Complémentarité des réseaux d’alimentation

en eau non-potable (ENP)

Pour bien comprendre ce qui différencie ou rapproche la géothermie dite de "moindre importance" et celle qui serait à n'en pas douter dans l'esprit du BRGM de "première importance" il est important de lever le voile sur cette dernière. Il devient alors pour cela nécessaire de mieux comprendre quelles sont les différentes formes d'énergies thermiques naturelles mises à la disposition de l'homme à la surface de la terre, à savoir celles induites par les interactions nucléaires  dites fortes et faibles, l'interaction électromagnétique et également par la gravitation. Ces dernières sont en effet autant de sources d'énergie qui permettent de comprendre ce qui rapproche ou non les "deux géothermies" du BRGM.

On comprend, bien que celle-ci ne soit pas évoquée dans l'article de CFP ci-dessous que la géothermie de première importance concerne la géothermie profonde explorant le sous-sol à des profondeurs importantes situées bien au-delà de la profondeur de  -200 m prise comme limite pour définir la géothermie dite de "moindre importance". Et ceci pour être plus précis à des profondeurs allant parfois au-delà de -2000 m afin de bénéficier de l'apport thermique associées à l'interaction nucléaire dite faible liée à la radioactivité.

Courtezy CFP

On sait en effet maintenant que c'est cette dernière qui maintien le magma situé au-delà de ces profondeurs à très haute température. On sait également que lorsque des aquifères profonds dit captifs se situent à ces profondeurs, l'eau très chaude qu'ils contiennent à tendance à remonter naturellement dans le forage jusqu'à la couche piézométrique proche de la surface du sol en raison de la pression très élevée qui y règne.

CE QUI LES RAPPROCHE

Quiconque connait la signification du suffixe geo (sol) comprend que « minime importance » ou non le prélèvement de l'énergie naturelle des "2 géothermies du BRGM" se fait dans le sous-sol. Ceci en utilisant le plus souvent l'eau contenue dans celui-ci comme vecteur facilitant la transmission des flux thermiques.

Elles sont complémentaires par le fait que l'énergie fatale rejetée après usage par la géothermie profonde de première importance pourrait utilement être utilisée pour améliorer les performances de la géothermie dite de "moindre importance". Ceci en utilisant l’eau de rejet de la géothermie profonde pour augmenter la température de l'eau à la source froide de cette dernière sans pour autant mélanger physiquement les deux fluides. Il est important de comprendre à ce sujet que les échanges à plaques peuvent assurer cette fonction de telle sorte que l'eau très chaude prélevée dans la nappe captive de la géothermie profonde retourne dans cette même nappe et que l'eau prélevée en surface à l'exhaure de la PAC sur nappe retourne elle aussi dans le même aquifère comme cela est requis par le BRGM pour ne pas perturber le fragile équilibre de notre environnement.

Un échange thermique obtenu à ce niveau à partir d'une température de rejet de la géothermie des nappes captives profondes souvent proche de 30°C permettrait en augmentant de quelque 10°C la température  de la source froide de la géothermie superficielle d'améliorer les performances de cette dernière dans des proportions qui sont loin d'être négligeables. Les surfaces et les coefficients d'échange de ces échangeurs permettent de transmettre silencieusement des puissances thermiques considérables adaptées aux réseaux de chauffage urbain. Les deux figures ci-dessous permettent de comprendre.

Lorsque l'on connaît les valeurs pratiques de COP obtenues actuellement avec l'aquathermie superficielle seule et celles qui pourraient être obtenues en profitant de l'énergie fatale rejetée après usage par la géothermie profonde dite de première importance pour améliorer ses performances , on mesure la potentialité de ces deux sources d’énergie thermiques naturelles et tout l'intérêt que l'homme peut retirer à ce niveau de leur cohabitation. La figure ci-dessus montre comment la chaleur fatale issue du réseau haute température provenant de la nappe captive profonde peut être récupérée pour augmenter la température à la source froide du réseau basse température de l’aquathermie superficielle dite de "moindre importance" . La figure ci-dessous donne une idée de l’amélioration des performances résultant de la cohabitation de ces deux réseaux.

Avec une température à la source froide de 20°C au lieu de la température habituelle de 10°C correspondant à une PAC aquathermique sur nappe libre,

1. le COP théorique ou idéal passe de 10 à environ 16 soit un COP pratique voisin de 8 au lieu de 5

2. Il est possible de doubler voire de tripler le ∆T dans l’évaporateur ce qui réduit d’autant le débit d’eau circulant dans les réseaux et réduit leur coût

Démonstration

COP avec 10°C à la source froide :

COP = Tc/(Tc-Tf) = (273 +40/ (40 – 10)= 10,4

COP avec 20°C à la source froide :

COP = Tc/(Tc-Tf) = (273 +40/ (40 – 20)= 15,6

L’échangeur à plaque assurant les transferts thermiques évite le mélange physique entre les deux flux. Les configurations de débit sont nombreuses mais pour situer les idées, deux débit équivalents l’un au primaire avec une température de rejet Tr = 30°C sur le réseau géothermique profond, l’autre à 10°C sur le secondaire de cet échangeur en liaison avec les circuits de l’exhaure des PAC eau eau logées dans les chaufferies des immeubles permettrait de disposer d’une température à la source froide de ces PAC voisine de 20°C au lieu de 10 améliorant les performances du chauffage thermodynamique des immeubles. Ceci de quelque 50% permettant de diviser sensiblement par 8 au lieu de 5 la consommation d’énergie électrique (Le calcul étant effectué pour une température de 40°C à la source chaude de la géothermie dite de "moindre importance" correspondant à des planchers chauffants hydrauliques avec un COP pratique de 8 égal à la moitié du COP idéal théorique

Les puissances thermiques transmises par un échangeur à plaques comme celui de la figure ci-contre peuvent être considérables. La surface d'échange de tels échangeurs thermiques peut en effet atteindre 2000 m² dans un encombrement assez faible. Ceci avec des coefficients d'échange pouvant atteindre 3500 à 7500 watt/m²K avec l’eau. Avec une différence moyenne de 10°C entre le primaire et le secondaire un tel échangeur permettrait de transférer des puissances voisines de 100 000 kW si la puissance n’était limitée par le débit d’eau de 3000 m3/h par échangeur (voir note technique ci-dessous). Ce qu’il est aussi important de comprendre est le fait qu’avec une température de 20°C au lieu de 10°C à la source froide des pompes à chaleur aquathermique de la géothermie dite de "moindre importance le débit requis à l’entrée des évaporateurs de ces pompes à chaleur se trouve être sensiblement divisé par 3 par rapport aux PAC eau eau sur nappe libre conventionnelle. Ceci compte tenu du fait que la chute de température dans le secondaire peut alors être de 15°C au lieu de 5°C. Ceci d’ailleurs que ces PAC eau eau soit disons « privative » et gérée par l’association syndic-syndicat des copropriétaires ou « collective » et gérée au titre du PREH par une association préfet-municipalité. On mesure l’intérêt d’une telle solution qui permet de réduire notablement la taille des réseaux d’alimentation en eau non potable alimentant les immeubles. Voir les composants d’une pompe à chaleur

CE QUI LES DIFFERENCIE

La géothermie dite de moindre importance prélève l'énergie thermique dans le proche sous-sol (généralement moins de 80m) voire en surface alors que l'énergie de première importance du BRGM prélève son énergie dans les couches profondes de l'écorce terrestre (voisines de -2500 m en région parisienne)

La géothermie profonde de première importance utilise directement de l'eau ayant une température nettement supérieure au milieu à chauffer alors que la géothermie de moindre importance utilise un milieu contenant de l'eau ayant une température inférieure au milieu à chauffer l'obligeant à faire appel à un fluide intermédiaire dit frigorigène utilisé dans le cycle thermodynamique fermé d’une pompe à chaleur.

L'énergie prélevée par la géothermie superficielle dite de moindre importance bénéficie des apports solaire ce qui lui donne son caractère renouvelable ce qui, selon certains experts, n'est pas le cas de la géothermie profonde des nappes captives  Le terme de "minime importance" utilisé par le BRGM pourrait de ce fait être inadapté  pour ce qui concerne les premiers mètres de la couche terrestre par le fait que ces premiers mètres bénéficient de l'apport thermique dû à l'interaction nucléaire forte beaucoup plus puissante que celle lié à l'interaction dite faible.

Alors qu'il est possible de disposer pratiquement de toute l'énergie thermique  naturelle prélevée dans la nappe captive de la géothermie des nappes profondes sans apport d'énergie primaire, l'aquathermie superficielle des nappes libres est moins performantes à ce niveau. Ceci dans la mesure où une quantité d'énergie primaire non négligeable est nécessaire pour assurer le chauffage de l'habitat. Cette énergie primaire est heureusement relativement faible comparativement à l’énergie naturelle prélevée dans l’environnement. Quand l'on connait la mission qui a été  confié au préfet dans le cadre du PREH on mesure combien ce dernier devrait se sentir  concerné  et disposé à mettre en place les structures juridiques facilitant la mise en place de ces réseaux d'eau chaude non potable permettant aux populations urbaines de se chauffer économiquement en préservant notre environnement et en faisant en sorte que profonde ou superficielle les techniques utilisant  la géothermie deviennent un mode de chauffage de l'habitat couramment utilisé dans nos villes. Les préfets devraient ainsi selon les Lutins thermiques jouer un rôle moteur en conseillant à leur municipalité de mutualiser la délivrance d’eau non potable (ENP) aux immeubles de nos cités. Ceci que ces réseaux soient En le faisant ils seront incontestablement valorisés par rapport à ceux qui ne font rien. Il leur appartient probablement aussi d’orienter plutôt les solutions vers les PAC collectives. Ceci afin de soulager l’association formée par syndic-syndicat des copropriétaires et de réduire la taille des réseaux d’alimentation. Il est temps de prendre en compte l’orientation économique préconisé par Thomas Piketti « Il est plus que temps de mettre la question des inégalités au cœur de l’analyse économique »

COMPLEMENT TECHNIQUE

TRANSFERT THERMIQUE ENTRE LES DEUX RÉSEAUX
Avec un débit de 3000 m3/h  compatible avec les plus gros échangeurs à plaques la puissance maximum transmise est en pratique voisine de

P= 1,16 Q × DT =1,16 x 3000 x 10 = 34 800 kW  (35 MW)*. Ceci avec un DT moyen de 10 °C entre le primaire et le secondaire.

CAS du RÉSEAU PROFOND HAUTE TEMPERATURE(HT)
Pour 80 °C à l'entrée des groupes d'immeubles et 30 °C au rejet c'est une puissance restitué vers les immeuble de
P= 1,16 x 3000 x 50 = 174 000 kW Soit sensiblement 174 000/500 = 348 immeubles comme celui du « cas pratique » (environ 20 000 foyers)

RÉSEAU SUPERFICIEL BASSE TEMPERATURE(BT)
Si le débit pompé dans le fleuve ou dans la nappe libre est le même que celui provenant de la nappe profonde on se retrouve avec un DT de 10°C et aux déperditions thermiques près dans l'échangeur à plaques EP  on peut dire que la puissance récupérée dans l'énergie fatale du réseau profond est 5 fois plus faible et égale à 174 000/5 = 34 800 kW
en réchauffant de 10 °C la température à la source froide du réseau BT la température passe à 20 °C à l’entrée des évaporateurs et le COP pratique du réseau superficiel à 8
En prenant comme hypothèse que l'eau de rejet vers la nappe libre ou le fleuve est de 5°C la puissance prélevée dans l'environnement par les évaporateur des PAC est de P= 1,16 x 3000 x 15 = 52 200kW
On peut à partir de ce chiffre et de la définition du COP calculer la consommation électrique E des compresseurs logés dans les chaufferie de ces immeubles.
On a (52 200 + E)/E = 8 soit 7E = 52 200 kW et E = 7457 kW
soit une puissance thermique disponible proche de 60 000 kW pouvant répondre au besoin thermique de 120 immeubles de même taille que ceux du réseau HT
On observe en comparant le NB d'immeubles alimentés par chacun des deux réseaux que le réseau superficielle est bien selon les termes du BRGM un réseau de moindre importance

Bilan financier  global d'une telle structure de chauffage urbain

Le bilan financier d’un réseau double de ce type est étonnant. On constate en effet que la consommation globale en énergie primaire électrique pour assurer le confort thermique de 348 +120= 468 immeubles semblables  au "cas pratique" est très faible et proche de (7457 x 8 760)/2,5 = 26 129 000 kWh soit 556 kWh par foyer fiscaux. Avant même que les travaux d’isolation ne soient entrepris un tel réseau peut donc assurer le besoin thermique de 46 800 foyers fiscaux vivant dans un logement comparable à l’appartement témoin du cas pratique (67 m² habitable). Ceci en assurant leur besoin en chauffage et ECS. On arrive avec un KWh électrique facturé au syndic pour le collectif à 5 cts le kWh à une dépense ridiculement basse de moins de 30€. Prix à comparer à la dépense qu'aurait à supporter ces immeubles s'ils étaient tous équipés de chauffage individuel par effet joule. Dans ce cas la dépense par foyer fiscal serait proche de  (850 000 × 0,15**)/100 =1275€ au lieu de 30

*Sur la base des informations INSA-Alfa Laval (Il s’agit d’une valeur extrême plusieurs échangeurs pouvant en pratique être disposés en //.
**Sur la base d'un prix du kWh facturé 3 fois plus cher au particulier par Engie à 0,15 cts d'€ le kWh