Géothermie : le guide complet

Vous avez envie de changer le système de chauffage de votre maison pour des raisons d’économie d’énergie ou dans un souci environnemental et écologique ? Le chauffage géothermique est peut-être la solution qui vous convient.

Voici les informations indispensables pour comprendre la géothermie et un récapitulatif exhaustif des techniques d’exploitation des calories renfermées dans le sol afin de les transformer en chauffage ou en électricité.

Vous trouverez également un zoom spécifique sur le chauffage géothermique à l’usage des particuliers : les différentes pompes à chaleur et leurs fonctionnements, leurs avantages et les contraintes afférentes, les types d’installation au sol, les prix de ces systèmes et les coûts associés ainsi que les aides particulières dont on peut bénéficier quand on se lance dans ce type de projet.

Qu’est-ce que la géothermie ?

La géothermie, du grec Gê (la terre) et thermos (la chaleur) désigne la science qui étudie les manifestations thermiques internes du globe terrestre et, par extension, l’ensemble des techniques qui visent à exploiter la chaleur dégagée par ces phénomènes de façon directe (pour la diffuser en chauffage) ou indirect (pour la transformer en électricité).

Utiliser l’énergie géothermique dans une optique de chauffage des eaux ou des sols des maisons remonte déjà à plusieurs millénaires, la Chine (Palais de Li à Huaqing…) et la Rome antique (Pompéi, Thermes de Caracalla…) en étant des modèles connus.

La chaleur captée dans le sol provient majoritairement de la radioactivité naturelle des roches qui entourent le noyau terrestre (issue de la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium) et dans une moindre mesure du reliquat de la chaleur lors de la formation initiale de la terre il y a 4,5 milliards d’années.

Ainsi, rien qu’à 30 km sous nos pieds, il peut faire jusqu’à environ 1 000 °C !

Pour capter l'énergie géothermique, selon la situation géographique et la disponibilité des sols, les moyens sont variés. Et quand on parle de géothermie, les définitions sont multiples.

Géothermie pour le chauffage

Quand on parle de géothermie très basse énergie, il s’agit, le plus souvent de creuser peu profondément dans le sol pour atteindre des nappes ou des sols inférieurs à 100 mètres de profondeur et à faible niveau de température (moins de 30°C). On y fait circuler un fluide qui se charge d’énergie thermique par contact (les calories) dans le sol grâce à un système de pompe à chaleur. L’énergie collectée est utilisée directement pour le chauffage des maisons ou les bâtiments.

La géothermie basse énergie fore des zones aquifères. Ce sont des zones de formation géologique ou de roches poreuses ou fissurées et perméables où l’eau circule librement. On y atteint des températures situées entre 30°C et 90°C à 1 500 et 2 000 mètres de profondeur. Les calories récoltées sont trop faibles pour produire de l’électricité mais sont idéales pour des applications à plus grandes échelles : chauffage urbain, serres agricoles, thermes.

Les autres formes de géothermie permettent de produire de l’électricité.

Le géothermie moyenne énergie explore majoritairement des gisements d’eau chaude ou de vapeur humide compris entre 90°C et 150°C. Selon les situations géographiques, il faudra creuser entre 1 000 et 4 000 mètres pour obtenir ces températures. Surchauffée ou sous forme de vapeur, l’eau jaillit avec assez de pression pour alimenter une turbine qui produira de l’électricité. Pour cela, une machine de travail thermodynamique est nécessairement intégrée au système, d’où le nom souvent associé à ces types de géothermie moyenne « enthalpie ».

La géothermie haute température consiste à atteindre des fluides d’une température supérieure à 150°C localisés dans des réservoirs à plus de 1 500 mètres de profondeur, généralement situés dans les zones volcaniques là où la tectonique est très active. On parle de haute enthalpie.

La géothermie de profondeur sont des installations pétrothermales qui exploitent des roches chaudes fissurées situées entre 3 000 et 5 000 mètres de profondeur. On y envoie du liquide sous forte pression qui, au contact des roches naturellement surchauffées, remonte à plus de 100°C.

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ?

Les principes de fonctionnement d’une pompe à chaleur géothermique (PAC) sont simples. Elle absorbe les calories qu’elle trouve dans le sol, où la température est plus stable que celle de l’air. En France, le sol à très faible profondeur bénéficie d’une température qui oscille entre 10 et 14°C selon les lieux. Dans ce cas, la chaleur renfermée dans le sol provient essentiellement du rayonnement solaire ou du ruissellement de l’eau de pluie.

Le fonctionnement d’une PAC

Une pompe à chaleur est composée d’un évaporateur, d’un générateur à compresseur et d’un réducteur de pression (souvent appelé faussement condenseur).

Selon la configuration du terrain, on installe des capteurs verticaux ou horizontaux qui envoient un liquide sous terre. Ce fluide est frigorigène et caloporteur. En circulant dans les tuyaux, il entre au contact d’un second fluide et se réchauffe. Il passe alors dans l’évaporateur d’un état liquide à gazeux. Le compresseur élève la pression et démultiplie la température de ce dernier à l’état gazeux en le compressant.

Ce compresseur dispose d’un moteur qui demande une alimentation d’énergie extérieure. À la sortie du compresseur, le fluide est sous forme gazeuse à haute pression et sa température est élevée.

Ensuite, le réducteur de pression réduit la pression du fluide en phase liquide. En se condensant, la vapeur cède de la chaleur renvoyée dans le logement. La température du fluide revenu à l’état liquide va fortement diminuer.

À nouveau dans l’évaporateur, le fluide récupère de l'énergie…

Les avantages du chauffage par géothermie

La géothermie est la seule énergie qui est à la fois quasi-inépuisable, omniprésente, stable et propre :

● Installer une pompe à chaleur peut fournir jusqu’à 60 % des besoins en énergie d’une maison. En effet, avec une PAC, 1 KWh d’électricité permet de produire entre 3 et 5 KWh de chaleur.

● Les installations ont une durée de vie longue (entre 40 et 60 ans).

● Opter pour un système de chauffage géothermique c’est avoir recours à une énergie continue : au contraire du solaire par exemple, elle ne dépend pas des conditions atmosphériques. Elle est disponible en permanence.

● L’énergie géothermique est quasi inépuisable : la chaleur contenue dans le globe terrestre est sans commune mesure avec les besoins énergétiques de la civilisation humaine.

● Son utilisation est directe : il n’y a ni problématique de stockage, ni problématique de transformation.

● Ce type de système de chauffage est une ressource écologique propre. Elle produit peu de rejets et nécessite peu de combustibles fossiles pour fonctionner.

● Les techniques de chauffage géothermique sont si variées et développées, qu’elle peut être mise en place partout, quelle que soit la situation géographique de l’habitat.

● Certains systèmes sont réversibles et permettent de climatiser en été.

● 30% de l’investissement initial pour installer une PAC est déductible d’impôts sous certaines conditions.

Un système parfois controversé

Pour certains, l’énergie géothermique n’est pas la solution miracle :

● La faible accessibilité du chauffage par géothermie reste un frein au développement de ce type d’énergie : même si elle est très adaptable, elle n’est pas possible partout.

● Son utilisation est locale, la perte thermique est importante si l’on veut transporter la chaleur.

● Les PAC ne produisent pas ou peu d’électricité : la majorité assure le chauffage d’une maison, mais elles ne permettent généralement pas de couvrir tous les besoins en énergie de l’habitation.

● L’investissement initial est élevé et il faut prendre en compte un coût de maintenance annuel du système, ainsi qu’un abonnement électrique qui permette d’alimenter la pompe (une énergie qui, elle, n’est ni propre ni verte).

● Les performances sont variables selon la nature et la température des sols.

● Le risque en cas de dysfonctionnement est élevé : les fluides utilisés, si libérés sont des gaz à effet de serre très puissants. Dans le cas d’une PAC à eau glycolée, il existe un danger de pollution des nappes phréatiques selon le type de glycol utilisé (monopropylène glycol : oui biodégradable à 98% et qualité alimentaire, monéthylène glycol : non).

● Certains systèmes peuvent être bruyants et causer des problèmes de voisinage.

 ●Les systèmes ne peuvent être couplés qu’à des radiateurs basse température ou un système de chauffage au sol. Les radiateurs à eau classiques demandent une adaptation technique très onéreuse.

Les types de capteurs

Couplés aux PAC, les capteurs géothermiques qui permettent de sonder la chaleur sont enterrés plus ou moins profondément dans le sol.

Les capteurs horizontaux se trouvent à faible profondeur (0,60 m à 1,20 m). Ils nécessitent beaucoup d’espace : la surface du terrain dans lequel ils sont installés doit être au moins 1 fois et demi équivalente à la superficie habitable à chauffer. Cette surface dépend de la performance énergétique du terrain (35 W par mètre linéaire pour un sous-sol assez sec, 45 W par mètre linéaire pour un sous-sol humide, 60 W par mètre linéaire lorsque le sol est rocheux).

Le terrain doit être relativement plan et dénué d’arbres et de racines. Les racines avoisinantes de la zone doivent se trouver à plus de 2 mètres de l’installation. Le sol doit être perméable, sans remblai et non meuble…

Tous ces critères remplis, ce type d’installation est rapide et à moindre coût. En revanche, comme il est proche de la surface, ce système est sensible au gel. Il représente environ 25 % du marché géothermique pour particuliers.

Les capteurs verticaux exploitent la chaleur à des profondeurs beaucoup plus importantes. Au-delà de 200 mètres, cela exige une autorisation administrative. Si le sous-sol le permet, on fore le sol pour y installer une ou plusieurs sondes parallèles en forme de U ou créant des boucles qui permettent au fluide de remonter.

Ce système demande moins de longueur de tubes mais le forage nécessaire à sa mise en œuvre est plus coûteux que la solution horizontale. Son avantage est qu'il ne dénature pas le sol et permet la plantation d'arbres dans le reste de la propriété. Il est également moins sensible aux conditions extérieures et son rendement est meilleur.

Le forage est soumis à des conditions sur l’impact environnemental qu’il faut prendre en compte en amont. Avec ce type de configuration, il est recommandé de respecter un minimum de distance avec l’habitation à pourvoir pour éviter les interactions thermiques et mécaniques avec d'autres éléments du sous-sol : canalisations, ouvrages enterrés, arbres...

À noter qu’il émerge ces dernières années sur le marché des capteurs verticaux compacts qui permettent d’éviter le forage. Ces nouveaux capteurs se présentent sous forme de spirale installées à moins de 10 mètres de la surface.

Les capteurs entrant dans les zones aquifères pompent l’eau d’une nappe phréatique, d’un lac, d’une réserve d’eau ou encore un cours d’eau à rendement suffisant et pérenne. Ils l’acheminent l’eau vers une pompe à chaleur pour en prélever les calories. Ce système est en général dédié aux bâtiments d’importance ou aux acteurs du tertiaire. C’est la plus performante des solutions géothermiques, mais c’est également la plus complexe à installer. Elle nécessite une étude méticuleuse du terrain.

Dans le principe, il s’agit de réaliser deux forages dans le sol : le premier prélève l’eau qui va céder ses calories à la PAC, le second rejette cette même eau refroidie dans la nappe ou plus bas dans un autre point d’eau. Certains se posent la question du retraitement de l’eau rejetée et de l’épuisement du volume des réserves d’eau souterraine face à ce type de système. C’est aussi pour cela qu’il est très règlementé.

Les types de pompe à chaleur 

Il existe différents types de PAC géothermiques.

Un système géothermique peut-il remplacer totalement les autres types de chauffage ?

Remplacer son ancienne chaudière par une pompe à chaleur est une solution économique recommandée, surtout pour une résidence principale. Généralement, l’installation d’une pompe à chaleur est amortie en 3 à 5 ans.

Une PAC géothermique, selon sa performance bien sûr, permettra de chauffer une maison, de la rafraîchir et peut également produire l’eau chaude sanitaire. Dans son utilisation pour les particuliers, elle ne permettra pas de produire d’électricité.

On considère en moyenne qu’une PAC couvre 60% des besoins énergétiques d’une habitation.

Comment connaître les besoins énergétiques de sa maison / appartement

C’est désormais totalement généralisé et obligatoire : tous les bâtiments existants et neufs sont dotés d’étiquettes « énergie » et « gaz à effet de serre » qui signalent leurs performances énergétiques et leurs émissions de gaz à effet de serre. Ces deux étiquettes sont éditées lors du Diagnostic de Performance Énergétique (DPE) dont la réalisation est obligatoire à la livraison de toute construction neuve et lors des ventes et des locations.

Qu'est-ce que le coefficient de performance (COP) ?

Le coefficient de performance COP permet de juger de la performance de la PAC selon son type et les conditions dans lesquelles elle fonctionne. Elle renseigne sur la quantité d’énergie qu’elle produit par rapport à celle qu’elle utilise.

La plupart des PAC vendues aux particuliers ont un COP équivalant à 3 : pour 1 kWh d’électricité employé, elles en fournissent 3 kWh. Mais certaines peuvent atteindre 4 ou 5.

Le COP varie donc selon la température du sol dans lequel se trouve ses capteurs, des températures extérieures (s’il fait froid l'utilisation de résistance électrique pour éviter le givre sur la machine sera nécessaire par exemple), du type de régulation utilisé et de la puissance de la pompe.

Quelques critères à considérer dans le choix de votre installation :

● La situation géographique de votre lieu d’habitation.

● La qualité du sol : meuble ou rocheux, humide ou sec.

● La présence ou nom d’une nappe souterraine d’eau dans votre terrain.

● Les besoins énergétiques de votre habitation.

● Vos convictions écologiques et environnementales.

Prix d’achat et d’installation d’un système géothermique

Le coût de l’installation d’un système géothermique horizontal varie :

● Entre 7 000 et 10 000 € TTC pour une PAC sol-sol ou eau-sol.

● Entre 8 000 et 18 000 € TTC pour une PAC eau glycolée-eau

● En ce qui concerne les PAC à capteurs verticaux, le coût varie entre 15 000 et 25 000 € TTC pour une PAC à capteurs verticaux avec 1 ou plusieurs forages.

Il faudra rajouter à ces prix les différents accessoires pour les pompes à chaleur afin de permettre le rafraîchissement du système (rajouter 10 à 20 % au prix) ou l’adaptation au plancher chauffant (achat et pose de 40 à 75 € par m²).

Le coût du système en lui-même oscille entre 2,3 et 3,7 € TTC par m² et par an.

Il est également nécessaire de prendre en considération les travaux d’adaptation de votre logement à votre nouveau système de chauffage : changement de vos radiateurs, travaux d’isolation…

Prime énergie et autres aides financières

Crédit d’Impôt pour la Transition Énergétique (CITE)

La pompe à chaleur géothermique est éligible au crédit d'impôt à hauteur de 30 %, ce qui signifie que vous pourrez déduire de votre impôt sur le revenu, 30 % du coût de l'achat et de l'installation de votre matériel sous réserve que celui-ci ai été fait par un professionnel labellisé RGE.

Le CITE est possible sous certaines conditions. Pour les PAC sol-sol et PAC sol-eau, le rendement COP doit être supérieur ou égale à 3,4 pour une température d'évaporation de -5Ò°C et une température de condensation de 35°C. Pour une PAC eau glycolée-eau le COP doit être inférieur ou égale à 3,4 pour des températures d'entrée et de sortie d'eau glycolée de 0°C et -3°C à l'évaporateur, et des températures d'entrée et de sortie d'eau de 30°C et 35°C au condenseur.

L’Éco-prêt à taux 0

S'ajoute à cela l’opportunité d’un prêt à taux 0 : l’éco-prêt à taux zéro accordé par un organisme bancaire.

Le taux de TVA réduit à 5.5%

Ce taux s’applique aussi bien à l’achat du matériel, qu’à la pose de celui-ci par un professionnel, à condition que votre logement ait été construit depuis au moins deux ans.

La prime énergie Total

Il s'agit d'un règlement en euros à la fin de travaux dans le cadre spécifique de l’installation d’une pompe à chaleur géothermique. Pour en profiter, il est nécessaire de remplir certaines conditions (logement de plus de 2 ans, passer par un professionnel titulaire de l’appellation QualiPAC, COP supérieur ou égal à 3,4, matériel doit être certifié NF PAC ou label EHPA ou Eco-Label européen…).

Les aides de l’Agence nationale de l’habitat (ANAH)

L’Anha peut éventuellement vous octroyer des subventions qui sont cumulables avec certaines aides, mais pas avec la prime énergie Total. Elle y met certaines conditions et également un critère de plafond de revenus.

Les aides locales : les communes, collectivités et conseils généraux

Selon la région, certains proposent aussi d'autres aides sont également proposées pour l'achat de ce type de chauffage. N’hésitez pas à vous renseigner auprès de ces organismes.

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