la chaleur de l'environnement géologique à des fins de chauffage géothermique. On distingue entre autres :

• les systèmes à boucle fermée verticale (qui captent la chaleur du sol en profondeur);
• les systèmes à boucle ouverte (qui captent la chaleur dans un lac ou une nappe phréatique, avec deux puits) ;
• les systèmes à puits à colonne permanente (PCP) (qui captent la chaleur d’un lac ou d’une nappe phréatique, avec un seul puits);
• les systèmes à boucle fermée horizontale (qui captent la chaleur du sol en surface) .

Les systèmes géothermiques à boucle fermée verticale: les plus répandus au Québec

Les systèmes géothermiques à boucle fermée verticale sont généralement composés d'un forage dans lequel une boucle en U de polyéthylène haute densité (PEHD) et un coulis de bentonite (figure 2) sont aménagés. Un fluide caloporteur (généralement du propylène glycol) circulant continuellement  à l'intérieur de la boucle permet un échange de chaleur par conduction (transfert thermique sans déplacement global de matière provoqué par une différence de température entre deux milieux en contact) avec le milieu géologique. La longueur typique d'un tel échangeur est de l'ordre de 100 à 150 m de profondeur (figure 2).

Ces systèmes sont à ce jour les plus populaires et les mieux documentés. Selon la Coalition Canadienne de l'Énergie Géothermique (CCÉG), ils représentent 82,9% des systèmes installés au Québec. Par contre, la faible conductivité thermique de ces puits (tuyaux en PEHD et coulis de bentonite) ainsi que celle du milieu géologique fait en sorte que ces systèmes requièrent d’importantes longueurs de forages, ce qui entraine un coût de construction élevé. Un rapport de la CCÉG en 2012 indique que le coût unitaire moyen d'un tel système s'élève jusqu'à 8 263$/tonne (soit 1 tonne = 12 000 BTU/heure = 3.52 kW).

Plus de détails sur les systèmes géothermiques à boucle fermée verticale dans cet article.

Autres systèmes de boucle fermée verticale: boucle fermée verticale à échangeur cylindrique, système à expansion directe.

Les systèmes géothermiques à boucle ouverte : capter la chaleur des eaux souterraines

Les systèmes à boucle ouverte présentent une très grande efficacité thermique. Lorsque l'eau souterraine de bonne qualité est suffisamment abondante, l'installation d'un système à boucle ouverte peut être jusqu'à 50% moins dispendieuse que celle d'un système à boucle fermée verticale. Cependant, les conditions hydrogéologiques nécessaires à l'installation de ces systèmes sont rarement présentes en milieu urbain, ce qui en limite leur utilisation.

Il est fortement conseillé de faire des recherches avant d'entreprendre l'installation d'un tel système. Les systèmes à boucle ouverte se servent directement de l’eau souterraine pompée d’un puits d'approvisionnement (25 à 40 m de profondeur) afin d'y puiser/injecter de la chaleur. L'action du pompage entraîne alors un rabattement et amène une infiltration d'eau dans le puits, créant ainsi un apport d’énergie par advection (transport d'énergie provoqué par le mouvement d'un fluide). Une fois l'échange de chaleur effectué, l'eau est réinjectée dans un second puits. 

Autres systèmes à boucle ouverte : boucle ouverte en lac, boucle fermée en lac.

Plus d'information sur les systèmes géothermiques à boucle ouverte.

Les systèmes géothermiques à puits à colonne permanente (PCP): peu connus mais efficaces

Les systèmes à PCP pompent l’eau souterraine d’un puits  à sa base et réinjectent par la suite une partie ou la totalité de cette eau à son sommet une fois l'échange de chaleur effectué. 

Ceux-ci présentent une meilleure efficacité thermique que les systèmes à boucle fermée verticale, et ne sont pas restreints à de conditions hydrogéologiques exceptionnelles comme les systèmes à boucle ouverte. De plus, durant les périodes de grande demande énergétique, les systèmes à PCP peuvent créer un apport d'énergie supplémentaire en forçant l'infiltration d’eau souterraine dans le puits. Cette opération, appelée saignée, améliore momentanément l’efficacité thermique de l’ECS. Cela permet donc de réduire considérablement la longueur et par conséquent les coûts de construction de l’ECS.

Des études menées par l'American Society of Heating Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ont montré que la taille de l’échangeur géothermique pouvait être de l'ordre 49% à 78% inférieure avec des systèmes à PCP, comparativement à des systèmes en boucle fermée verticale de puissance comparable.

Plus d'information sur les systèmes géothermiques à puits à colonne permanente (PCP).

Les systèmes géothermiques à boucle fermée horizontale: pour un grand terrain à la campagne

Pour une même longueur de conduite, les systèmes à boucle horizontale sont moins performants que les systèmes à boucle verticale. En effet, la température du sol à cette profondeur est plus influencée par la température en surface, ce qui diminue le coefficient de performance du système.Les systèmes à boucle fermée horizontales nécessitent de creuser des tranchées dans le sol à environ 6 pieds de profondeur (1,8 m) afin de faire passer un réseau de conduits dans lequel circulera un liquide caloporteur (eau + antigel) pour y puiser/rejeter de la chaleur.

Ces systèmes nécessitent une emprise au sol relativement importante, de deux à trois fois la surface du bâtiment à chauffer ! On ne peut donc l’envisager que dans des zones périurbaines ou à la campagne.

Plus d'information sur les systèmes à boucle horizontale dans cet article.

Subventions disponibles pour la géothermie

Le programme de subvention LogisVert d'Hydro-Québec offre de l'aide financière pour l'installation d'un système géothermique. L'installation complète d'un ou plusieurs puits géothermiques et de la thermopompe et des appareils intérieurs associés sont admissibles. Trouvez plus de détails sur la subvention pour les thermopompes géothermiques du programme LogisVert dans cet article.

Il est aussi possible d'obtenir de l'aide financière pour l'installation d'un système géothermique avec le programme Rénoclimat. L'aide financière pour l'installation d'un nouveau système peut s'élever à 5 365 $.  Conditions: Installation d’un système géothermique (énergie puisée dans le sol ou dans les eaux souterraines) complet (nouvelle thermopompe, nouvelle boucle) conforme à la norme CSA C448.2-0.

Pour le remplacement d'un système géothermique le montant admissible est de 2150$ et inclut le remplacement de la thermopompe d’un système géothermique existant conforme à la norme CSA C448.2- 02. 

L'avis d'Écohabitation

Historiquement, la géothermie au Québec a mauvaise presse, principalement à cause des entrepreneurs qui se disent spécialistes et qui conçoivent des systèmes inadéquats pour les besoins. Le dimensionnement de puits et des systèmes est une science complexe qui n’est pas à portée de tous.

Pour les systèmes en boucle fermée, il est important de s’assurer de l’étanchéité du système pour éviter les fuites d’eau, alors que pour les systèmes ouverts, il convient de tester l’eau régulièrement pour connaître ses propriétés physico-chimiques. Une eau trop dure pourra causer des problèmes d’entartrage et de colmatage, alors qu’une eau acide peut causer de la corrosion. Souvent, un système de traitement de l’eau sera nécessaire pour les systèmes à boucle ouverte. Si votre entrepreneur ne vous propose pas de tester l’eau en boucle ouverte, n’acceptez pas la soumission et allez voir ailleurs!

La géothermie est une ressource renouvelable très intéressante, surtout pour les projets d’envergure comme les réseaux thermiques , mais il faut être vigilant!

Un petit lexique de la géothermie

Advection: transport d'énergie provoqué par le mouvement d'un fluide.

Coefficient de performance: rapport entre l'énergie produite par le système géothermique et la puissance électrique consommée par celui-ci.

Conduction: transfert thermique sans déplacement global de matière provoqué par une différence de température entre deux milieux en contact.

Pompe à chaleur: dispositif permettant de transférer la chaleur du sol vers le bâtiment en hiver (chauffage) et, inversement,  transférer la chaleur du bâtiment vers le sol en été (climatisation).

Tonne: Unité de puissance du système. 1 tonne = 12 000 BTU/heure = 3.52 kW. Les demandes thermiques d'un bâtiment résidentiel sont de l'ordre de 2 à 3 tonnes.