La régénération chez GHEtool (1re partie)

Le déséquilibre est l'un des défis les plus courants lors de la conception de champs de forages géothermiques. Bien qu'il existe différentes solutions (telles que la modification de la conception ou le choix d'un système géothermique hybride), l'une des solutions courantes consiste à recourir à la régénération pour contrer activement ce déséquilibre. Cet article présente le module de régénération récemment intégré à GHEtool Cloud.

Qu'est-ce que la régénération ?

Lors de la conception de réseaux de forages géothermiques peu profonds, il faut souvent tenir compte d’une dérive de température à long terme due au déséquilibre du système. Soit le réseau de forages se refroidit d’année en année en raison d’une charge d’extraction supérieure à la charge d’injection, soit c’est l’inverse. Le profil de température ci-dessous illustre un réseau de forages présentant un déséquilibre important au niveau de l’extraction.

Un tel déséquilibre n'est pas souhaitable, car il peut nécessiter un champ de forage plus étendu pour garantir que les températures du fluide restent dans les limites fixées (comme nous l'avons expliqué dans notre article sur le déséquilibre ici).

D'un point de vue conceptuel, il existe deux moyens différents (outre les modifications architecturales ou fonctionnelles du bâtiment) d'éviter ce déséquilibre : l'hybridation et la régénération. Pour bien comprendre la différence entre ces deux options, revenons sur le diagramme de Sankey (plus d'informations ici) du profil de température ci-dessus.

Un diagramme de Sankey est un moyen graphique d'illustrer les flux d'énergie de notre système géothermique. Dans l'exemple ci-dessus, les besoins en chauffage et en eau chaude sanitaire se trouvent à droite ; ils sont tous deux couverts par la pompe à chaleur géothermique (PCG). Cette PCG, quant à elle, dispose également de plusieurs entrées, à savoir la demande en électricité (pour le compresseur de la pompe à chaleur), le déséquilibre et le stockage saisonnier d'énergie thermique (STES).

Le déséquilibre et le STES tiennent tous deux compte de l’énergie extraite du sol, mais ils sont conceptuellement différents. Le déséquilibre consiste à utiliser le sol comme source de chaleur, tandis que le STES utilise la chaleur stockée lors du refroidissement de l’été précédent. Les champs de forages géothermiques peu profonds étant essentiellement une technologie destinée à stocker la chaleur plutôt qu’à épuiser le sol, cette partie verte devrait idéalement être aussi grande que possible. Dans le diagramme de Sankey ci-dessus, il apparaît clairement que c’est principalement le déséquilibre qui alimente la pompe à chaleur géothermique, ce qui explique la forte tendance à la baisse de la température du champ de forages.

La première solution pour remédier à ce problème de déséquilibre important consiste à opter pour une technologie hybride, comme le montre le diagramme de Sankey ci-dessous.

Ici, une partie des besoins en chauffage est couverte par un système hybride (pour en savoir plus ici), par exemple une pompe à chaleur aérothermique. Ce faisant, la part de la pompe à chaleur géothermique diminue, et comme les besoins en refroidissement et en refroidissement géothermique restent identiques, le déséquilibre s'atténue considérablement. Il en résulte le profil de température ci-dessous, où le fluide reste désormais dans les limites prédéfinies, mais où le déséquilibre reste néanmoins clairement visible. Cela implique également que, si la période de simulation est prolongée, par exemple à 40 ans, la part du système hybride devrait être augmentée pour rester dans les limites fixées.

Une autre option consiste à opter pour la régénération du champ de forage, comme l'illustre le diagramme de Sankey ci-dessous. Ici, la charge de chauffage (et d'eau chaude sanitaire) est toujours de 100%, fournie par la pompe à chaleur géothermique, mais le déséquilibre a désormais complètement disparu. Grâce à la régénération, de la chaleur supplémentaire est injectée dans le sol, où elle est stockée, puis réutilisée ultérieurement par la pompe à chaleur géothermique.

La situation décrite ci-dessus donne lieu au profil de température ci-dessous. On constate clairement qu’il n’y a plus de dérive de température à long terme, ce qui signifie que, même si la période de simulation était prolongée à 40 ans, cela n’aurait aucune incidence sur la viabilité du système.

Il est également évident que le profil est désormais totalement différent, car la régénération modifie le profil de charge du sol, en injectant (ou en extrayant) de la chaleur supplémentaire dans (ou hors du) sol.

Nous aborderons ci-dessous les différentes catégories de technologies de régénération, puis nous expliquerons en détail le fonctionnement de l'algorithme de régénération (les règles de régénération, où l'appliquer et quel algorithme choisir).

Technologies de régénération

La régénération peut être réalisée avec pratiquement n’importe quelle technologie, à condition qu’elle permette de fournir du chauffage, du refroidissement ou les deux. C’est là, en quelque sorte, tout l’intérêt de la régénération. Si vous disposez d'un champ de forages à dominante d'extraction, tout ce qui peut servir de source de chaleur convient à la régénération, tout comme n'importe quelle source de froid dans le cas d'un champ de forages à dominante d'injection.

Dans le modèle GHEtool Cloud, quatre catégories de technologies de régénération sont définies, dans lesquelles, à un certain niveau d'abstraction, toutes les technologies de régénération peuvent s'inscrire. Celles-ci sont présentées ci-dessous.

Puissance constante

La première catégorie technologique, et la plus simple, en matière de régénération est celle de la puissance constante. Cela signifie que l'on dispose en permanence d'une certaine quantité d'énergie disponible, que ce soit pour l'injection ou l'extraction. Prenons, par exemple, un élément chauffant électrique qui peut être activé à tout moment pour fournir une certaine quantité d'énergie, ou encore une pompe à chaleur aérothermique disposant d'une certaine puissance installée qu'elle peut fournir en chauffage et/ou en refroidissement.

Le principe de la technologie à puissance constante réside dans le fait que sa puissance est constante et qu'elle ne dépend pas du temps.

Température constante

Le pendant d’une technologie de régénération à puissance constante est une technologie à température de référence (ou de régénération) constante, avec laquelle il est possible d’échanger de l’énergie via un échangeur de chaleur. Il s’agit par exemple d’un réseau de chauffage ou de refroidissement urbain, des eaux usées ou de la ventilation des gaz d’échappement.

Toutes ces sources présentent (dans une large mesure) une température constante et indépendante du temps, qui peut être exploitée à des fins de régénération. Par exemple, la température de l'air évacué par la ventilation se situe généralement autour de ±22 °C tout au long de l'année. Lorsqu'un échangeur de chaleur est installé à cet endroit et que la température du fluide est inférieure à cette valeur, la chaleur peut être extraite de l'air et injectée dans le sol. Lorsque la température du fluide est supérieure, la chaleur peut être évacuée, ce qui refroidit le sol.

La puissance $\dot{Q}$ en [W] qu’un tel échangeur de chaleur peut fournir est proportionnelle à la différence de température $\Delta T$ entre la température de la source de régénération et la température moyenne du fluide dans l’échangeur de chaleur. Lorsque la différence de température augmente, la puissance fournie par l’échangeur de chaleur augmente également. Dans GHEtool, on suppose qu’il s’agit d’une relation linéaire avec un facteur d’échelle $k$ en [W/K]: $$\dot{Q}=k\cdot \Delta T$$

Énergie solaire thermique

Les systèmes solaires thermiques, tels que les capteurs solaires thermiques, les absorbeurs solaires (également appelés chauffe-piscines, comme celui illustré ci-dessous) ou les panneaux PVT, constituent une technologie de régénération très courante. Il s'agit de technologies qui transforment le rayonnement solaire en chaleur et qui sont généralement utilisées lorsque le champ de forage est principalement exploité à des fins d'extraction.

Outre la conversion (partielle) de l'énergie solaire en chaleur, ces technologies échangent également de l'énergie avec l'air ambiant. En règle générale, lorsque des capteurs solaires thermiques sont utilisés pour la production de chaleur, il s'agit d'une perte de chaleur vers l'environnement ; toutefois, dans le cas de la régénération, où les températures des fluides sont plutôt basses, cela peut également être considéré comme un gain.

La puissance que peuvent fournir les technologies de régénération solaire thermique peut s'exprimer comme suit :

$$\dot{Q}=a_0\cdot \dot{Q}_{sol} \cdot A + a_1\cdot A \cdot \Delta T + a_2\cdot A \cdot (\Delta T)^2$$ où $\dot{Q}_{sol}$ est la puissance solaire en [W/m²], A la surface en [m²], $\Delta T$ la différence de température entre l’air ambiant et la température moyenne du fluide dans le panneau, et $a_0$, $a_1$ et $a_2$ les coefficients de déperdition thermique d'ordre zéro, premier et deuxième.

La formule ci-dessus montre également que les capteurs solaires thermiques peuvent également être utilisés pour l'extraction de chaleur, en particulier lorsque le fluide est plus chaud que l'air ambiant. Cette méthode n'est toutefois généralement pas aussi efficace qu'un refroidisseur à sec, car la moindre quantité de rayonnement solaire suffit à réchauffer le fluide.

!Note
Lorsqu'on examine les capteurs solaires thermiques, leur orientation est également importante, non seulement pour la quantité absolue de chaleur qu'ils peuvent produire, mais aussi pour le moment où ils la produisent. Dans le modèle GHEtool, pour des raisons de simplification, cet aspect est actuellement négligé en considérant 80% de l'irradiance horizontale globale sur le capteur. Cela devrait correspondre plus ou moins à un capteur présentant une orientation moyenne.

Refroidisseurs à sec

Les refroidisseurs à sec (ou, en réalité, tout type d’échangeur de chaleur utilisant l’air extérieur) constituent la dernière catégorie de technologies de régénération. À l’instar des technologies solaires thermiques, ils dépendent également de l’environnement extérieur, mais ils ne captent pas du tout le rayonnement solaire. Tout comme la régénération à température constante, ils fonctionnent comme un échangeur de chaleur avec l’air ambiant (dont la température varie) et offrent une puissance de régénération proportionnelle à la différence de température.

Les refroidisseurs à sec sont particulièrement adaptés aussi bien à la régénération d'un champ de forage à dominante d'extraction qu'à celle d'un champ à dominante d'injection.

Trois règles pour la régénération

Bien que l'hybridation et la régénération résolvent toutes deux le même problème de déséquilibre, elles le font de manière très différente. L'hybridation allège en partie la charge pesant sur le champ de forage, rendant ainsi le seuil de température moins critique. La régénération fait le contraire : elle augmente la charge géothermique de manière à compenser le déséquilibre, mais ce faisant, elle modifie considérablement le profil de température. Cela peut avoir un impact significatif à l'avenir.

Imaginons le cas décrit ci-dessus, où il y aurait un déséquilibre important au niveau des prélèvements et où nous souhaiterions rétablir l'équilibre en injectant de la chaleur supplémentaire dans le sol. Idéalement, cela pourrait se faire grâce à un système de régénération solaire thermique en été (lorsqu'il fait chaud et que l'ensoleillement est important), mais cela augmenterait la température des parois du forage ainsi que celle des fluides, réduisant ainsi le potentiel de refroidissement (passif).

Afin de résoudre ce problème, trois règles de régénération sont utilisées dans le back-end.

1. Ne régénérez pas à outrance
   La régénération a pour but de compenser ce déséquilibre, mais si l’on n’y prend pas garde, elle peut également en créer un autre. Imaginons le cas où la régénération est utilisée pour compenser une charge dominée par l'extraction en injectant de la chaleur supplémentaire dans le sol. Si l'on continue ainsi, le champ de forage finira par être dominé par l'injection. Par conséquent, la régénération doit être limitée, au maximum, au déséquilibre actuel.
2. Ne dépassez pas le seuil de température à l'heure actuelle
   La régénération modifie les températures à l'heure actuelle ; vous devez donc vous assurer qu'elles restent dans les limites de température définies. Cela limite automatiquement la puissance que vous pouvez injecter ou extraire lors de la régénération.
3. Ne pas dépasser le seuil de température à une heure ultérieure
   Outre la variation de température à l'heure où la régénération a lieu, les températures varient également au cours des heures qui suivent la régénération. Imaginons par exemple qu’une régénération par injection de chaleur ait eu lieu une heure avant qu’une charge de refroidissement très élevée ne s’exerce sur le champ de forages. Il se peut que, conformément à la règle n° 2, la température du fluide n’ait pas été dépassée au cours de l’heure précédente, mais qu’en raison de la régénération, le champ de forages soit légèrement plus chaud au moment de gérer le pic de refroidissement, dépassant ainsi ses limites.
   
   Pour remédier à cela, à chaque régénération, nous devrions en théorie vérifier toutes les heures à venir afin de nous assurer que nos actions actuelles n’auront pas d’impact négatif sur l’avenir. Cependant, le fait d’avoir un horizon de simulation égal à la période de simulation ralentit considérablement l’algorithme sans raison valable. Dans la pratique, une période de régénération de 4 380 heures au maximum (soit un demi-an) est largement suffisante, et 100 heures suffisent généralement aussi.

!Note
Dans la partie suivante, nous réaliserons quelques simulations afin d'illustrer l'importance et l'impact de l'horizon de simulation tant sur la rapidité que sur la précision de la méthode.

En respectant les trois règles énoncées ci-dessus, la régénération peut avoir lieu sans que les seuils de température ne soient dépassés au cours de la période de simulation.

!Note
Il peut arriver que, malgré ces règles, certaines limites de température soient dépassées. Imaginons, par exemple, le cas où le champ de forage est dominé par l'extraction et où la puissance de crête maximale dépasse déjà la limite de température. Dans ce cas, la régénération ne peut qu'aggraver la situation, puisque la limite de température n'était déjà pas respectée avant le début de la régénération.

Où placer la régénération ?

La question importante suivante est la suivante : où dois-je placer la technologie de régénération ? Deux options sont mises en œuvre dans le système GHEtool Cloud : juste avant l'entrée du champ de forage ou juste après la sortie du champ de forage. Ces deux options seront brièvement abordées ci-dessous.

Juste avant l'entrée du champ de forage

Lorsque le système de régénération est installé juste en amont de l'entrée du champ de forage, il est soumis aux températures les plus basses pendant la phase de chauffage et aux températures les plus élevées pendant la phase de refroidissement, puisqu'il est situé juste en aval de la pompe à chaleur géothermique. (Voir également l'article (en fonction des températures d'entrée et de sortie.)

Cela s'avère notamment intéressant dans le cas d'un champ de forages où l'extraction prédomine, mais qui présente encore quelques pics de refroidissement importants. La régénération doit donc avoir lieu en hiver ou pendant les entre-saisons, afin de s'éloigner autant que possible du moment où se produit le pic de refroidissement. Dans ce cas, nous souhaitons que la température du fluide soit la plus basse possible afin de faciliter l'injection de chaleur dans le sol ; c'est pourquoi nous plaçons la régénération juste avant l'entrée du champ de forages.

Juste après la sortie du champ de forage

Lorsque le système de régénération est installé juste après la sortie du champ de forage, il est soumis aux températures les plus élevées pendant la phase de chauffage et aux températures les plus basses pendant la phase de refroidissement.

Cela pourrait s'avérer intéressant, par exemple, lorsque l'on se retrouve à nouveau face à un champ de forages dominé par l'extraction, mais où, cette fois-ci, les pics de refroidissement sont très rares en été (ou bien ils sont actifs, de sorte que la température maximale du fluide n'a pas beaucoup d'importance). Dans ce cas, idéalement, la régénération a lieu en été, lorsque l’air ambiant est le plus chaud et que le soleil brille le plus fort. Étant donné qu’en été, en cas de refroidissement, la position de sortie restitue les températures les plus basses, ce serait la solution idéale.

Cela montre que, selon la technologie de régénération utilisée ainsi que la charge de votre bâtiment, la position idéale peut varier d'un cas à l'autre.

Algorithmes de régénération

La régénération a pour but de corriger ce déséquilibre, mais la question qui se pose alors est la suivante : de quel déséquilibre s'agit-il exactement ? Selon la manière dont on aborde le problème, on peut définir quatre algorithmes différents, chacun correspondant en pratique à une stratégie de contrôle. Ceux-ci seront abordés ci-après.

Annuelle

Le premier algorithme de régénération, annuel, a pour objectif de compenser le déséquilibre de chaque année prise individuellement. Imaginons un cas où le déséquilibre s'élève à 20 MWh/an. Dans ce cas, cette méthode permettra de régénérer au maximum 20 MWh/an (ou moins, si la puissance disponible n'est pas suffisante pour tout régénérer), mais pas davantage.

Lorsque la capacité de régénération disponible est suffisante pour compenser l'intégralité du déséquilibre, cette méthode permet d'obtenir un profil de température identique d'une année à l'autre.

Période de simulation

Une autre façon d'aborder ce problème consiste à prendre en compte le déséquilibre total sur l'ensemble de la période de simulation. Imaginons une période de simulation de 20 ans, avec un déséquilibre de 20 MWh/an. Cela représente 400 MWh qui pourraient être régénérés sur l'ensemble de la période de simulation. Cette méthode consiste simplement à commencer à régénérer autant que possible et dès que possible, jusqu'à ce que l'intégralité du déséquilibre soit compensée.

Il s'agit généralement de la méthode de régénération la plus rapide, car il peut arriver que le champ de forage soit complètement équilibré avant la fin de la période de simulation. Imaginez que l'on investisse davantage dans des panneaux solaires thermiques pour compenser le déséquilibre. Il se peut que ces panneaux injectent dans le sol plus de chaleur que le déséquilibre en une seule année. Cela signifie, par exemple, qu’au bout de 15 ans, le déséquilibre total sur 20 ans est déjà compensé et qu’aucune régénération n’est nécessaire au cours de ces 5 dernières années. C’est ce qu’illustre également la figure ci-dessous.

!Note
Dans cette méthode, il peut arriver que (sur une courte période) le déséquilibre commutateures de l'extraction à l'injection a prévalu certaines années, mais comme le déséquilibre est désormais pris en compte sur l'ensemble de la période de simulation, cela reste conforme à la première règle de régénération mentionnée ci-dessus.

Perspectives pour l'avenir

Les deux méthodes ci-dessus supposent une connaissance préalable du déséquilibre, alors que celle-ci fait souvent défaut dans la pratique. Dans la méthode dite ‘ à horizon glissant ’, l'algorithme ne peut régénérer que le déséquilibre qui s'est déjà produit. Cela signifie que, par exemple, après l'hiver, la somme de tous les échanges d'énergie avec le sol est généralement dominée par l'extraction, ce que l'algorithme peut donc compenser. Cependant, si, à un moment donné pendant l'été, le déséquilibre est nul, il cessera de le régénérer, même si un nouveau déséquilibre est à prévoir dans les mois à venir.

!Note
Avec cette méthode, il peut s’avérer impossible d’éliminer tout le déséquilibre d’un champ de forage donné, car l’algorithme ne peut pas anticiper les déséquilibres futurs comme le font les deux autres méthodes. Par exemple, si une partie du déséquilibre d’extraction se produit en novembre et décembre, l’algorithme ne disposera pas de l’été suivant pour compenser ce déséquilibre, ce qui laissera subsister un léger déséquilibre.

Horizon à venir +

Cette dernière méthode prolonge en substance le principe de l’algorithme précédent, mais cette fois-ci, la régénération peut s’effectuer dans les deux sens. Comme auparavant, le déséquilibre est calculé toutes les heures à partir de la somme de toutes les injections et extractions de chaleur précédentes. Il peut arriver que, pour certains profils, ce déséquilibre net résultant soit dominé par les extractions avant l'été et par les injections juste après l'été. Dans ce cas, cette méthode effectuera d'abord une régénération par injection, puis par extraction, alors que la méthode de l'horizon précédent ne régénérera que dans le sens du déséquilibre global (extraction ou injection).

Conclusion

Cet article présente la nouvelle méthode de régénération utilisée dans le modèle GHEtool. Il aborde tout d’abord la différence entre l’hybridation et la régénération dans le but d’éviter tout déséquilibre, puis présente les quatre grandes catégories de technologies de régénération. Il explique ensuite les trois règles différentes régissant la régénération, en soulignant que la régénération effectuée aujourd’hui aura également une incidence sur les températures futures. Le concept d’horizon de simulation a également été présenté ici comme un compromis entre la durée de la simulation et sa précision.

Ensuite, la différence entre le positionnement de la régénération à l'entrée du champ de forage ou après la sortie de celui-ci a été abordée, montrant que, selon votre projet spécifique, l'une ou l'autre solution pouvait s'avérer avantageuse. Enfin, quatre algorithmes de régénération différents implémentés dans GHEtool ont été présentés, chacun correspondant à une stratégie de contrôle spécifique pouvant être mise en œuvre dans la pratique.

Dans la prochaine partie, qui sera publiée le 17 novembre, la théorie présentée dans ce chapitre sera appliquée à quelques exemples afin d'illustrer la souplesse de cette nouvelle méthode dans GHEtool. Restez à l'écoute !

Références

• Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.