Dans le chapitre précédent, nous avons abordé l’algorithme permettant d’optimiser un système géothermique hybride afin d’obtenir une part maximale d’énergie géothermique. Le principal avantage de cette approche était qu’elle évitait tout surdimensionnement de l’ensemble du système hybride, mais son inconvénient était qu’elle ne permettait pas d’exploiter pleinement le potentiel géothermique. C’est précisément ce problème que permet de résoudre une stratégie d’optimisation visant à maximiser la part d’énergie géothermique.
Système hybride optimisé sur le plan énergétique
Lorsque le champ de forages est optimisé pour un rendement géothermique maximal, l'objectif de conception est le suivant :
Optimisez les besoins en chauffage, en climatisation et/ou en eau chaude sanitaire afin de maximiser l'énergie que vous injectez dans le sol et que vous en extrayez sur toute la durée de la simulation.
La philosophie qui sous-tend la méthodologie ci-dessus consiste à réduire tout le potentiel géothermique jusqu'à ce qu'il n'en reste plus. Cela apparaît clairement dans le profil de température ci-dessous.
Contrairement à la méthode visant à maximiser la puissance géothermique, cette stratégie d’optimisation ne garantit toutefois pas que la puissance obtenue, qui offre le meilleur rendement énergétique sur l’ensemble de la période de simulation, puisse toujours être utilisée au cours de cette même période. En d'autres termes, lorsque l'algorithme renvoie x kW de puissance requise, il est certain que cela conduit au rendement énergétique le plus élevé sur l'ensemble de la période de simulation, mais cela ne signifie pas pour autant que l'on puisse disposer de ces x kW à tout moment au cours de cette période.
Cela implique qu’il faille en tenir compte lors de la conception des technologies hybrides. Au final, la puissance installée cumulée sera supérieure à celle obtenue dans le cas d’une optimisation axée sur la puissance, car dans ce cas précis, la production géothermique ne peut être garantie à tout moment.
Dans la section ci-dessous, nous expliquerons l'algorithme permettant d'optimiser l'échange d'énergie.
Algorithme Optimisation
La conception des systèmes géothermiques hybrides n'étant pas une mince affaire et pouvant parfois donner lieu à des résultats surprenants, il est important de bien comprendre l'algorithme d'optimisation sous-jacent. Le raisonnement algorithmique est expliqué ci-dessous.
- Commencez par un profil horaire de la demande en chauffage, en climatisation (et, éventuellement, en eau chaude sanitaire) et par une configuration donnée et fixe du champ de forage.
- Parcourez chaque heure (i) de la période de simulation en effectuant les étapes suivantes :
- Calculez la température du fluide à l'instant (i), en tenant compte de toutes les charges précédentes et en supposant que les besoins énergétiques du bâtiment à l'instant (i) sont couverts par le champ de forages.
- Vérifier si :
- La température minimale du fluide à l'heure actuelle est inférieure au seuil défini.
Si c'est le cas, la puissance d'extraction est trop élevée ; il convient donc de la réduire en limitant soit la demande de chauffage, soit celle d'eau chaude sanitaire. Selon celle que vous souhaitez réduire en premier, la demande de chauffage ou celle d'eau chaude sanitaire sera réduite de x% pour l'heure en cours.
Si la température du fluide dépasse le seuil fixé, le réseau de forages géothermiques peut répondre aux besoins actuels en chauffage et en eau chaude sanitaire. - La température maximale du fluide à l'heure actuelle est supérieure au seuil défini.
Si c'est le cas, la puissance d'injection est trop élevée, ce qui signifie que la puissance de refroidissement doit être réduite de x% pour l'heure en cours.
Si la température du fluide est inférieure au seuil, le champ de forage peut prendre en charge l'injection et aucune modification n'est nécessaire.
- La température minimale du fluide à l'heure actuelle est inférieure au seuil défini.
- Si la température du fluide se situe dans les limites prévues, la puissance du système géothermique est définie, et la puissance restante qui ne peut être fournie par le champ de forages à cette heure-là doit être assurée par la solution hybride. Passez à l'étape (2.5).
- Si la température du fluide se situe en dehors des limites, ajustez la charge horaire afin de l'aligner sur les nouvelles puissances de pointe déterminées à l'étape (2.2), puis revenez à l'étape (2.1).
- Dès que la température du fluide à l'instant (i) est acceptable, passez à l'heure suivante.
- C'est fait.
Dans l'algorithme ci-dessus, la principale différence par rapport à l'algorithme précédent (voir Partie 9.2) est qu'ici, la puissance de pointe pour le chauffage, la climatisation et l'eau chaude sanitaire est réduite pour chaque heure séparément, alors que dans l'optimisation en termes de puissance, elle est réduite pour toute la durée de la simulation. Il est donc possible que, dans ce cas, la puissance disponible pour le chauffage, la climatisation ou l'eau chaude sanitaire varie. C'est ce qu'illustre le graphique ci-dessous.
Le graphique de contribution géothermique ci-dessus correspond à la méthode d'optimisation énergétique, tout comme la courbe de charge-durée correspond à l'algorithme d'optimisation de puissance. Ici, pour chaque année de la période de simulation, la puissance géothermique disponible (et l'échange d'énergie correspondant) peut varier en raison du déséquilibre du système. En examinant le profil de température présenté précédemment, on observait clairement un système dominé par l’extraction, dans lequel la puissance d’extraction (chauffage et eau chaude sanitaire) diminue au fil des années tandis que le refroidissement augmente.
C'est exactement ce que l'on constate sur un graphique comme celui ci-dessus : au fil des années, la puissance de chauffage ainsi que le chauffage de base diminuent, parallèlement à la demande énergétique, tandis que la puissance de refroidissement augmente.
Exemple en GHEtool
Afin d'illustrer les avantages et les inconvénients de cette méthode par rapport à l'approche d'optimisation de la puissance, nous reprenons l'exemple présenté dans le chapitre précédent. Pour commencer, nous considérons le même réseau de forages 5×5 avec une profondeur de forage de 100 m. La part géothermique du système géothermique hybride est présentée ci-dessous.
La première chose que l'on peut remarquer, c'est que le même champ de forages qui, dans le chapitre précédent, ne pouvait couvrir que 89,51 TP21T de la demande de chauffage et 971 TP21T de la demande de refroidissement, peut désormais fournir 991 TP21T en chauffage et 99,91 TP21T en refroidissement ; mais pour y parvenir, il faut installer respectivement 48 kW au lieu de 25 kW et 97 kW au lieu de 54 kW.
La première chose que l'on peut remarquer, c'est que le même champ de forages qui, dans le chapitre précédent, ne pouvait couvrir que 89,51 TP21T de la demande de chauffage et 971 TP21T de la demande de refroidissement, peut désormais fournir 991 TP21T en chauffage et 99,91 TP21T en refroidissement ; mais pour y parvenir, il faut installer respectivement 48 kW au lieu de 25 kW et 97 kW au lieu de 54 kW.
Sur le graphique ci-dessus, on constate clairement qu’au cours des 1 à 3 premières années, la puissance de refroidissement géothermique augmente considérablement en raison du déséquilibre au niveau du champ de forages et de la baisse progressive de la température du fluide au cours de ces trois premières années. À partir de la troisième année, la puissance maximale de refroidissement reste stable et la limite maximale de température du fluide n’est plus atteinte. Au bout d’environ 15 ans, lorsque la limite minimale de température du fluide est atteinte, la puissance disponible en chauffage diminue également. C’est en raison du potentiel de refroidissement géothermique initialement plus faible, ainsi que du potentiel de chauffage géothermique plus faible après 20 à 25 ans, que le système hybride doit être dimensionné plus largement pour tenir compte de ces facteurs.
Lorsque le champ de forage est réduit à une configuration 4×5, la contribution géothermique est visible ci-dessous.
Une fois encore, tout comme dans le cas de l'optimisation de la puissance, la réduction de la taille du champ de forage entraîne une diminution de la part de la géothermie. Cette fois-ci, la part géothermique restante s’élève à 91,81 TP21T pour le chauffage et à 99,91 TP21T pour le refroidissement, ce qui est nettement supérieur aux 731 TP21T et 921 TP21T obtenus lors de l’optimisation en termes de puissance, mais là encore au prix d’une puissance installée cumulée plus importante.
En réduisant encore la grille de forage à une configuration 4×4, on obtient la répartition géothermique suivante.
Pour ce champ de forages plus petit, la part du chauffage géothermique reste supérieure à 80%, alors qu’elle était de 57% dans le cas de l’optimisation pour la production d’électricité. Contrairement au chapitre précédent, cependant, une très petite partie de la demande en eau chaude sanitaire ne peut déjà plus être couverte par le champ de forages. En effet, la méthode d’optimisation énergétique autorise un déséquilibre plus important (74 MWh/an contre 61 MWh/an) ; les températures des fluides sont donc également plus basses au cours de la dernière année, ce qui rend impossible le respect des limites en se contentant de réduire la demande de chauffage. Le profil de température se présente désormais comme suit.
Compte tenu de ce profil de température, le graphique ci-dessous illustrant la contribution géothermique prend tout son sens. En raison de ce déséquilibre important, la puissance de chauffage passe de 48 kW la première année à 32 kW la dernière année. Parallèlement, la puissance de refroidissement passe de 60 kW la première année à 97 kW à partir de la 11e année.
On peut considérer que la différence entre les méthodes « optimisation pour la puissance » et « optimisation pour l'énergie » réside simplement dans le fait qu'il s'agit de deux points de vue différents sur un même problème, deux cas extrêmes en quelque sorte, et qu'en réalité, la solution optimale se situera quelque part entre les deux. Par exemple, dans le cas de l’optimisation pour la puissance du champ de forages 4×4, on a obtenu une puissance géothermique maximale de 13 kW avec une charge de chauffage annuelle de 53 MWh. Si l’on effectue la même simulation avec la méthode d’optimisation pour l’énergie et que l’on limite la puissance de chauffage maximale à 13 kW, on obtient le profil de température suivant.
Étant donné que, dans la simulation ci-dessus, seul le chauffage a été limité dans le cadre de la solution du scénario « optimisation de la puissance », les températures des fluides atteignent toujours la limite maximale, contrairement à la température minimale. Cela signifie que, par rapport au cas « optimisation de la puissance », l'injection de chaleur est plus importante dans ce scénario, ce qui réduit le déséquilibre de 61 MWh/an à 59 MWh/an ; dans ce cas, la même puissance de chauffage de 13 kW permet de fournir en moyenne 55 MWh/an en raison de la charge d'injection plus élevée.
Le graphique correspondant à la contribution géothermique est présenté ci-dessous.
Dans le profil de température ci-dessus, les charges de chauffage et d'eau chaude sanitaire (c'est-à-dire toutes les charges d'extraction) restent constantes tout au long de la période de simulation, ce qui indique qu'il n'y a plus de surdimensionnement au niveau du chauffage. En ce qui concerne le refroidissement, la charge augmente d'année en année en raison du déséquilibre du système.
Ce déséquilibre, présent tant dans l'optimisation énergétique que dans celle de la puissance, peut encore être très marqué et soulever des questions quant à la durabilité d'une conception de ce type. Que se passera-t-il au bout de 40 ans ? C'est pourquoi le chapitre suivant aborde le dernier algorithme d'optimisation : l'optimisation visant l'équilibre.
Conclusion
Ce chapitre a présenté la deuxième méthodologie de conception d'un système géothermique hybride, à savoir celle visant à optimiser l'énergie géothermique. En réduisant la puissance de pointe maximale pour le chauffage, l'eau chaude sanitaire et/ou le refroidissement à chaque heure de la période de simulation, il est possible d'obtenir un profil de charge tel que le profil de température qui en résulte reste toujours dans les limites de température tout en échangeant un maximum d'énergie avec le sol, au prix toutefois d'un surdimensionnement de l'ensemble du système hybride.
Dans cet exemple, il a été démontré qu'il était possible d'obtenir une part d'énergie géothermique dans le chauffage de 801 TP21T, alors que le même champ de forages, optimisé uniquement pour la production d'électricité, ne permettait d'atteindre qu'une part d'énergie géothermique dans le chauffage de 571 TP21T. En utilisant la fonctionnalité permettant de limiter la production d'électricité géothermique, il est possible de contrôler le surdimensionnement afin de trouver le juste équilibre entre les deux méthodes.
Cependant, tant la méthode d’optimisation énergétique que celle d’optimisation de la puissance présentent encore un déséquilibre important. Dans le chapitre suivant, la méthode d'optimisation de l'équilibre permettra de remédier à ce problème.
Références
- Peere, W. (2025). Trois méthodes de conception d'un système hybride de chauffage et de climatisation géothermique pour un immeuble de bureaux. Dans Actes de la conférence Geo-Rin. Benasque (Espagne), du 2 au 6 juin 2025. [en ligne]