Dans cette partie, nous aborderons exclusivement les systèmes hybrides et, plus précisément, les systèmes géothermiques hybrides. Ce chapitre présentera le concept des systèmes hybrides, en expliquant leurs avantages et leurs inconvénients. Nous nous pencherons ensuite sur la notion de potentiel géothermique, ainsi que sur la différence entre l'optimisation et la simulation d'un système.
Qu'est-ce qu'un système hybride ?
Pour les systèmes de plus grande envergure (comme, par exemple, un bâtiment à fonctions multiples ou des réseaux de chauffage et de refroidissement urbains de 5e génération), les besoins cumulés des bâtiments sont souvent très élevés, tant en termes de demande annuelle que de puissance de pointe qui en résulte. Si 100% de cette charge devait être fournie par une seule et même technologie (dans notre cas, le champ de forage), cela nécessiterait probablement de nombreux forages. Mais il se peut qu’il n’y ait pas suffisamment d’espace pour installer un champ de forage de la taille requise, ou que le budget nécessaire fasse défaut. Ou bien, ce qui est encore plus souvent le cas, il existe une alternative plus rentable.
C'est précisément là qu'intervient le concept de systèmes géothermiques hybrides. Un système hybride, dans GHEtool, est défini comme une combinaison de plusieurs technologies qui, ensemble, répondent aux besoins énergétiques du bâtiment. Dans le cas d'un système géothermique hybride, comme son nom l'indique, la technologie géothermique joue un rôle central. Ceci est illustré ci-dessous.
L'intérêt des systèmes hybrides réside dans le fait que le choix des technologies combinées n'a pas d'importance. Souvent, un champ de forages associé à une pompe à chaleur géothermique peut être combiné avec une pompe à chaleur aérothermique pour apporter un soutien pendant les heures de pointe, ou bien un réseau de chauffage urbain peut être utilisé pour couvrir la partie restante de la charge. La combinaison idéale de technologies dépend uniquement des besoins de votre bâtiment (par exemple, avez-vous besoin d’une technologie capable de prendre le relais lors des pics de charge ou simplement d’une technologie pouvant assurer la charge de base ?), de l’espace disponible (y a-t-il suffisamment de place pour installer une pompe à chaleur aérothermique ?) ou des systèmes existants (par exemple, une chaudière à gaz dans le cadre de projets de rénovation).
Avantages d'un système hybride
Les systèmes géothermiques hybrides constituent parfois la seule option pratique et réalisable pour un projet, par exemple lorsque la zone de forage disponible est limitée. Cependant, ils présentent également d’autres avantages :
Coûts d'investissement réduits: Les systèmes hybrides permettent de combiner les atouts de différentes technologies afin de réaliser des économies. Certaines technologies présentent des coûts initiaux plus faibles mais des coûts d’exploitation plus élevés, tandis que les champs de forage constituent souvent la partie la plus coûteuse du système en termes d’investissement, mais offrent un excellent rendement pour la pompe à chaleur géothermique. Par exemple, réduire la taille du champ de forage de 10% grâce à une conception hybride 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.
Design : les défis d'un système hybride
Le choix de la combinaison idéale de technologies constitue bien sûr un premier défi de conception, mais plutôt simple, car il est souvent déterminé par les contraintes du projet (surface de toiture disponible, restrictions en matière de bruit, disponibilité du chauffage urbain, etc.). Le principal défi consiste à déterminer la taille requise pour chaque technologie afin d’obtenir, au final, le meilleur système possible. Étant donné que ce cours est entièrement consacré à la conception de champs de forages géothermiques, la question centrale pour tout système géothermique hybride est la suivante : “ Quelle part d’énergie géothermique pouvons-nous obtenir avec un certain nombre de forages ? ”
Cela nous amène directement au concept de potentiel géothermique.
Qu'est-ce que le potentiel géothermique ?
En ce qui concerne le potentiel géothermique d'un champ de forages, trois options s'offrent à nous :
- Potentiel de puissance : la capacité à fournir davantage de puissance de chauffage ou de climatisation en période de pointe.
- Potentiel énergétique : la capacité à échanger davantage d'énergie avec le sol au fil du temps, même si les pics de demande sont déjà couverts.
- Pas de potentiel géothermique : lorsque le parc de forages fonctionne déjà à pleine capacité, tant en puissance qu'en énergie.
Ces trois options sont brièvement présentées ci-dessous.
Potentiel géothermique pour l'électricité
Imaginons un champ de forages présentant un profil de température similaire à celui de la figure ci-dessous. Comme on peut le constater, le champ de forages atteint ses limites dès la première année d’exploitation, avec la limite maximale de température du fluide. Il n’est pas possible d’augmenter la puissance d’injection de chaleur, car cela dépasserait les limites de température. En revanche, si l'on examine la température minimale du fluide, celle-ci est loin d'atteindre la limite inférieure. Cela signifie que nous pouvons extraire davantage de chaleur du sol et fournir à notre bâtiment une puissance de chauffage supplémentaire. Nous pouvons donc en conclure que ce champ de forages présente potentiel de puissance, en l'occurrence la puissance d'extraction.
Potentiel géothermique pour l'énergie
Lorsque la charge d'extraction sur le champ de forage ci-dessus est augmentée, on obtient le profil de température ci-dessous. À présent, la température du fluide atteint les limites fixées tant au cours de la première que de la dernière année de la période de simulation, ce qui rend impossible toute augmentation supplémentaire de la puissance d'injection ou d'extraction, car les limites du fluide seraient alors à nouveau dépassées. Toutefois, cette limitation ne se produit que la première année pour l'injection maximale et la dernière année pour l'extraction maximale. Au cours des premières années, il est encore possible d'extraire davantage de chaleur du sol, tandis que dans les dernières années, il est possible d'injecter davantage de chaleur.
Si nous devions installer une capacité géothermique supplémentaire sur ce champ de forages, nous pourrions échanger davantage d'énergie avec le sol, mais nous ne serions pas en mesure d'extraire plus d'énergie pendant les périodes de pointe. C'est pourquoi nous disons que ce champ de forages a potentiel d'énergie mais pas pour la puissance, car la puissance maximale atteint déjà les limites de température.
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
Dans le profil de température ci-dessous, on constate clairement qu'il y a plus aucun potentiel géothermique, étant donné que les températures du fluide atteignent à la fois les limites maximales et minimales au cours de chaque année de la période de simulation.
- La notion de potentiel géothermique est toujours relative à la charge thermique requise par le bâtiment. Si le bâtiment ne présente aucun besoin de refroidissement en hiver, il n'y a pas de potentiel pour une charge d'injection plus élevée, puisqu'il n'y en a pas.
- Il est toutefois possible de sortir des sentiers battus et de rechercher des bâtiments situés à proximité qui pourraient tirer profit d'un raccordement au même champ de forages. C'est par exemple le cas des bâtiments présentant des charges opposées, comme les immeubles d'habitation et les immeubles de bureaux, ou encore les piscines et les patinoires.
La différence entre l'optimisation et la simulation d'un système hybride
Dans cette partie, nous aborderons deux approches différentes de la conception des systèmes hybrides, à savoir l'optimisation et la simulation de ces systèmes. Bien que ces deux approches soient complémentaires, il est important de comprendre leurs différences fondamentales afin de savoir quand utiliser l'une ou l'autre.
Optimisation des systèmes hybrides
Lorsqu'on optimise un système géothermique hybride, la question centrale est toujours la suivante : “ Que peut-on faire avec un champ de forages d'une taille donnée ? ”, ce qui établit un lien direct entre la conception du système et la notion de potentiel géothermique. En d'autres termes, il s'agit d'une méthodologie « borefield-first » l'objectif étant dans un premier temps d'obtenir le plus de puissance possible (Partie 9.2) ou d'énergie (Partie 9.3) provenant du réseau de forages géothermiques, et ce qu’il ne peut pas fournir doit l’être par un autre moyen. L’objectif est de tirer le meilleur parti de votre composant (probablement) le plus coûteux.
Simulation de systèmes hybrides
Lorsque vous simulez un système géothermique hybride, le principe est légèrement différent. Dans ce cas, vous sélectionnez a priori la puissance de chaque technologie hybride ainsi que le seuil de température au-dessus ou en dessous duquel la technologie hybride doit être activée. Par exemple, lorsque la température de l'air extérieur est supérieure à 12 °C, il est probablement plus efficace de faire fonctionner une pompe à chaleur aérothermique plutôt qu'une pompe à chaleur géothermique. Dans ce cas, il suffit de préciser qu'une pompe à chaleur aérothermique d'une puissance de x kW s'active au-delà de 12 °C. Cette approche peut également être considérée comme « hybride d'abord », car, en fonction des seuils définis, il commence par retirer une partie de la charge du champ de forages, après quoi ce dernier peut être simulé comme auparavant.
Cette approche par simulation est plus rapide que celle par optimisation, mais elle ne vous donnera pas la même part géothermique, car elle n'est pas directement liée à la notion de potentiel géothermique. Ce point sera abordé dans Partie 9.5.
Conclusion
Dans ce chapitre, le concept de systèmes hybrides a été présenté, en expliquant à la fois ses avantages et ses inconvénients, ainsi que la notion de potentiel géothermique. Il a été souligné que la conception de ces systèmes hybrides, en particulier la question de la part de l'énergie géothermique dans un système hybride donné, était loin d'être anodine, et qu'il existait différentes façons d'aborder ce problème, selon que l'on souhaite optimiser le système hybride ou simplement le simuler.
Dans les chapitres suivants, nous aborderons différentes méthodologies de conception des systèmes hybrides, chacune présentant ses propres cas d'utilisation, avantages et inconvénients. Ensemble, elles constitueront une véritable « boîte à outils » dans laquelle le concepteur de champs de forage pourra puiser et combiner les éléments dont il a besoin pour prendre une décision éclairée concernant le système final.
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]