La géothermie à puits à colonne permanente, une solution innovante pour la transition énergétique

À l’heure des bouleversements climatiques, les modes de consommation et les besoins énergétiques doivent être repensés. La conciliation du paradoxe qui existe entre la décarbonation des bâtiments et la gestion de l’appel de puissance sur le réseau d’Hydro-Québec est un défi d’ingénierie de taille auquel bien des firmes de génie-conseil réfléchissent.

Dans ce contexte, la technologie de géothermie à puits à colonne permanente (PCP) représente une solution hybride entre les puits en boucle fermée et les puits en boucle ouverte.

Avec cette technologie, les transferts thermiques avec l’environnement hydrogéologique s’opèrent par conduction et par advection. L’eau souterraine est directement utilisée comme fluide caloporteur via un réseau isolé par un échangeur de chaleur. Il en résulte une résistance thermique globale inférieure aux systèmes traditionnels en boucle fermée, ce qui permet de chauffer et de refroidir efficacement un environnement intérieur.

De plus, les performances du système peuvent être grandement augmentées lors de l’activation d’une saignée, processus par lequel de l’eau souterraine non perturbée s’infiltre dans le puits grâce au réseau de fractures dans le roc.

La profondeur typique d’un puits est de 500 m. Le tout permet d’obtenir un échangeur géothermique présentant une faible empreinte au sol tout en bénéficiant d’importantes économies d’énergie et d’une réduction de l’appel de puissance électrique en pointe.

En 2022, gbi a livré le premier bâtiment institutionnel canadien à intégrer la géothermie PCP : l’école primaire de la Clé-des-Champs du Centre de services scolaire des Mille-Îles (CSSMI). Le résultat est le fruit d’une étroite collaboration avec la Chaire de recherche en géothermie sur l’intégration des PCP dans les bâtiments institutionnels de Polytechnique Montréal qui mène activement des travaux de recherche dans ce domaine.

Des résultats préliminaires prometteurs

Le premier hiver d’opération des PCP à l’école de la Clé-des-Champs permet de constater des résultats impressionnants et encourageants.

En premier lieu, les PCP couplés à une thermopompe géothermique efficace ont réduit de 50 % la consommation d’énergie dédiée au chauffage par rapport à l’utilisation d’une chaudière électrique. Ce sont 42 MWh qui ont été épargnés entre le 7 décembre et le 12 mars dernier. Le tout malgré le démarrage de la chaudière à quelques reprises, bien que le système géothermique aurait été en mesure de répondre à la demande.

En second lieu, on peut constater que le système a réduit de 77 % l’appel de puissance électrique dédié au chauffage par rapport à l’utilisation d’une chaudière électrique. En effet, l’appel de puissance aurait été de 195 kW avec une chaudière électrique alors qu’il a été de 45 kW grâce à l’énergie gratuite extraite du sol et à l’inertie thermique du système.

Ce chiffre doit cependant être nuancé en raison du comportement intermittent de la thermopompe. Des optimisations aux séquences de contrôle permettent d’être encore plus optimiste pour la prochaine saison hivernale.

En troisième lieu, avec l’utilisation de géothermie à boucle fermée, il aurait fallu forer 22 puits de 150 m pour ce projet. Avec l’utilisation des PCP, 5 puits de pompage de 135 m et 1 puits d’injection ont été requis, permettant ainsi de diminuer l’investissement initial de 40 %, en plus de la réduction de l’échéancier.

Finalement, à l’école de la Clé-des-Champs, le système de production de chaleur intégrant des PCP a permis de réduire l’investissement initial à la construction de 40 % et de minimiser l’empreinte au sol. Des optimisations aux séquences de contrôle permettent d’anticiper des résultats encore plus prometteurs dès l’hiver prochain. Une chose est certaine, cette technologie ouvre de nouveaux horizons à la géothermie de basse température au Québec!