La géothermie repensée

Stéphane Gagné Collaboration spéciale
Les professeurs-chercheurs Philippe Pasquier et Benoît Courcelles, de l’école Polytechnique Montréal
Photo: Source école Polytechnique Les professeurs-chercheurs Philippe Pasquier et Benoît Courcelles, de l’école Polytechnique Montréal

Ce texte fait partie d'un cahier spécial.

Depuis 2010, la géothermie connaît des temps difficiles attribuables à la baisse du prix du gaz naturel. Son coût élevé d’implantation n’arrive plus à concurrencer le prix du gaz. La recherche entreprise sur le sujet par les professeurs-chercheurs Philippe Pasquier et Benoît Courcelles, de l’école Polytechnique Montréal, pourrait toutefois changer la donne et relancer cette filière en abaissant son coût d’installation et en haussant son efficacité énergétique.

Pour y parvenir, ils ont conçu une unité de recherche, mobile et modulaire, dans un conteneur. Grâce à un don de 150 000 $ de l’Institut de l’énergie Trottier, ils prévoient faire plusieurs tests qui devraient permettre d’améliorer la technologie et la rendre plus accessible. De plus, le caractère mobile de l’unité permettra de tester la technologie à différents endroits et dans différentes conditions de sol.

La géothermie est une technologie, connue depuis des siècles, qui permet d’exploiter la chaleur contenue dans le sol en saison froide, et le froid en été. À l’aide d’un fluide caloporteur (liquide antigel ou eau souterraine), il est possible de chauffer les bâtiments en hiver et de les climatiser en été.

Il existe trois façons d’exploiter cette énergie gratuite. La géothermie à boucle fermée, qui utilise comme fluide caloporteur un liquide antigel ; la géothermie à boucle ouverte, qui utilise l’eau souterraine ; et la géothermie avec puits à colonne permanente. Cette dernière est aussi à boucle ouverte et utilise l’eau souterraine comme fluide caloporteur. Elle est cependant trois fois plus efficace énergiquement que la géothermie à boucle fermée, qui est la technique la plus utilisée en ce moment (90 % des installations l’utilisent).

La géothermie avec puits à colonne permanente

Cette dernière technologie intéresse les chercheurs Pasquier et Courcelles, de Polytechnique. Philippe Pasquier est spécialiste en géothermie et en hydrogéologie et professeur agrégé au Département des génies civil, géologique et des mines, et Benoît Courcelles est professeur adjoint dans le même département et spécialiste dans le traitement des eaux souterraines ainsi que la modélisation hydrogéologique et géochimique.

Depuis le début novembre, les premières expériences se déroulent sur le site de Canmet Énergie, à Varennes. Elles visent à simuler la consommation d’énergie, pour le chauffage et la climatisation, d’un édifice de dix étages grâce à ce type de géothermie.

En plus d’être très efficace énergiquement, l’implantation de cette technologie nécessite un investissement plus faible que la technologie à boucle fermée. Elle est de deux à cinq fois moins coûteuse que la géothermie à boucle fermée. « C’est qu’elle nécessite moins de puits, pas de matériaux dans les puits et pas de liquide caloporteur antigel, très coûteux, dit M. Pasquier. À titre d’exemple, les deux systèmes géothermiques [à boucle fermée] installés au pied des tours Vistal, à L’Île-des-Soeurs, ont nécessité le forage de 61 puits. Avec la technologie à colonne permanente, seuls une quinzaine de puits auraient été nécessaires. » M. Pasquier soutient que la possibilité d’opérer avec un nombre réduit de puits est un atout indéniable pour la diffusion de la technologie en milieu urbain, où l’espace manque souvent pour forer de nombreux puits.

Une technologie à adapter pour le Québec

Pourtant, cette technologie, très courante aux États-Unis (30 000 installations y sont recensées), est encore peu utilisée ici. Pourquoi donc ? « La nature de nos sols, avec une teneur en calcaire plus élevée qu’aux États-Unis, peut entraîner le colmatage des puits et des équipements », dit M. Pasquier. Des bactéries peuvent aussi se développer et entraîner le même problème. » Pour réduire ces risques de colmatage, le spécialiste en traitement des eaux, Benoît Courcelles, testera différents systèmes existants (ex. : filtre à charbon actif, lit sur sable) pour développer la stratégie de traitement la mieux adaptée selon la nature du sol. « Afin de réduire les coûts de traitement, nous ne prévoyons traiter que de 10 à 20 % des eaux souterraines, et puisque l’eau recirculera dans le système [la réglementation québécoise l’oblige], elle sera traitée intégralement après cinq ou six passages », explique M. Courcelles, qui affirme que les tests effectués à Varennes seront très significatifs, à cet égard, puisque le sol est peu productif en eaux souterraines et sa composition est forte en calcaire.

Le risque de gel de l’eau souterraine est un autre défi auquel nos chercheurs vont s’attaquer. En effet, la circulation en boucle de l’eau pourrait entraîner son gel lorsque l’eau est réinjectée au sommet du puits. Différentes stratégies seront testées pour éliminer ce risque, comme l’injection dans la boucle d’eau souterraine plus chaude si la température extérieure s’avère froide (opération appelée saignée) ou l’amélioration des séquences d’opérations des thermopompes.

En plus de ces deux projets de recherche, deux autres seront aussi réalisés à Varennes. Le premier consistera à valider et à développer un outil de conception pour les puits à colonne permanente, et l’autre sera réalisé par une étudiante au doctorat de Polytechnique, Mme Eppner. Il consistera à mesurer la concentration d’ions contenue dans l’eau afin d’améliorer et de valider le modèle que l’étudiante a développé.

Une recherche sur plusieurs années

L’unité de recherche est équipée de plusieurs instruments de mesure. « Après ces projets, on tentera de trouver d’autres fonds pour poursuivre la recherche sur d’autres aspects », dit M. Pasquier. À ce chapitre, nos deux chercheurs ne manquent pas d’idées. Par exemple, « l’unité pourrait être utile pour améliorer la capacité portante des sols en y injectant de l’eau chaude,dit M. Courcelles. On pourrait ainsi améliorer les sols sous des édifices existants ou permettre la construction de nouveaux édifices sur des sols instables ».

Les puits à colonne pourraient aussi très bien s’intégrer à des réseaux de chaleur urbains, selon M. Pasquier. « Ces systèmes, encore peu courants ici, sont appelés à se développer dans un proche avenir », croit-il.