Grâce à la supervision de la télégestion du réseau de chaleur géothermique, le monitoring, et la gestion à distance, les installations géothermiques sont surveillées en permanence, mesure des pertes de charge géothermique, gestion des données et régulation, ce qui permet de contrôler leur bon fonctionnement du réseau, de veiller en continu au niveau de la température et d’adapter la chaleur à la demande des usagers.

D’où vient cette chaleur ?

Elle vient du passé, lorsqu’il y a 4,55 milliards d’années, des poussières se sont assemblées pour donner naissance à la Terre. Plusieurs couches composent la structure interne du globe, avec au centre un noyau, puis des roches, tous chargés en radioactivité.
Ce qui cause la chaleur dégagée par notre globe est la désintégration de la radioactivité de ces roches (90%) et, dans une moindre mesure, le refroidissement du noyau.
La surface de la Terre est également réchauffée par l’énergie du soleil, mais elle permet de réchauffer seulement les premiers mètres du sous-sol. Ainsi, la température moyenne au niveau du sol tout au long de l’année est de 18 à 22° C puis, au-delà de plusieurs de dizaines de centimètres, au fur et à mesure que l’on s’enfonce, elle augmente en moyenne de 3,3° C tous les 100 mètres (c’est ce que l’on appelle le gradient géothermal). Les roches peuvent ainsi atteindre 140° C à 4 000 mètres de profondeur !
Voilà une chaleur disponible 24 heures sur 24, 365 jours par an, qui ne dépend ni du climat, ni des saisons, ni du jour ou de la nuit. Pour peu qu’on sache correctement l’exploiter, nous avons donc sous les pieds une réserve d’énergie quasi-inépuisable car réapprovisionnée en permanence ! De plus, elle permet d’être indépendant au niveau énergétique par rapport à un pays tiers, ce qui n’est pas le cas aujourd’hui avec les énergies fossiles. Avec la géothermie à très basse (température inférieure à 30° C) et basse énergie (température entre 30 et 90° C), on récupère la chaleur du sous-sol pour l’exploiter directement ou grâce à des pompes à chaleur. Elle servira à chauffer des maisons, des immeubles, des piscines.

La géothermie, une énergie renouvelable au cœur de la transition énergétique. La géothermie permet la production d’énergie locale et l’optimisation de la consommation énergétiques dans les territoires. Par ailleurs, l’énergie géothermique n’émet quasiment pas de CO2 et génère très peu de nuisances (bruit, odeur, fumée) pour les riverains.

La chaleur géothermique

La chaleur géothermique est une source d’énergie populaire dans les maisons indépendantes. Dès que possible et lorsque cela s’avère rentable, tous les systèmes de traitement de l’air intérieur doivent pouvoir exploiter l’énergie solaire gratuite et écologique stockée dans le sol.
Un serpentin est relié à son propre circuit de terre ou au circuit de terre d’une pompe à chaleur géothermique et peut faire office de serpentin de préchauffage et de prérefroidissement du système de ventilation.
▣ Le système de ventilation nécessite moins de puissance de chauffage et de refroidissement, permettant ainsi d’économiser de l’argent au moment de l’acquisition.
▣ L’exploitation de l’énergie géothermique gratuite permet de réduire significativement la consommation d’énergie lors du chauffage et du rafraîchissement par ventilation.
▣ Rafraîchit légèrement l’air insufflé pendant l’été.
▣ Fait office de système d’appoint idéal pour toute solution de chauffage.
▣ Convient également pour les bâtiments anciens.
▣ Fait office de pré-filtre pour l’air extérieur et allonge la durée de vie utile des filtres du système de ventilation.
▣ Rafraîchissement géothermique CG – un rafraîchissement par ventilation économique.
▣ Les établissements équipés de pompes à chaleur géothermiques peuvent exploiter le fluide refroidi du circuit de terre pour refroidir l’air insufflé dans le bâtiment en été. Pour plus d’efficacité, le fluide doit pouvoir circuler dans un puits foré.
▣ L’exploitation du fluide refroidi de la pompe à chaleur géothermique pendant l’été permet de bénéficier quasiment gratuitement d’une source d’énergie pour rafraîchir l’air insufflé. La fraîcheur est stockée dans le puits foré ou le substrat rocheux.
▣ Le rafraîchissement géothermique CG offre une solution de rafraîchissement écologique sans occasionner une quelconque hausse de la consommation d’énergie.
▣ De plus, le substrat rocheux ou le puits foré stocke la chaleur du bâtiment pendant l’hiver, améliorant ainsi l’efficacité de chauffage de la pompe géothermique..

La géothermie, une énergie renouvelable au cœur de la transition énergétique. La géothermie permet la production d’énergie locale et l’optimisation de la consommation énergétiques dans les territoires. Par ailleurs, l’énergie géothermique n’émet quasiment pas de CO2 et génère très peu de nuisances (bruit, odeur, fumée) pour les riverains.

Les technologies de géothermie

Deux technologies sont possibles. La géothermie (avec sondes à eau glycolée) ou l’aqua thermie (à l’aide de plusieurs forage dans l’aquifère (voir schéma ci-dessous) : (forage(s) de production et forage(s) de réinjection). Les sondes géothermiques verticales (SGV) sont préférées quand l’aquifère ne donne pas satisfaction (soit de par sa faible productivité ou sa profondeur). Dans le cas des sondes, il faudra une bonne conductivité thermique et une bonne stabilité du sous-sol pour transférer les calories à l’eau glycolée circulant en boucle fermée dans des tubes polyéthylènes. Une étude permet de vérifier que les besoins en chaud ou en froid de l’entreprise sont en adéquation avec la ressource géothermique disponible, de définir les équipements, le fonctionnement de l’ensemble, d’analyser le coût du projet, de le comparer avec une solution traditionnelle de référence, d’analyser les aides financières mobilisables et d’évaluer le temps de retour sur investissement.

Avec ou sans pompe à chaleur

La température quasi constante du sous-sol (10 à 15°C) transformée en énergie thermique par les sondes ou l’aquifère est amplifiée à l’aide d’une pompe à chaleur (PAC). Grâce à la PAC, la géothermie est très bien adaptée aux besoins de chaleur allant jusqu’à 50-55°C. En mode rafraîchissement, la PAC peut être (ou non) by-passée et on réalise alors du geocooling, aussi appelé freecooling. Une thermo frigo pompe peut être envisagée pour produire en même temps du chaud et du froid.

Entretien et durée de vie

L’installation avec entretien a une durée de vie de 20 à 30 ans.L’entretien comprend un entretien annuel de la PAC (comme pour une installation de climatisation), un entretien des circuits hydrauliques de chauffage ou de refroidissement (à l’identique d’une solution de chauffage traditionnelle). La géothermie n’a pas de coût lié à l’entretien de la combustion ou au ramonage. Une visite annuelle de diagnostic est prévue pour le forage et éventuellement un nettoyage d’une journée.

Retour sur investissement

L’énergie restituée équivaut à 75% d’énergie gratuite à vie et 25% d’énergie consommée par la Pompe à chaleur (en mode chaud). Dans bien des cas, la géothermie permet de réduire par 4 les coûts d’énergie en mode Propane, par 3 en mode fuel, par 2 en mode gaz de ville, par 3 à 4 en mode chauffage électrique, par 7 en mode rafraîchissement électrique ! Avec l’inflation des coûts de l’énergie, le surinvestissement géothermique de départ fait ensuite faire à l’entreprise des économies certaines et conséquentes.

Aérothermie ou Aquathermie ?

Dans les 2 cas de figures, le principe de la conservation de l'énergie permet de comprendre que le système formé par la pompe à chaleur et son dispositif externe envoi du froid vers l'air environnant ou vers le sous-sol. Ce transfert thermique revient à envoyer de la chaleur vers l'habitation. Les performances du dispositif appelé aussi COP "Coefficient de performances d'une pompe à chaleur" (On ne peut pas parler de la pompe à chaleur sans parler du coefficient de performance qui correspond au rapport entre l'énergie produite par la PAC et et l'énergie fournie) est meilleur lorsque la température de la source dite froide (L'air, le sol ou l'eau contenu dans celui-ci) est proche de celle de la source dite chaude (la température à l'intérieur de l'habitation).

Aérothermie - Technique de l'air (COP de 2,5*)

Le rendement des pompes à chaleur aérothermiques (dite aussi à air) s’améliorent lorsque la température extérieure est plus clémente. (voir ci-dessous). On peut améliorer le COP de la pompe à chaleur en faisant circuler préalablement l'air externe dans le sol pour le réchauffer.
On se demande d'ailleurs pourquoi les techniques telles que le puits canadien ou provençal ne sont pas associées plus souvent aux PAC à air. Ne pourrait-on pas utiliser l'air chaud et pollué du métro parisien afin d'améliorer de façon significative le COP de la pompe à chaleur tout en régénérant l'air bien polluée qui s'y trouve.

Aquathermie (PAC sur nappe) (COP de 5 à 6)

L'aquathermie est une technique utilisant l'eau. Le mode de chauffage par pompe à chaleur sur nappe libre, du fait de la grande chaleur spécifique de l'eau et de sa température de l'ordre de 12°C est le mode de chauffage idéal pour réduire les frais d'exploitation. Dans ce cas, l'eau de la nappe phréatique ou de la rivière est pompée directement et renvoyée vers la pompe à chaleur avant d'être rejetée dans la nappe ou la rivière. Les habitations situées en bordure de la mer dans les marinas ou proches d'un lac peuvent tirer profit de la présence de l'eau à proximité. On peut aussi tirer avantage de la proximité de son habitation par rapport à la rivière dans les zones de plaines en utilisant ce type de PAC . Particulièrement en ville, lorsque le pompage et le rejet est proche de l'habitation, une étude de faisabilité par un spécialiste en hydrogéologie peut être souhaitable pour rassurer le maître d’œuvre sur le risque éventuel de réduction de la capacité portante du sol à l’aplomb de l'habitation. Très intéressante du fait de son bon rendement, cette solution doit donc faire l'objet d'une étude de mécanique des sols tenant compte du rabattement à proximité de l’exhaure ou inversement de la surélévation de celle-ci à l’emplacement du rejet.

La pompe à chaleur, ou PAC, est un système fonctionnant à l’électricité qui permet de valoriser une énergie puisée dans une source naturelle. Ces « sources » sont de différentes natures.
Une PAC peut ainsi puiser les calories dans la terre (géothermie), dans les nappes d’eau souterraines (aquathermie) ou encore dans l’air (aérothermie) pour les restituer dans un logement. Mais cette exploitation d’énergies renouvelables nécessite un apport en électricité pour le fonctionnement de la pompe.

La technologie solaire thermique à basse température

La technologie solaire «active» : traditionnellement, ce terme désigne les applications à basse et moyenne température. Des capteurs solaires thermiques sont installés sur les toits des bâtiments. Un capteur solaire thermique est un dispositif conçu pour recueillir l'énergie provenant du Soleil et la transmettre à un fluide caloporteur. La chaleur est ensuite utilisée afin de produire de l'eau chaude sanitaire ou bien encore chauffer des locaux.
La technologie solaire «passive» : toujours dans le domaine de la basse température, on peut également citer les installations solaires passives. Par opposition aux applications précédentes, celles-ci ne requièrent pas de composants dits actifs (les capteurs solaires). Ces applications reposent sur des concepts de génie civil et climatique impliquant une architecture adaptée et l’emploi de matériaux spéciaux. L’utilisation passive de l’énergie du Soleil permet de chauffer, d’éclairer ou de climatiser des locaux.

La technologie solaire thermique à haute température

La technologie solaire concentrée ou « thermodynamique » : ce procédé fournit de la chaleur haute température (de 250 à 1 000°C) par concentration du rayonnement solaire. Ce pouvoir calorifique est utilisé pour actionner des turbines à gaz ou à vapeur afin de produire de l’électricité.

Fonctionnement technique ou scientifique

Les types de panneaux solaires thermiques diffèrent selon la nature du fluide caloporteur qui transporte la chaleur : de l’eau ou de l’air. Les capteurs solaires à eau sont utilisés pour le chauffage et/ou pour produire de l'eau chaude sanitaire. Dans les capteurs thermiques à air, l'air circule et s'échauffe au contact des absorbeurs. Il est ensuite ventilé dans les habitats pour le chauffage.
Les capteurs solaires peuvent également se différencier par leur structure :
les capteurs plans non vitrés : leur structure est assez simple, puisque composée d’un réseau de tubes plastiques noirs où circule le fluide caloporteur. Ils sont utilisés essentiellement pour le chauffage de l'eau des piscines en été ;
les capteurs plans vitrés : le fluide caloporteur, très souvent de l’eau mélangée à un antigel, passe dans un circuit en serpentin placé derrière une vitre ;
les capteurs à tubes sous vides : le fluide caloporteur circule à l'intérieur d'un double tube sous vide. Le principe est le même que pour les capteurs plans vitrés, l’isolation étant simplement assurée par l’absence de molécules d’air (sous vide).

Les solutions "actives"

Elles consistent à accroître les qualités intrinsèques d’un bâtiment afin d’optimiser l’utilisation des énergies qui lui sont fournies.

L’architecture :
▣ De nombreux paramètres peuvent être pris en compte lors de la construction d’un bâtiment, par exemple :
▣ Son orientation et sa capacité à profiter de l’énergie lumineuse, à capter et à se protéger de l’énergie solaire (architecture bioclimatique, matériaux de surface).
▣ Une isolation thermique renforcée, par exemple grâce à des faux plafonds empêchant le recours à l’inertie thermique, des matériaux comme la laine minérale, des doubles vitrages à isolation renforcée ou fenêtres pariéto-dynamiques (qui permettent à l’air provenant de l’extérieur de se réchauffer en circulant entre deux vitrages dont l’un peut être double). L’isolation thermique par l’extérieur "manteau isolant", permet de diminuer les pertes thermiques de la paroi jusqu’à 80%.
▣ Une meilleure étanchéité générale du bâti à l’air (air parasite notamment dû aux liaisons façades-planchers surtout entre les façades et les menuiseries ou aux passages des équipements électriques). L’installation de boîtiers d’encastrement étanches et d’obturateurs peut réduire de plus de 90% les fuites d’air (jusqu’à 15 kWh/m2/an d’économie) selon le type d’isolation du bâti.
▣ Des systèmes de ventilation plus performants. Les ventilations mécaniques contrôlées à double flux permettent de réduire les pertes d’énergie jusqu’à 70% par rapport à des ventilations classiques à simple flux.

Le système de chauffage :
▣ Le chauffage absorbe environ 2/3 de l’énergie totale consommée dans un résidentiel pour des bâtiments anciens. Des systèmes plus performants sont développés :
▣ Les chaudières à condensation (récupération d’énergie en condensant la vapeur d’eau des combustibles et taux plus faible de rejets polluants) et basse température (fonctionnant avec de l’eau variant entre 30 et 75°C) consomment 12 à 20% d’énergie en moins que les installations classiques.
▣ des systèmes de chauffage à base d’énergies renouvelables (pompe à chaleur ou systèmes solaires) peuvent également être installés. Différents types de chauffages biomasse utilisant le bois comme combustible présentent des hauts rendements (jusque 95%).
▣ les chaudières à cogénération permettant de produire de l’énergie électrique en même temps que de l’énergie thermique. Elles peuvent générer des économies en énergie primaire d’environ 20% mais leur rendement électrique est faible et répond mal aux besoins.
▣ En 2010, plus de 40 % des économies d'énergie sont réalisées grâce à l'installation de systèmes de chauffage peu consommateurs en énergie et 13% grâce aux travaux d'isolation.

L’équipement électrique :
▣ L'éclairage et l'électroménager absorbent 15% de l'énergie consommée dans le résidentiel. Des lampes économiques (fluorescentes ou leds) permettent de réaliser une économie d’énergie supérieure à 50% par rapport à des lampes à incandescence (en revanche, elles ne créent pas de chaleur comme les lampes à incandescence). L’électroménager disponible en 2011 consomme près de 40% moins d’électricité en moyenne que les appareils commercialisés en 2000. La consommation électrique des réfrigérateurs et des congélateurs a été divisée par 3 entre 1999 et 2009, notamment grâce à une meilleure circulation du froid et à des compresseurs plus performants.

Les solutions "actives" : La domotique et la GTB

Les solutions d'efficacité énergétique actives se rapportent à la gestion de l’énergie, la domotique, l'immotique ou encore la gestion technique du bâtiment (GTB).
Les solutions d’efficacité énergétique actives ont pour objectif de superviser, gérer et optimiser le fonctionnement des systèmes et des équipements afin de diminuer la consommation d’énergie, d'améliorer l'efficacité énergétique du bâtiment et améliorer la qualité de l’énergie en consommant l’énergie "juste nécessaire" permettant ainsi de réduire la facture énergétique.

Les systèmes technologiques "intelligents"
▣ Les systèmes dits intelligents: La domotique, les solutions immotiques (GTB), est l'umotique permettent de mesurer, de contrôler et de réguler la consommation électrique des bâtiments tertiaires et industriels (capteurs de température, de présence pour l'éclairage, d’émissions de CO2 pour la ventilation, etc.) et d’éviter ainsi les consommations inutiles.
▣ Des systèmes de chauffage électrique intelligents intègrent les systèmes domotiques et immotiques, la gestion technique des bâtiments - GTB, des systèmes de régulation électronique détectant l’ouverture de fenêtres (économie d’énergie de 4% à ce poste) ou les présences dans l’habitat (gain potentiel de 12% à ce poste). Ces solutions intelligentes pourraient réduire de 10 à 20% la consommation d’énergie globale d’un immeuble.

L'enjeu par rapport à l'énergie

Les professionnels du bâtiment face aux enjeux énergétiques
La réglementation thermique RT 2012 fixe pour les constructions neuves un seuil maximal de consommation d’énergie primaire de 50kWh/m2/an en moyenne (base pondérée par la situation géographique et l’altitude) qui correspond à la norme BBC (Bâtiment Basse Consommation). Elle est beaucoup plus ambitieuse que la précédente réglementation (RT 2005) qui impose une consommation moyenne maximale d’énergie de 120 à 220 kWh/m2/an pour les bâtiments construits après 2005.

La performance énergétique

La performance énergétique est marquée dans l'étiquette énergie.
La performance énergétique se traduit au préalable par le DPE ou diagnostic de performance énergétique qui positionne le logement ou le bâtiment dans une échelle énergétique allant de A à G, appelée également "étiquette énergie", qui indique le niveau de consommation de chauffage, d'eau chaude sanitaire, et de climatisation. Le DPE positionne également le niveau de pollution en indiquant dans une échelle le taux d'émission de gaz à effet de serre (GES).

Performance énergétique et réglementation "environnementale" !

La performance énergétique dans le bâtiment amène celui-ci de part la réglementation thermique, notamment la RT 2012, vers le niveau du bâtiment basse consommation BBC, puis certainement en 2020 vers le bâtiment à énergie passive, et le batiment à énergie positive (BEPOS, batiment qui produit plus d'énergie qu'il n'en consomme). Les labels de haute performance énergétique HPE, et THPE sont les bases qui permettent d'obtenir des constructions très économes et très peu polluantes.L'efficacité énergétique passive (isolation, ventilation et équipements de chauffage) associée à l'efficacité énergétique active (régulation, gestion de l'énergie, domotique et GTB) mènent à la performance énergétique globale de la construction. Autant l'efficacité énergétique qualifie la performance d'une chaudière, d'une pompe à chaleur, d'un circulateur à vitesse variable, d'un équipement technique, autant la performance énergétique est liée à la conséquence en termes de consommation annuelle, en énergie primaire, en énergie finale et en facture énergétique.

Un des piliers réglementaires et de la transition énergétique

La réglementation thermique fixe désormais dans sa nouvelle version, la RT 2012, un niveau de performance énergétique à atteindre en KWh d'énergie primaire par m2 Shon et par an. Cinq usages sont concernés par la limitation énergétique de la RT 2012. Les consommations énergétiques des usages suivants sont réglementairement à limiter pour toute prochaine construction neuve: le chauffage, la climatisation, l'eau chaude sanitaire, l'éclairage et la consommation électrique des auxiliaires (ventilateurs VMC, ..., pompes de chauffage, ...).

Les réseaux intelligents dans la production

Les réseaux intelligents dans la production permettent de piloter les besoins énergétiques de manière ciblée. Les entreprises industrielles savent déjà limiter le plus possible les variations de puissance. Dès qu’une entreprise réussit à maintenir constante sa consommation énergétique, il est possible de l’augmenter ou de l’abaisser en partie en fonction des besoins. Entre l’accumulation de chaleur et la mise en œuvre de ressources énergétiques alternatives, il existe plusieurs possibilités pour contrôler les besoins énergétiques qui apporteront leur contribution à double titre: dans les pays qui disposent d’une réserve élevée d’énergies renouvelables, les sites de production peuvent mieux réagir aux surcapacités et aux sous-capacités du réseau. Les réseaux intelligents permettent aux régions approvisionnées en énergie de manière classique d’éviter les pannes d’électricité, parce que les usines fonctionnent temporairement à un niveau d’énergie plus faible et au moyen de leurs propres ressources, comme une centrale combinée de chaleur et d’électricité.

Les facteurs favorables à l’efficacité énergétique

Tout d’abord, les avantages en termes de coûts, qui peuvent atteindre un pourcentage à deux chiffres sur les coûts de l’énergie, surtout par une entreprise n’ayant pas pris de dispositions jusqu’à présent. Ensuite, les clients s’intéresseront au type d’énergie avec lequel un produit a été fabriqué. Enfin, le principal facteur restera la pression exercée par la société et par les dispositions légales. Pour atteindre les objectifs d’émissions décidés dans l’accord de Paris sur le climat, il ne suffit pas d’agir uniquement du côté de la production d’énergie. Les directives ne pourront être respectées que si l’efficacité énergétique progresse de manière considérable. La réglementation va sans doute être renforcée dans les prochaines années. Il est certain que les prix de l’énergie seront plus volatils. Les sites efficaces en énergie seront moins touchés par ces fluctuations et seront donc plus indépendants. Avec les réseaux industriels intelligents, les entreprises efficaces en énergie pourront même tirer parti de ces fluctuations...
Le professeur Alexander Sauer dirige depuis 2015 l’institut pour l’efficacité énergétique dans la production (EEP) de l’université de Stuttgart.

L’IoT, la domotique et l'éfficacité énergétique

Chez les particuliers, de nombreuses applications existent, comme le pilotage des lumières ou les prises connectées, mais c’est le pilotage à distance des chaudières gaz individuelles qui domine. Grâce à un actionneur installé sur la chaudière et à un thermostat placé dans le logement captant la température, parfois l’humidité ou la présence, le chauffage est piloté selon un planning prédéfini. Celui-ci est créé par le client ou par auto-apprentissage, mais aussi grâce à des informations de géolocalisation (thermostat Ween) ou par détection de fenêtre ouverte. L’intérêt de ce service est double : le confort et les économies.

Au-delà du pilotage, l’affichage des consommations en temps réel incite à maitriser ses dépenses d’énergie, un système d’affichage déporté de consommation électrique et du coût associé en temps réel.

Du côté des entreprises et administrations, le développement de nouvelles technologies IoT, ainsi que la généralisation du " Big Data " et l’apparition de capteurs à bas coûts a permis l’émergence d’un écosystème d’acteurs de l’efficacité énergétique. Leurs solutions permettent de connecter facilement des bâtiments afin les rendre "intelligents". Au travers de multiples capteurs (électricité, eau, présence, lumière...) dont les données sont consolidées et centralisées, ces "Smart Building" vont détecter et agir sur les gros postes consommateurs d’énergie ou d’eau. Des fonctionnalités de maintenance prédictive peuvent également être mises en place comme le propose Verdigris en détectant les hausses de consommation des appareils qui présagent une défaillance prochaine. Ainsi l’IoT représente un outil puissant pour réaliser des économies à l’échelle d’un bâtiment, cela permet aux acteurs du marché B2B d’offrir des solutions rapidement rentables et adaptées aux différents clients.

Comment fonctionne un objet connecté ?

Qu’elles soient à destination du grand public ou des entreprises, ces solutions utilisent le potentiel de l’IoT qui présente des problématiques inédites se déclinant sur les couches suivantes : Hardware/software. les capteurs physiques et les objets connectés effectuant des mesures ou pilotant d’autres objets, la Connectivité qui permet de transmettre les données captées ou les ordres de pilotage vers/depuis une plateforme IoT, la Plateforme IoT qui permet de gérer les objets et donner de l’intelligence aux données échangées et enfin, la couche Service ou métiers qui permet la restitution et appropriation des données et des opérations à distance sous un format facilement compréhensible par et pour l’utilisateur final.