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Avec leur coefficient de performance de 6 à 12, les pompes à chaleur géothermiques ont un fort potentiel.

Créer une énergie propre qui utilise la chaleur du sous-sol

Composition et texte / Rédaction JQR Photos / Tomoya Takai Collaboration / Université de Yamanashi

L’une des problématiques les plus pressantes de l’humanité est la garantie d’une énergie propre qui ne produise pas de CO2. Les énergies naturelles - le solaire et ou l’éolien - sont de plus en plus utilisées mais elles ont l’inconvénient de ne pas être des sources d’énergie stables. Le professeur d’ingénierie mécanique Tetsuaki Takeda, de l’université de Yamanashi, donne un coup de projecteur à la source d’énergie stable qu’est l’énergie géothermique.

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(En haut) Le professeur Takeda explique les caractéristiques de la géothermie de surface. (En bas) Une pompe à chaleur géothermique installée à côté de son laboratoire et utilisée pour sa climatisation.

L’énergie est indispensable à nos vies. Elle fait tourner nos machines et inonde notre vie quotidienne de ses bienfaits. Le revers de la médaille est
l’aggravation du réchauffement climatique :
l’environnement de notre planète est aujourd’hui sans nul doute entré dans une phase critique.
C’est dans ce contexte que progressent les tentatives d’utilisation de l’énergie géothermique, une source d’énergie ayant la stabilité qui fait défaut à l’énergie solaire ou éolienne. La pompe à chaleur géothermique est une technologie de climatisation très efficiente : elle permet de puiser de l’énergie sous nos pieds, dans le sol, avec un rendement 10 fois supérieur à
l’énergie utilisée pour l’extraire.

Commentaire 1
Distinguons ici deux types de géothermie: la géothermie en général et la géothermie de surface. La géothermie est un terme générique utilisé pour désigner la chaleur contenue à
l’intérieur de la terre. La géothermie de surface est une source de chaleur de température basse (entre 15 et 20°C) issue des couches superficielles du sous-sol situées jusqu’à environ 100 m de profondeur. C’est une source d’énergie stable dont la température ne varie pas au cours de l’année.

La chaleur du sous-sol est stable toute l’année

Peu de gens connaissent la température des profondeurs du sol sous leurs pieds. Prenons par exemple le campus de
l’université de Yamanashi à Kofu. Son sous-sol est à température annuelle constante de 18,3°. Le sol est chauffé par le soleil jusqu’à une profondeur
d’environ 10 mètres, mais en-dessous de cette profondeur, la température reste quasiment invariable le jour comme la nuit et quelle que soit la saison. Dans la ville de Kofu, les températures peuvent aller de -4°C à 35°C soit une amplitude thermique annuelle de 40°. « Les pompes à chaleur géothermiques sont un système extrêmement efficient qui tire justement profit de cette amplitude thermique », dit Tetsuaki Takeda qui développe et fait des recherches sur les pompes à chaleur utilisant pour la climatisation non pas
l’aérothermie mais la géothermie.
Il existe deux types de pompes à chaleur : les conventionnelles, de type indirect, et les pompes à chaleur à détente directe. Les pompes à chaleur conventionnelles sont déjà en activité, notamment dans des grands bâtiments publics tels que le Sky Tree ou encore la mairie de Kofu.
D’après le ministère de l’Environnement, les pompes à chaleur se sont généralisées dans les pays occidentaux. Un million de pompes à chaleur de 12 KW à usage résidentiel sont d’ores et déjà en service aux Etats Unis pour un total de 12 GW, tandis qu’au Japon, cette technologie reste anecdotique avec une capacité totale ne dépassant pas les 62 MW par an.

Températures moyennes à Kofu

Les deux types de pompe à chaleur géothermique

Climatiseur Système indirect Système à détente directe
COP valeur constructeur 4~5
La moyenne est d’environ 3
COP4〜6 COP6〜12
Commentaire 2
Le COP (coefficient de performance) est un coefficient utilisé pour mesurer l’efficacité énergétique des climatiseurs. COP = capacité (kW) / électricité consommée (kW). Il exprime l’efficacité frigorifique et calorifique par kW d’électricité consommé.

Les climatiseurs fonctionnent grâce à un échange de chaleur avec l’air extérieur.

Le fonctionnement des pompes à chaleur géothermiques repose sur le même principe que nos omniprésents climatiseurs résidentiels. Avec le chauffage par climatiseur, une unité extérieure puise la chaleur de l’air du dehors, causant
l’évaporation et la gazéification du fluide frigorigène. Le fluide frigorigène en phase gazeuse passe par un compresseur qui augmente sa pression et est envoyé vers un échangeur de chaleur qui se trouve à
l’intérieur de la pièce où le corps gazeux et condensé, donc liquéfié. C’est à ce stade qu’il cède sa chaleur. Pour rafraîchir une pièce, les circuits sont inversés et le fluide frigorigène circule dans le sens inverse.
Autrement dit, le climatiseur en mode froid va rejeter de la chaleur dans l’air extérieur, et en mode chauffage va au contraire venir l’en extraire. En hiver à Hokkaido, il est impossible d’utiliser les climatiseurs en dessous de 0 car l’appareil ne peut puiser de la chaleur à l’extérieur.
« La chaleur est comme l’eau : elle ne peut couler que du haut vers le bas. En mode climatisation froide, s’il fait 35° dehors, on ne peut rejeter de la chaleur à moins de 35°. »
Ce qui implique que pour rejeter dans l’air extérieur une chaleur supérieure à 35°,
le climatiseur doit chauffer le fluide frigorigène à une température supérieure à 35°. C’est là qu’intervient le compresseur, qui comprime le fluide frigorigène et fait monter sa température. Ainsi, en mode froid, l’unité extérieure va rejeter un air chaud qui est une des raisons du phénomène d’îlot de chaleur dans les zones urbaines.
Les pompes à chaleur géothermiques fonctionnent d’une manière similaire à celle des climatiseurs mais l’extraction et le rejet de la chaleur se font dans le sous-sol et bien sûr sans rejet d’air chaud à
l’extérieur.

Le mécanisme de l’échange de chaleur avec les climatiseurs

Les caractéristiques de la géothermie de surface et les performances de la pompe à chaleur géothermique
  • La chaleur du sous-sol est d’une température quasiment constante toute l’année.
  • Elle est exploitable dans le Japon entier. Le climat et la région n’ont aucun impact.
  • L’utilisation de systèmes à basse consommation contribue à la réduction de la consommation de ressources et d’énergie et à la diminution des émissions de C02.
  • Elle ne rejette pas de chaleur résiduelle dans l’atmosphère en mode climatisation et lutte efficacement contre le phénomène d’ilot de chaleur.
  • Réduction des coûts de fonctionnement grâce à l’utilisation de systèmes haute performance.

Le principe des pompes à chaleur

Comme nous l’avons vu précédemment, il existe deux technologies de pompes à chaleur géothermiques. Avec la technologie indirecte, un échangeur de chaleur échange la chaleur du fluide frigorigène avec une solution antigel qui va circuler dans des tuyaux installés sous terre et échanger sa chaleur avec le sous-sol.
C’est une technologie qui existe depuis longtemps. Elle est dénommée « indirecte » car elle passe par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur. Son défaut ? Le rendement de l’échangeur de chaleur a ses limites.
Une autre technologie est la détente directe, au développement de laquelle travaille le professeur Takeda.
« On fait circuler directement sous terre un substitut de CFC appelé A-401A.
L’échange de chaleur se faisant directement entre le réfrigérant et le sous-sol, il n’y a pas besoin
d’échangeur de chaleur. C’est une méthode excessivement simple et efficace. »
La géothermie est une source d’énergie propre et inépuisable qui n’émet pas de CO2. La chaleur résiduelle étant rejetée à
l’intérieur du sol, elle ne fait pas non plus monter la température des villes. Sur Hokkaido, les climatiseurs sont inutilisables en hiver, mais le sous-sol étant chaud même quand les températures de l’air sont négatives, les pompes à chaleur géothermiques peuvent puiser cette chaleur et l’utiliser pour le chauffage. Cette utilisation de l’énergie n’a que des bons côtés, par contre, pour que cette technologie se généralise, il faudra que les résultats en justifient le coût.

La pompe à chaleur géothermique à détente directe

La différence de température avec un fluide secondaire étant superflue, elle se caractérise par sa faible condensation / compression et sa forte pression / évaporation. Elle comprend peu de composants car elle ne requiert ni pompe, ni échangeur de chaleur ni vase d’expansion et en conséquence, elle consomme moins d’électricité et fonctionne avec un meilleur rendement que la pompe à chaleur conventionnelle. Les travaux d’installation sont simplifiés car elle ne requiert pas de canalisations pour l’eau glycolée, d’où des coûts allégés.

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Performances en termes de coûts d’installation et d’efficacité thermique

Le professeur Takeda opine du chef.
« Absolument. Le problème, c’est le coût. »
D’après M. Takeda, si on fait un calcul avec comme base 1 le coût initial de
l’installation d’un climatiseur, ce coût sera de 2,7 pour une pompe à chaleur géothermique. Le mécanisme de fonctionnement lui-même est simple. Par contre, le forage du sol pour
l’installation des tuyaux revient cher.
Mais une fois installée, la climatisation a des coûts de fonctionnement moindres, soit approximativement 70 à 80% des coûts engendrés par un climatiseur classique pour un modèle indirect et 30% pour un modèle à détente directe.
« En fait, la détente directe a fait l’objet
d’une tentative, il y a plus de 30 ans. A
l’époque, les performances des réfrigérants et des appareils étaient insuffisantes et cela ne s’est pas très bien passé. On
n’arrivait pas à faire circuler du réfrigérant à partir de 50 m de profondeur. Alors on pensait que la détente directe était littéralement de la science-fiction. On avait beau la proposer, personne n’en voulait. »
Les obstacles auxquels faisait face le professeur Takeda, champion de la détente directe, ont été levés il y a environ deux ans avec une expérience qu’il a réalisée. La température ce jour-là était de 38°.
La chaleur étant rejetée dans le sol, les performances en termes de refroidissement et la consommation d’électricité étaient identiques à celles d’une journée plus fraîche. Cette expérience a démontré que le coefficient de performance ne variait pas : autrement dit, même avec la détente directe, les performances de la pompe à chaleur géothermique ne sont pas influencées par l’air extérieur.
« Les obstacles techniques ont quasiment tous été surmontés », dit fièrement le professeur Takeda. Il se concentre dorénavant sur la collecte des données nécessaires en vue de son application pratique, notamment la vérification de
l’impact de la chaleur relâchée dans le sol. Il prévoit également de commencer les démarches en vue de la certification du produit et l’élaboration d’une procédure de maintenance.
Une source d’énergie propre inépuisable repose sous nos pieds. Les pompes à chaleur géothermiques peuvent la puiser et la mettre au service de notre vie quotidienne. Le professeur Takeda poursuit ses recherches, bien décidé à maximiser son efficacité en vue de l’application pratique de cette technologie idéale.

Comparaison des coûts initiaux et des coûts de fonctionnement
Pompe à chaleur aérothermique (climatiseur) Pompe à chaleur géothermique conventionnelle (NB) Pompe à chaleur géothermique à détente directe
Comparaison des coûts initiaux Base 100 270 200
Les coûts initiaux sont environ le double de ceux des climatiseurs
Comparaison des coûts de fonctionnement Base 100 75 30〜40
Les coûts de fonctionnement sont d’environ 1/3 de ceux des climatiseurs

(NB) Source : Les pompes à chaleur et leurs applications (n°81, mars 2011)

Hagibor(Hagihara Boring Co., Ltd.) Président et directeur délégué
Toshio Hagihara

Une énergie prometteuse : la géothermie de surface

Suite au séisme de mars 2011, je me suis demandé quelle était l’énergie la plus stable. Ma conclusion : la géothermie.
C’est là que les choses sérieuses ont commencé. Le problème, c’est que plus on réduit la consommation d’énergie, plus les coûts initiaux deviennent problématiques. Grâce à la collaboration avec l’université de Yamanashi, nous construisons des systèmes plus efficaces. Le système le plus économe en énergie qui restera à la fin est, je pense, la pompe à chaleur géothermique, car c’est le plus stable. Nous poursuivons nos activités de développement en ce sens et nous participons au Programme de soutien aux stratégies régionales d’innovation du ministère de l’Education, de la culture, du sport et des sciences et technologies avec la collaboration de financements du public, du privé et de l’université.

Laboratoire du professeur Takeda Troisième cycle interdisciplinaire de l’université de Yamanashi

Le laboratoire effectue des recherches sur les pompes à chaleur géothermiques à détente directe, la production
d’électricité à cycle binaire utilisant la chaleur résiduelle des sources d’eau chaude ainsi que la thermoélectricité, et travaille au développement de systèmes intégrés dans ces domaines.
Takeda 4-3-11, Kofu-shi, Yamanashi-ken
Tél : 055-220-8415

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