Les systèmes hybrides constituent une solution prometteuse pour relever les défis croissants des projets géothermiques. Mais de quoi s'agit-il exactement ? Et quel est le lien entre cette idée et le potentiel géothermique ? Cet article est le premier d'une série consacrée à la conception de systèmes géothermiques hybrides, dans laquelle nous explorerons les avantages et les secrets de ces systèmes. Dans ce premier article, nous expliquons les bases des systèmes hybrides, leurs avantages et leur lien avec le potentiel géothermique.
Qu'est-ce qu'un système hybride ?
Pour les grands projets - tels que les bâtiments multi-utilitaires ou les réseaux de chauffage urbain de 5e génération - les besoins en chauffage et en refroidissement sont souvent très élevés. Pour répondre à ces besoins en utilisant uniquement l'énergie géothermique, il peut être nécessaire de disposer d'un grand champ de forage. Cela soulève toutefois des questions importantes :
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Y a-t-il suffisamment d'espace pour installer le champ de forage ?
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Le budget peut-il couvrir le coût d'autant de forages ?
- Une solution entièrement géothermique est-elle la meilleure option ou existe-t-il des solutions plus rentables ?
Un système géothermique hybride pourrait être la solution. En ajoutant d'autres technologies - comme une pompe à chaleur à air (PAC) - au champ de forage, vous créez un système hybride dans lequel plusieurs technologies fonctionnent ensemble pour assurer le chauffage et le refroidissement. La combinaison des technologies dépend de plusieurs facteurs : les besoins en chauffage et en refroidissement du bâtiment, l'espace disponible (par exemple, pour installer une pompe à chaleur sur le toit) et les systèmes existants (par exemple, une chaudière à gaz dans les projets de rénovation).
Avantages d'un système hybride
Les systèmes hybrides sont parfois la seule option pratique, par exemple lorsque l'espace disponible pour un champ de forage est limité. Cependant, ils présentent également d'autres avantages.
Des coûts d'investissement plus faibles : Les systèmes hybrides vous permettent de combiner les forces de différentes technologies pour économiser de l'argent. Certaines technologies ont des coûts initiaux plus faibles mais des coûts d'exploitation plus élevés, alors que les champs de forage sont souvent la partie la plus coûteuse du système. Par exemple, en réduisant la taille du champ de forage de 10% grâce à une conception hybride, on peut réduire considérablement les dépenses d'investissement (CAPEX) et rendre le projet plus abordable.
Fiabilité accrue du système : En utilisant plusieurs technologies, les systèmes hybrides constituent une solution de secours naturelle. Si une partie tombe en panne, l'autre peut toujours répondre aux besoins du bâtiment.
!Note
La conception des systèmes de secours est une considération distincte. En général, plus de 100% de la puissance nécessaire pour chauffer ou refroidir votre bâtiment est installée. Cela permet de s'assurer qu'en cas de problème (ou si les besoins de chauffage et de refroidissement ont été sous-estimés), le système peut toujours fournir la charge requise.
1TP5La mise en place d'un système hybride
Une décision clé dans la conception d'un système géothermique hybride est de déterminer quelle part de la charge de chauffage et de refroidissement le champ de forage doit prendre en charge. Doit-il être la source principale ou doit-il partager la charge avec une autre technologie ? La principale question qui se pose est la suivante : Quelle part géothermique puis-je atteindre avec un certain nombre de forages ?
Cette question est étroitement liée au concept de potentiel géothermique.
Qu'est-ce que le potentiel géothermique ?
En ce qui concerne le potentiel géothermique d'un champ de forage, on peut faire trois distinctions :
- Potentiel de puissance : La capacité de fournir plus de chauffage ou de refroidissement en période de pointe.
- Potentiel énergétique : La capacité d'échanger plus d'énergie avec le sol au fil du temps, même si les demandes de pointe sont déjà satisfaites.
- Pas de potentiel géothermique : Lorsque le champ de forage fonctionne déjà à sa pleine capacité en termes de puissance et d'énergie.
Potentiel géothermique pour l'électricité
Imaginons que nous ayons un champ de forage dont le profil de température ressemble à la figure ci-dessous. Comme vous pouvez le voir, le champ de forage atteint ses limites au cours de la première année d'exploitation avec la température moyenne maximale du fluide. Il n'est pas possible d'injecter davantage de chaleur dans le sol (c'est-à-dire de refroidir davantage votre bâtiment) à ce stade, car cela dépasserait les limites de température. Si l'on examine la température minimale du fluide, on constate qu'elle n'est pas proche de la température moyenne minimale du fluide. Cela signifie que nous pouvons extraire davantage de chaleur du sol et fournir à notre bâtiment une puissance de chauffage supplémentaire. Par conséquent, nous pouvons conclure que ce champ de forage a potentiel de puissance.
!Note
Si vous n'êtes pas familier avec les profils de température, consultez notre article détaillé sur le sujet. ici.
Potentiel géothermique pour l'énergie
Si nous le faisons, nous nous retrouvons avec un champ de forage comme celui illustré dans la figure ci-dessous. Comme vous pouvez le constater, nous atteignons maintenant les seuils de température maximale et minimale, ce qui rend impossible l'ajout d'une puissance de refroidissement ou de chauffage supplémentaire au champ de forage. En effet, nous sommes déjà contraints par les limites maximales de chauffage et de refroidissement. Cependant, cette limitation ne se produit que la première année pour les pics de refroidissement et la dernière année pour les pics de chauffage. Les premières années, il est encore possible d'extraire davantage de chaleur du sol, tandis que les dernières années, il est possible d'injecter de la chaleur supplémentaire.
Si nous installions une énergie géothermique supplémentaire sur ce champ de forage, nous pourrions échanger plus d'énergie avec le sol, mais nous ne pourrions pas extraire plus d'énergie pendant les périodes de pointe. C'est pourquoi nous disons que ce champ de forage a potentiel d'énergie mais pas pour la puissance, car la puissance maximale atteint déjà les limites de température.
!Note
Dans certains cas, comme indiqué ci-dessus, l'installation d'une puissance de refroidissement supplémentaire pour injecter plus de chaleur dans le champ de forage au cours des dernières années pourrait également augmenter la puissance de chauffage géothermique. En injectant plus de chaleur dans le sol, nous corrigeons le déséquilibre dans le sol, créant ainsi un potentiel de chauffage supplémentaire. Dans un tel scénario, le champ de forage reviendrait à la catégorie précédente, retrouvant ainsi un certain potentiel de puissance de chauffage.
Cependant, étant donné que cet effet serait considéré comme un effet de “second ordre”, il est généralement négligé dans la convention de dénomination. Par conséquent, nous classons ce champ de forage comme n'ayant pas de potentiel de puissance de crête supplémentaire, mais comme ayant un potentiel d'échange d'énergie supplémentaire.
Pas de potentiel géothermique
Le dernier cas que nous pouvons avoir est la situation ci-dessous. Comme vous pouvez le voir, nous avons installé une puissance supplémentaire pour ce champ de forage afin de pouvoir fournir à notre bâtiment un peu plus de refroidissement au cours des dernières années de simulation et un peu plus de chauffage au cours des premières années d'exploitation. Puisque le champ de forage atteint maintenant les limites de température chaque mois, nous concluons que ce champ de forage n'a aucun potentiel géothermique, ni pour l'énergie, ni pour la production d'électricité.
!Note
Strictement parlant, on peut affirmer qu'il reste un certain potentiel pour ce champ de forage, étant donné que le seuil maximum de la température moyenne du fluide n'est pas atteint pendant l'hiver et certains mois du printemps. Pour y parvenir, il faudrait modifier la demande du bâtiment ou raccorder un autre bâtiment au champ de captage. Cela sort toutefois du cadre de cet article.
Relation entre les systèmes hybrides et le potentiel géothermique
Quel est le rapport avec les systèmes hybrides ? Comme nous l'avons déjà mentionné, la question centrale de la conception des systèmes géothermiques hybrides est la suivante : quelle part de la charge puis-je couvrir avec x trous de forage ? La réponse est simple : cela dépend. Cela dépend de votre potentiel géothermique et de la manière dont vous choisissez d'optimiser votre champ de forage.
Systèmes hybrides avec un potentiel géothermique résiduel pour l'énergie
Une possibilité consiste à concevoir le champ de forage de manière à ce qu'il n'y ait plus de potentiel de puissance, mais qu'il reste un certain potentiel d'énergie (la deuxième situation décrite ci-dessus). Dans ce cas, vous savez qu'une quantité spécifique d'énergie peut être extraite de manière fiable au cours de chaque année de la période de simulation. Le système hybride peut alors être conçu pour couvrir la partie restante de la charge. Cette approche garantit un système qui couvre 100% de la charge sans surdimensionnement, ce qui minimise les coûts d'investissement (CAPEX).
L'inconvénient de cette conception est qu'elle n'utilise pas tout le potentiel énergétique du champ de forage. En installant une puissance supplémentaire, il serait possible d'échanger plus d'énergie avec le sol. Étant donné que la pompe à chaleur (et en particulier le refroidissement passif) a généralement le rendement le plus élevé au sein du système CVC, le fait de ne pas exploiter tout son potentiel se traduit par un rendement sous-optimal. Par conséquent, les coûts opérationnels (OPEX) seront plus élevés que nécessaire.
Systèmes hybrides sans potentiel géothermique résiduel
L'autre possibilité consiste à concevoir le champ de forage de manière à ce qu'il ne reste aucun potentiel énergétique (la troisième situation décrite ci-dessus). Dans ce cas, la puissance installée est supérieure à celle qui peut être utilisée chaque année de la période de simulation. Cette approche maximise l'énergie échangée avec le sol, en utilisant pleinement son potentiel et en ne laissant aucune capacité géothermique inutilisée. Elle garantit la plus grande part d'énergie géothermique dans le système, ce qui conduit à la meilleure performance globale du système et à l'OPEX le plus bas.
L'inconvénient de cette approche est que la puissance installée ne peut pas toujours être pleinement utilisée, ce qui nécessite une compensation par le biais du système hybride. Il en résulte un système dont la puissance installée est supérieure aux besoins réels du bâtiment, ce qui entraîne des coûts d'investissement plus élevés en raison du surdimensionnement.
!Note
Le surdimensionnement n'est pas toujours un inconvénient. Dans certains cas, une alimentation de secours supplémentaire peut être souhaitable, afin d'accroître la fiabilité du système.
Conclusion
Dans cet article, nous avons introduit les concepts de systèmes hybrides et de potentiel géothermique. Nous avons démontré que les champs de forage peuvent avoir un potentiel géothermique pour l'électricité, un potentiel géothermique pour l'énergie ou aucun potentiel géothermique. Ces concepts ont ensuite été reliés à la conception de systèmes géothermiques hybrides, où la décision de concevoir un système avec un potentiel énergétique restant ou sans potentiel du tout entraîne des coûts d'investissement (CAPEX) et des coûts opérationnels (OPEX) différents.
Dans le prochain article, nous approfondirons ces deux concepts et discuterons de la méthodologie de conception d'un champ de forage pour atteindre l'un ou l'autre type de potentiel géothermique.
Références
- Regardez notre vidéo d'explication sur notre page YouTube en cliquant sur ici.