Solution géothermique pour un lotissement de maisons individuelles à Sommerach

Dans la commune bavaroise de Sommerach, on a réalisé pour 35 terrains occupés par 1 ou 2 maisons individuelles une solution à base de courant régénératif pour exploiter la géothermie près de la surface du sol. Le projet visait à établir un lotissement résidentiel caractérisé par des émissions de CO2 neutres, au moyen de systèmes de chauffage et de climatisation sans gaz brûlés, sans poussière fine et sans bruit. À cet effet, la centrale régionale de Basse-Franconie («ÜZ-Mainfranken») a mis en œuvre un concept d'alimentation en «chaleur froide». En collaboration avec le planificateur spécialisé Erdwärme Plus, le fabricant Jansen et l'entreprise de forage Geowell, on a pu proposer une solution complète pour l'électricité et la chaleur. Pour atteindre la puissance de chauffage nécessaire avec des forages en moins grand nombre et peu profonds, on a choisi la sonde géothermique JANSEN powerwave single-u.

La centrale régionale Mainfranken

La centrale Mainfranken est une coopérative énergétique fondée en 1910 suite à une initiative citoyenne, et est établie à Lülsfeld (Bavière). Pour alimenter les foyers en courant et en chaleur, la centrale a mis au point le concept de l'«alimentation en chaleur froide», une désignation qu'elle a définie elle-même. Ce concept s'appuie sur l'exploitation d'un courant généré au niveau régional. Sur la base d’une électricité renouvelable, sans émissions, on fait intervenir des pompes à chaleur pour exploiter l'énergie «froide» près de la surface du sol. La géothermie exploitée est transformée de manière écologique en chaleur de chauffage. Cette technique permet de produire, gratuitement sur le terrain même, ⅘e de l'énergie nécessaire pour le chauffage, le refroidissement et la production d'eau chaude.

⅕e de l'énergie provient, sous forme de courant renouvelable, du réseau. Le concept est assorti d'un système tarifaire adapté. En automne 2018, le fournisseur d'énergie s'est assuré le prix principal du trophée bavarois de l'énergie. La centrale Mainfranken s'est vu décerner la récompense pour le projet «ÜZ – valoriser l'énergie renouvelable». Le réseau de la coopérative d'énergie comprend plus de 6 350 installations qui produisent du courant à partir d'énergies renouvelables.

En collaboration avec les communes, ÜZ-Mainfranken assure en plus la viabilisation thermique de nouvelles zones de construction, l'exploitation de la géothermie près de la surface avec des sondes et la mise en œuvre de pompes à chaleur combinées à des accumulateurs. Le concept global associe l'électricité et la chaleur. Le promoteur dispose d'une source de chaleur clé en main. L'avantage de cette solution pour les communes réside dans l'établissement de lotissements caractérisés par des émissions de CO2 neutres et des systèmes de chauffage et de climatisation sans gaz brûlés, sans poussière fine et sans bruit. Ce concept axé sur la durabilité garantit l'alimentation énergétique de plusieurs générations. Les clients bénéficient d'un pack global du même fournisseur: de l'électricité et de la chaleur à des tarifs très intéressants.

Avec les 35 terrains occupés respectivement par une ou deux maisons individuelles dans la commune franque de Sommerach, la centrale met en œuvre le cinquième projet de ce type (illustration en bas, photographie aérienne). Les besoins en énergie par parcelle s'élèvent en moyenne à 15 000 kWh, ce qui correspond à une puissance de chauffage d'env. 7,5 kW. À cet effet, on a foré 117 sondes géothermiques d'une profondeur de 30, 40 mètres.

35

Terrains

117

Sondes

Photographie aérienne de la localité de Sommerach. Pour 35 parcelles, on réalise un forage géothermique d'environ 4 400 mètres linéaires.

Le défi: la profondeur de forage limitée

Le projet a été planifié au départ avec des sondes géothermiques en double U situées à une grande profondeur. Pendant la phase de projection, les autorités ont cependant imposé une restriction de la profondeur de forage dans la zone à viabiliser. En d'autres termes, pour des raisons hydrogéologiques particulières, la profondeur maximale autorisée pour la géothermie est limitée à 40 mètres.

Comme les sondes géothermiques courantes en double U ont une capacité de transmission de chaleur restreinte et qu'il a fallu limiter le nombre de forages pour des raisons de place, on a mis au point une solution spéciale: des sondes géothermiques dotées d'une plus grande capacité de transmission de la chaleur pour atteindre la puissance de chauffage nécessaire également avec un nombre réduit de forages courts. Sur la base d'un profil géologique et des spécifications techniques du tube annelé JANSEN powerwave, l'entreprise Erdwärme Plus a établi une simulation d'énergie qui a permis une planification réussie du projet. En raison de la meilleure conduction thermique, la sonde géothermique powerwave single-u de Jansen présente des puissances supérieures à celle de sondes courantes. Il est ainsi possible de couvrir les besoins en énergie avec des forages peu profonds.

JANSEN powerwave single-u

La moindre résistance thermique des sondes à tube annelé «powerwave» réduit la perte de température dans le fluide caloporteur qui circule (exemple de calcul).

Comment réaliser des forages moins nombreux et plus courts?

Comment peut-on utiliser la géothermie de manière efficace, durable et rentable? La nature fournit la base: le sol est un excellent accumulateur de chaleur. Année après année, il emmagasine de grandes quantités d'énergie solaire d'une manière naturelle. Dès 2 m de profondeur, la température est en moyenne de 10 °C. Les sondes géothermiques relativement courtes se caractérisent par un haut degré de régénération thermique. L'accumulateur d'énergie est rempli par le haut, année après année. Cette énergie renouvelable peut être utilisée pour le chauffage, le refroidissement et pour la production d'eau chaude. Un facteur important pour le calcul de la longueur de sonde nécessaire est la résistance thermique du forage. Celle-ci indique la puissance de chaleur transmise pour une différence de température définie entre le sol et le fluide caloporteur. Plus la résistance thermique du forage est faible, plus la transmission de chaleur est importante. Le tube annelé JANSEN powerwave se caractérise par une résistance thermique particulièrement faible grâce à la surface plus étendue et à l'écoulement turbulent. Le tube en plastique est le résultat de travaux de recherche-développement menés en collaboration avec des spécialistes du secteur, notamment l'institut des techniques énergétiques (IET) de la Haute école technique de Rapperswil (Suisse).

La longueur des sondes géothermiques, un facteur de coût

L'ondulation extérieure du tube annelé JANSEN powerwave, d'un diamètre de 63 mm, agrandit la surface du tube pour l'échange de chaleur (0,22 m²/m), ce qui facilite considérablement l'exploitation de l'énergie du sol. Parallèlement, l'ondulation intérieure, qui génère un écoulement turbulent du fluide caloporteur même à faibles débits, améliore le passage thermique du tube au fluide en circulation. La puissance des systèmes géothermiques JANSEN powerwave peut être prise en compte lors de la planification du système global. Elle rend les forages géothermiques moins coûteux, ce qui est attesté.

La sonde géothermique powerwave single-u mise en œuvre à Sommerach présente un volume d'accumulation de 4,5 l par mètre de sonde. Ce grand volume permet de stocker provisoirement une plus grande quantité d'énergie. Cela garantit un échange thermique optimal avec le sol, même pendant les temps d'arrêt. Le rendement de la pompe à chaleur augmente nettement, aussi bien à charge maximale qu'en mode intermittent. Le grand diamètre de tube réduit en outre la perte de pression au maximum. Cela diminue la consommation de courant de la pompe de recirculation d'eau glycolée et assure un coefficient de performance annuel plus élevé de l'ensemble de la pompe à chaleur.

Pose des sondes géothermiques à Sommerach

L'entreprise Geowell Erdwärme a réalisé les sondages de façon minutieuse et en douceur. Le montage simple des sondes géothermiques s'est révélé avantageux. Du fait de l'ondulation, le tube est très souple malgré son grand diamètre. JANSEN powerwave est fabriqué à Oberriet en PE 100 RC avancé et supporte ainsi de grandes charges. Les segments de tube lisse co-extrudés tous les 100 cm rendent le sectionnement facile. Cette conception permet une adaptation flexible de la longueur de sonde et un assemblage sûr à l'aide de manchons électrosoudables du commerce. La surface structurée garantit une compression dense et fiable, qui assure une meilleure étanchéité verticale du forage.

La pose de la sonde s'est effectuée avec des dévidoirs courants. Comme le sondage est réalisé en usine, il n'est pas nécessaire d'effectuer ces travaux sur le chantier. L'entreprise de forage disposait d'outils Jansen de grande qualité pour la mise en place de la sonde: les poids Jansen raccordables permettent une pose en douceur des sondes géothermiques. Jansen a aussi fourni des accessoires de montage et d'injection pour le remblaiement des sondes, ainsi que les raccords éprouvés JANSEN SmartTight.

L'importance des références

Dans le cadre de la réalisation du projet à Sommerach, la centrale ÜZ-Mainfranken souhaitait disposer de produits fiables en provenance d'un spécialiste renommé. Pour cette raison, il était utile de savoir que les sondes géothermiques JANSEN powerwave single-u avaient déjà été appliquées avec succès dans d'autres situations exigeantes. De nombreuses évaluations pratiques montrent que le dimensionnement des installations géothermiques peut être plus petit et ainsi plus économique.

Autres projets

Pour une maison individuelle à Schellenberg (Liechtenstein), on avait par exemple prévu au départ l'installation d'une pompe à chaleur d'une puissance de 10,6 kW et de deux sondes en double U de 32 mm, d'une longueur respective de 125 m. À l'aide de simulations thermiques, on a pu établir qu'un forage d'une longueur respective de 100 m était suffisant en cas d'utilisation de sondes géothermiques JANSEN powerwave single-u, ce qui correspond à une réduction de 20%. Fin 2015, nous avons mis l'installation en service et commencé à enregistrer les températures. Selon les relevés météorologiques, le mois de janvier 2017 était le mois le plus froid depuis 30 ans. Malgré cela, les températures de fluide caloporteur mesurées par rapport à la pompe à chaleur ne sont jamais descendues en dessous de +4 °C. Un autre exemple à Mannheim montre la performance du sol près de la surface comme source d'énergie.

Dans une maison d'extrémité à deux niveaux (logement neuf) d'un lotissement, on a réalisé avec succès une installation géothermique en respectant les sévères restrictions de profondeur. Une pompe à chaleur d'une puissance de 6,1 kW retire du sol une puissance calorifique nominale de 4,8 kW. Une planification standard aurait imposé un forage d'environ 140 m de profondeur. La zone de construction était cependant soumise à une restriction de profondeur d’environ 37 m. Les dispositions légales interdisaient un forage dans la nappe phréatique située près de la surface du sol. Comment garantir alors la puissance nécessaire? En choisissant deux sondes géothermiques JANSEN powerwave single-u, il a été possible d'assurer une mise en service sûre de l'installation géothermique pour le chauffage, l'eau chaude et le refroidissement. Le dénominateur commun de ces projets est qu'ils reposent tous sur une solution géothermique sur mesure, qui s'avère plus puissante, exige moins d'espace et permet une mise en place sûre, en respectant les contraintes définies.

Un segment de tube lisse est intégré tous les 100 cm (reconnaissable au milieu de l'illustration).
Il permet une adaptation flexible de la longueur de sonde et un raccordement sûr aux conduites de liaison, en combinaison avec des raccords électrosoudables du commerce.