Volume 22, numéro 2, juin 2008

Dévoilement des résultats du projet de démonstration de la géothermie à gaz naturel

C’est maintenant une solution de rechange. Une nouvelle technologie de thermopompe par absorption s’ajoute aux options des clients qui désirent accroître la performance énergétique de leurs bâtiments. Les résultats du projet de démonstration sont disponibles après plus d’un an de mesurage en continu. C’est une technologie prometteuse car elle est la seule pouvant fournir des températures de chauffe supérieures à 45 °C (115 °F) en l’adaptant à la géothermie, mais également, la seule pouvant opérer en aérothermie à partir de températures extérieures allant jusqu’à -29 °C.

La polyvalence du gaz naturel, pour lequel on atteint des niveaux d’efficacité de chauffage de 95 % en condensant les vapeurs d’eau de sa propre combustion, gagne donc de nouveaux sommets. Son efficacité atteint désormais des niveaux variant de 120 à 135 %.

Un succès pour la démonstration

Au printemps 2005, le Groupe DATECH de Gaz Métro a entrepris de démontrer commercialement la performance ainsi que la fiabilité de la géothermie à gaz naturel pour en faire une première en Amérique du Nord. En effet, la Firme d’ingénierie CIMA+ de Montréal a intégré à ses plans et devis une option de géothermie à gaz naturel pour la rénovation d’un des multiples bâtiments du complexe immobilier Benny Farm. Contrairement aux autres bâtiments du complexe, le 24 logements, qui appartient à la Société d’habitation et de dévelop-pement de Montréal (SHDM), a bénéficié de cette option. Les coûts d’une telle implantation se sont élevés à 140 000 $ pour cinq puits verticaux de 168 mètres et trois thermopompes de marque Robur d’une capacité unique de 38 kW (130 MBh) en chauffage et 18 kW (5 tonnes) en climatisation.

Le réseau initial d’eau de chauffage en fonte du bâtiment a été conservé pour plus de confort et parce qu’une température plus basse peut y être exploitée de manière efficace. La mise en marche des appareils s’est faite en mars 2007 et après plus d’un an de mesure, les résultats répondent aux attentes de fiabilité et d’efficacité.

Un extrait des résultats d’efficacité mesurée mensuellement par le Centre des technologies gazières (CTGN) est d’ailleurs dévoilé ci-après. Ces résultats corroborent les spécifications du manufacturier (G.U.E. s’apparente à COP). Notez que comme dans tout projet de géothermie, l’efficacité varie en fonction des températures des puits (évaporateur) et des températures de chauffage (condenseur). L’exactitude physique quant à la possibilité d’obtenir une température de 60 °C (140 °F) à l’évaporateur a également pu être vérifiée.

Scénarios d’application comparatifs

Deux scénarios théoriques des besoins en chauffage de ce 24 logements ont été simulés à des fins comparatives, soit : un réseau pour planchers radiants à eau chaude (basse température) et un réseau caloporteur en fonte (température moyenne). Pour chacun des scénarios, trois technologies ont été évaluées en fonction d’une installation standard de chauffage afin de définir le coût énergétique des différentes possibilités.

Scénario 1

En prenant en considération que la géothermie électrique requiert des appoints (règle du 70 % / 30 %), nous constatons que pour un même bâtiment commercial neuf, la géothermie à gaz naturel ne nécessiterait pas d’appoint pour l’utilisation d’un même bassin terrestre tandis que les coûts d’énergie de chauffage seraient tout à fait comparables.

Scénario 1 : Comparatif théorique de différentes options reliées à un projet avec planchers radiants à l’eau chaude
(T ° d’entrée à l’évaporateur = 5 °C ; T ° de sortie au condenseur = 46 °C (115 °F)

Volume de base pour une installation standard Bâtiment chauffé avec appareils conventionnels (75 % efficacité) – Volume de référence 52 800 m3/an ou 28 456 $/an (2000 Gj/an) à 20 % d’ECD
Chaudière à condensation Géothermie électrique Géothermie à gaz naturel
  • Chauffage au gaz à 100  %
  • Avec chaudière à 94 % d’efficacité
  • Volume prévu de 42 130 m3/an @ 54,6 ¢/m3
  • = 23 003 $/an
  • (1596 Gj)
  • Géothermie électrique (COP de 2,5)
  • Avec appoint gaz et ECD 94 % eff.
  • 120 050 kWh/an pour 90 % chauffage de l’enveloppe @ 7 ¢/kWh 11 795 m3/an @ 59 ¢/m3 (ECD + 10 % chauffage de l’enveloppe)
  • = 15 363 $/an
  • (879 Gj)
  • Géothermie à gaz
  • Aucun appoint
  • 29 333 m3/an @ 55,7 ¢/m3
  • =16 338 $/an économie annuelle VS volume de référence 12 118 $ ou 888 Gj
  • (1111 Gj/an)

Scénario 2

Par ailleurs, pour des températures plus élevées comme dans le cas d’un réseau d’eau à température moyenne ou haute, il n’est pas adéquat d’utiliser la géothermie électrique puisque les technologies à compression n’atteignent pas les performances souhaitées en raison des températures du sol canadien.

Scénario 2 : COMPARATIF THÉORIQUE DE DIFFÉRENTES OPTIONS RELIÉES
À UN PROJET AVEC RÉSEAU CALOPORTEUR EN FONTE (PROJET DE DÉMO)
(T ° d’entrée à l’évaporateur = 5 °C ; T ° de sortie au condenseur = 60 °C (140 °F)*

Volume de base pour une installation standard Bâtiment chauffé avec appareils conventionnels (75 % efficacité) – Volume de référence 52 800 m3/an (2000 Gj/an) à 20 % d’ECD
Chaudière à condensation Géothermie électrique Géothermie à gaz naturel
  • Chauffage au gaz à 100 %
  • Avec chaudière à 90 % d’efficacité
  • Volume prévu de 44 000 m3/an @ 54,6 ¢/m3
  • = 24 024 $/an
  • (1667 Gj)
  • Géothermie électrique (COP de 2,5)
  • Géothermie à gaz
  • Aucun appoint (123 %)
  • 32 195 m3/an @ 55,7 ¢/m3
  • =17 932 $/an économie annuelle VS volume de référence 10 524 $ ou 780 Gj
  • (1282 Gj/an)

Une technologie performante pour la modernisation de bâtiments existants

La plupart du temps, les systèmes de chauffage à l’eau chaude des bâtiments existants n’opèrent pas à basse température, comme dans le cas des planchers radiants. Les températures de conception varient de 50 °C (120 °F) à 90 °C (200 °F) à l’alimentation. Or, la température d’alimentation des pompes géothermiques électriques est rarement plus élevée que 45 °C (115 °F). Au-delà de cette température, la durée de vie des compresseurs géothermiques s’amenuise très rapidement. De fait, à une température d’alimentation de plus de 45 °C (115 °F) et à une température de puits de 1 °C (35 °F), on peut avoir de mauvaises surprises, car de très grandes tensions mécaniques sont exercées sur le compresseur. Ce qui n’est pas le cas avec la technologie par absorption à gaz naturel.

En climatisation, la thermopompe par absorption est moins performante que la thermopompe électrique. Or, dans le cadre d’une modernisation d’un système de chauffage d’un bâtiment existant, l’option de déshumidifier uniquement l’air neuf en période de canicule pourrait s’avérer une solution de climatisation peu coûteuse et efficace, en stockant l’énergie dans le sol l’été pour la réutiliser en géothermie l’hiver. D’ailleurs, dans le contexte de la bonne énergie à la bonne place, il n’est pas interdit de penser que la climatisation puisse se faire avec la technologie électrique, et le chauffage, avec la technologie de thermopompe par absorption à gaz naturel, le tout par le biais de puits géothermiques communs aux deux technologies. (CF. Revues Gaz Québec, Automne 2007 et La Maîtrise de l’Énergie, Mars 2008).

En outre, étant donné son COP plus faible, il a été estimé que la géothermie à gaz naturel nécessite un bassin terrestre de 40 % moins important que dans le cas de la géothermie conventionnelle, et ce, pour des besoins identiques en chauffage. Ceci peut donc s’avérer une solution de compromis quant à l’investissement des puits de forage.

En conclusion, il est intéressant de savoir que des unités peuvent aussi être installées autant à l’intérieur qu’à l’extérieur, mais cette fois, en employant comme bassin thermique l’air au lieu du sol. Ce sont en fait des unités adaptées en thermopompes (voir image ci-dessus). Comme les PAC par absorption ne comportent pas de compresseur mécanique, elles peuvent supporter des températures extrêmes et donc être en mesure de fonctionner jusqu’à -29 °C. Ceci contraste avec les thermo-pompes air/air usuelles qui fonctionnent jusqu’à -5 °C. Ces unités air/eau peuvent également chauffer de l’eau à 60 °C (140 °F).

Enfin, les thermopompes par absorption de type eau/eau peuvent très bien être utilisées dans tout projet de récupération de chaleur industrielle ou commerciale.

AVANTAGES DE LA GÉOTHERMIE À GAZ AVANTAGES DE L’AÉROTHERMIE À GAZ
  • Énergie « partiellement » renouvelable (réduction importante de la consommation usuelle) ;
  • température du sol constante vs air ambiant pour les thermopompes ;
  • efficacité annuelle variant de 120 à 130 %;
  • coûts d’installation moins élevés en forage que la technologie par compression ;
  • températures d’alimentation variant de 37 °C à 60 °C (100 °F à 140 °F).
  • La thermopompe par absorption air/eau peut fonctionner jusqu’à des températures extérieures de -29 °C (certifiée CSA) ;
  • l’efficacité annuelle est de plus de 105 % sans aucun appoint nécessaire ;
  • aucun forage nécessaire (utilisation de la chaleur de l’air ambiant) donc les investis­sements sont nettement moins élevés
  • températures d’alimentation variant de 37 °C à 60 °C (100 °F à 140 °

Sébastien Lajoie, ing. CEM
Conseiller technique
Groupe DATECH

* Notez que la température moyenne de la boucle de chauffage du bâtiment lors du mesurage était de 120 °F, mais que théoriquement elle pourrait être à 140 °F