La géothermie basse température est
couplée à des systèmes thermodynamiques.
Le système thermodynamique le plus souvent utilisé est la
pompe à chaleur, pompe à chaleur géothermique.
L'objet de cette présentation est donc la présentation de
ces différentes pompes à chaleur.
Le principe de fonctionnement d'une pompe à chaleur est
présenté sur ce slide, il y a ici donc un schéma
simplifié d'une pompe à chaleur qui est composée d'une
machine et cette machine est entourée de deux types de sources.
L'objectif de la pompe à chaleur est de prélever de l'énergie
d'une source froide afin de la porter vers une source chaude.
On cherche donc à maximiser les transferts d'énergie.
Différents éléments doivent donc être pris en compte:
Q1. La quantité de chaleur prélevée dans la source froide;
Q2. La quantité de chaleur restituée à la source chaude.
Et pour que ce système puisse fonctionner, il est
nécessaire d’apporter un travail au système.
Ce travail est symbolisé par le symbole W.
Au niveau des évaluations des performances de ce type de
système, on doit donc faire un bilan énergétique.
Pour faire ce bilan, on se base sur le premier principe,
le principe de conservation de l'énergie qui nous dit que
l'énergie restituée à la source chaude est égale à l'énergie
prélevée à la source froide plus le travail.
À partir de ce premier principe, on pourra évaluer les
performances de notre installation par le biais d'un COP
dont le calcul peut se faire comme étant le rapport de la
température de la source chaude sur la variation entre la
température de la source chaude et la source froide.
Un COP est un élément qui est fondamental pour évaluer
les performances de notre installation.
De façon générale, l’ordre de grandeur d’un COP est compris entre 3 et 5.
Au niveau de ces ordres de grandeur, on se base souvent
sur les COP théoriques, néanmoins il est important de
prendre en compte le fait qu’un COP théorique est très
supérieur à un COP mesuré de façon réelle.
L'évaluation des COP réels et donc des performances
réelles de notre installation est soumise à l'ajout d'un
coefficient compris entre 0,4 et 0,7.
De cette façon, on pourra évaluer les performances
réelles de notre installation.
L'objectif de ces systèmes, c'est d'avoir un COP qui soit
le plus élevé possible.
Plus le COP sera important, plus notre système sera
efficace et plus les économies, si on parle en termes
financiers, plus les économies pourront être importantes.
C'est ce que l'on voit sur le tableau présenté sur ce slide.
Au niveau des pompes à chaleur, il existe différentes catégories.
La première catégorie est la pompe à chaleur à compression.
Cette pompe à chaleur est celle qui est la plus
représentée sur le marché et on a quasiment en France que
cette pompe à chaleur qui est utilisée.
Le schéma de principe de cette pompe à chaleur est
présenté ici en haut à gauche, on a différents éléments
qui composent cette pompe à chaleur et ces éléments
composent les différentes étapes.
La première étape consiste à la compression;
deuxième étape, on passe au niveau du condenseur;
ensuite une détente ;
et enfin, on récupère de la chaleur au niveau de l'
environnement.
La première étape consiste donc à prendre le fluide
frigorigène qui est sous la forme d'une phase gazeuse et
l'objectif du compresseur est de permettre à ce fluide
frigorigène d'avoir sa pression et sa température qui augmentent.
Une fois la pression et température augmentées et le
niveau que l'on souhaite au niveau de notre installation
obtenu, le fluide frigorigène est envoyé au niveau du condenseur.
L'objectif ici est de permettre au fluide frigorigène de
transférer son énergie vers un autre fluide qui nous
servira pour nos applications.
Ce fluide frigorigène va donc avoir sa température qui
diminue et sa pression qui diminue.
À la sortie du condenseur, le fluide frigorigène sera
passé en phase liquide.
La troisième étape est l’étape de détente.
La température et la pression de ce fluide diminuent
et en sortie du détendeur, on aura une étape où on va
pouvoir régénérer ce fluide - si on peut le dire comme ça
-, on va le passer au niveau de l'évaporateur, il va de
nouveau échanger par le biais d'un échangeur de l'énergie
avec un fluide qui va lui permet de repasser en phase
gazeuse avant de rentrer de nouveaux au niveau du compresseur.
On pourra ensuite reproduire à nouveau le cycle.
Quels sont les fluides frigorigènes qui sont utilisés?
Ils sont de différentes sortes et la sélection se fera en
fonction de la température de compression et la
température de condensation ou de la température de vaporisation.
Différentes catégories de fluides existent, mais il
apparaît que certains de ces fluides comme les CFC ou les
HFC présentent un fort impact environnemental et dans des
objectifs d'efficacité énergétique, on cherche à avoir
des fluides qui soient le moins impactants possibles.
Aujourd'hui, on utilisera donc des composés qui seront
différents et de façon organique, ces composés seront à
base de CO2 ou à base d'ammoniac.
L'autre catégorie de pompe à chaleur, c'est la pompe à chaleur à absorption.
Ici, la différence principale réside dans le fait que
l’apport on ne va pas se faire sous la forme d'une
énergie mécanique mais sous la forme d'une énergie thermique.
Vous avez un schéma de princip e présenté sur ce slide et, de nouveau,
quatre étapes seront nécessaires pour la production d'énergie.
La première et la dernière étape seront différentes
puisqu’ici, on fera des étapes où on cherchera à séparer
ou à regrouper deux particules afin de produire cette
énergie dont on a besoin.
Le principe de fonctionnement, on utilise donc ici des
réactions thermochimiques ou des réactions de sorption.
On va donc mettre deux fluides en présence, que l’on va
séparer par rapport à une énergie thermique ou que l'on va regrouper.
En fonction de ces séparations (donc la phase 1 dans le
désorbeur) on va séparer les deux fluides, on obtiendra
donc notre fluide frigorigène qui va repartir sous phase
gazeuse dans le condenseur, il va se condenser comme
précédemment (c'est-à-dire sa température et sa pression
vont diminuer suite à un échange avec un autre fluide),
il va ensuite aller dans une autre étape où il va de
nouveau pouvoir se recharger et repartir sous la forme
évaporation, sous la forme gaz, et enfin, une phase de
régénération, mais ici ce sera une phase de régénération
au niveau d'un absorbeur où on remettra les deux éléments en présence.
Les deux types de pompe à chaleur sont utilisés de manière différente.
De façon générale, on trouvera essentiellement des
applications avec des pompes à chaleur à compression.
Au niveau des installations, on aura donc différentes
installations qui pourront être mises en place, on va
coupler notre pompe à chaleur avec un échangeur qui va
être soit horizontal, soit vertical, l’objectif étant la
récupération de l'énergie contenue dans le sol.
Cette récupération de l'énergie dans le sol va se faire
en couplant la pompe à chaleur avec des capteurs horizontaux.
Donc dans le premier cas, on aura un couplage pour les
procédés à détente directe uniquement possible avec des
capteurs horizontaux.
Si on utilise des fluides intermédiaires, dans ces cas-là
on pourra utiliser différents types d'échangeurs (ici
on utilisera le fluide frigorigène qui sera utilisé sera
uniquement utilisé au niveau de la pompe à chaleur, il ne
sera pas propagé dans les capteurs horizontaux, verticaux
ou compacts qui auront été utilisés).
Enfin, une autre installation possible, c'est un procédé mixte
qui sera uniquement utilisable avec des capteurs horizontaux.
De nouveaux ici, le fluide frigorigène, comme dans le
premier cas pourra être utilisé tant au niveau de la
pompe à chaleur qu'au niveau de l'installation globale