Vers une exploitation optimale du potentiel géothermique en ville

Maîtriser l’impact thermique des activités humaines sur les aquifères urbains

L’énergie géothermique des aquifères urbains constitue une source d’énergie robuste, décentralisée et renouvelable. En effet, il s’agit d’une ressource susceptible de satisfaire une part significative des demandes énergétiques exprimées sur les territoires urbanisés, elle repose sur une multitude de sources de production, et son exploitation présente l’avantage d’une très faible émission en gaz à effet de serre (GES).

La gestion du potentiel géothermique des aquifères urbains constitue ainsi un enjeu stratégique dans la mesure où l’optimisation de son exploitation contribuera à atteindre les objectifs fixés par la Commission européenne et définis par le cadre pour le climat et l’énergie à l’horizon 2030 : réduction des émissions de GES d’au moins 40 % par rapport aux niveaux de 1990 et porter la part des énergies renouvelables à au moins 27 %.

Cependant, la gestion de l’exploitation géothermique en ville présente quelques spécificités, notamment du fait de la multiplicité des sources de chaleur qui co-existent : les aménagements souterrains, les sols imperméabilisés, des réseaux et des systèmes géothermiques etc. Plusieurs études menées dans le monde montrent que ces sources de chaleur urbaines sont responsables d’un réchauffement du sous-sol urbain pouvant dépasser plusieurs degrés. Ce réchauffement du sous-sol peut altérer le fonctionnement des systèmes géothermiques exploités en climatisation. Ces îlots de chaleur souterrains doivent donc être pris en compte afin d’éviter les interférences entre dispositifs géothermiques et permettre le bon développement de la filière.

Les activités du Cerema pour accompagner le développement de la filière géothermique

Le Cerema a engagé des travaux afin de comprendre la contribution des aménagements sur le réchauffement des sous-sols urbains. Ces études s’appuient pour cela sur une expertise dans le domaine de la modélisation numérique des processus hydrodynamiques et thermiques (Figure 1). Ces modélisations permettent de quantifier les impacts thermiques cumulés causés par les aménagements et les constructions souterraines, notamment dans les quartiers les plus densément bâtis des centres-villes [1], et ainsi d’identifier les secteurs les plus favorable pour le développement de la filière géothermique.

Plus récemment, une collaboration entre l’Institut Technologique de Karlsruhe (Allemagne), l’université d'Ingolstadt (Allemagne) et le Cerema a permis de dresser une synthèse des méthodes d’estimation et de cartographie du potentiel géothermique des villes [2], et de se pencher sur la question des interférences qui peuvent survenir entre des installations géothermiques voisines [3]. Cette dernière étude présente notamment quelques solutions de calcul simples pouvant être utilisées pour éviter ces interférences et estimer les distances à respecter entre plusieurs installations : elles dépendent du contexte hydrogéologique et du dimensionnement des dispositifs. Une fiche de sensibilisation a également été publiée sur ce sujet [4].

Références :

[1] Attard, G., Rossier, Y., Winiarski, T., & Eisenlohr, L. (2016). Deterministic modeling of the impact of underground structures on urban groundwater temperature. Science of The Total Environment, 572, 986-994. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.07.229

[2] Bayer, P., Attard, G., Blum, P., & Menberg, K. (2019). The geothermal potential of cities. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 106, 17-30 https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.148

[3] Pophillat, W., Attard, G., Bayer, P., Hecht-Méndez, J., & Blum, P. (2018). Analytical solutions for predicting thermal plumes of groundwater heat pump systems. Renewable Energy. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.07.148

[4] Cerema (2018). Impacts des aménagements sur l’eau souterraine urbaine – Impact thermique de la géothermie sur eau de nappe. Cerema, collection Références. ISSN 2276-0164