Géostructures thermiques - Présentation du fonctionnement thermique et mécanique

La chaleur présente dans les sols et dans les roches est connue et exploitée depuis très longtemps.

Au cours du 20^e siècle, l’exploitation des ressources thermiques des terrains s’est largement développée et a donné naissance à la géothermie. Plusieurs types de géothermie existent selon la profondeur à laquelle est exploitée la ressource thermique du terrain. La géothermie très basse énergie concerne les premières centaines de mètres de terrain et permet d’exploiter la ressource thermique de ce dernier pour chauffer ou refroidir des bâtiments. L’exemple le plus simple d’application est le puits canadien. De l’air circule dans un tuyau à quelques mètres de profondeur et débouche dans une habitation. En été, il permet de refroidir l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se refroidit et, en hiver, il permet de chauffer au moins partiellement l’habitation car, en circulant dans le tuyau, il se réchauffe. Bien que la température du terrain augmente avec la profondeur sous l’effet du gradient thermique naturel, cette technique montre que la température du sol reste sensiblement constante depuis la surface du terrain et jusqu’à plusieurs dizaines de mètres de profondeur.

D’autres techniques se sont ensuite développées en exploitant ce constat. On peut citer : les doublets géothermiques sur nappe, les sondes géothermiques et les géostructures thermiques. Toutes ces techniques mettent par ailleurs en œuvre une pompe à chaleur et l’idée est d’utiliser le sol comme une source chaude (c’est-à-dire un milieu permettant l’extraction de chaleur) ou une source froide (c’est-à-dire un milieu permettant l’injection de chaleur) pour produire du chaud ou du froid.

Dans un doublet géothermique, c’est l’eau de la nappe circulant dans le terrain qui sert de source chaude ou froide. De l’eau est pompée à un endroit dans le terrain à partir d’un puits d’extraction et est rejetée à un autre endroit dans le terrain à partir d’un puits d’injection. L’écoulement de la nappe aux abords des deux puits joue un rôle prépondérant et différentes questions relatives aux interactions entre ces deux puits sont à considérer.

Pour une sonde géothermique, le principe est de faire circuler un fluide caloporteur dans un forage à l’intérieur d’un tube échangeur de chaleur, puis dans une pompe à chaleur. En été, le fluide injecté a, par exemple, une température de l’ordre de 30 °C et est extrait à une température de 25 °C. Le froid est alors produit par la pompe à chaleur. En hiver, le fluide est injecté, par exemple, à une température de l’ordre de 4 °C et est extrait à une température de 8 °C et la chaleur reste toujours produite par une pompe à chaleur. Les coefficients de performance atteints (rapport entre la puissance extraite et la puissance permettant le fonctionnement de la pompe à chaleur) sont de l’ordre de 3 à 5.

À certaines périodes de l’année, notamment au printemps et en automne, il est possible de ne pas faire appel à la pompe à chaleur. Par exemple, le fluide injecté peut avoir une température de l’ordre de 19 °C et être extrait à une température de 14 °C, on parle alors de geo-cooling ou de free-cooling.

Pour les géostructures thermiques, appelées aussi « géostructures énergétiques » ou « géostructures thermoactives », le principe est de faire circuler le fluide caloporteur dans un pieu, un panneau de paroi moulée ou un voussoir de tunnel. L’idée est de faire l’économie d’un forage dédié à la géothermie et de lier directement le tube échangeur aux cages de ferraillage des pieux ou des parois moulées. La technique des géostructures thermiques est née en Autriche dans le courant des années 1980 et a connu dans le courant des années 2000 et jusqu’à maintenant un intérêt considérable porté par la nécessité de développer des énergies renouvelables. Cette technique présente un comportement complexe car elle permet d’utiliser des ouvrages géotechniques à la fois comme éléments de fondation ou de soutènement avec un rôle mécanique évident et comme structures d’échanges thermiques. Les enjeux de conception et de dimensionnement de ces structures obligent à décrire précisément le comportement de celles-ci sur les plans thermiques et mécaniques.

Une présentation sur la manière d’appréhender ces problématiques et les bases de justification vis-à-vis des aspects thermiques et mécaniques est proposée dans cet article.