Caractérisation thermique du sous-sol belge pour l’optimisation des applications géothermiques
En Belgique, 75% des pompes à chaleur géothermiques installées sont des sondes verticales fermées (SGV : Sondes Géothermiques Verticales) Après les résultats obtenus avec le projet européen ThermoMap, cartographie du potentiel géothermique très peu profond (<10m)), il est apparu évident que l’étape suivante devait être d’évaluer le potentiel géothermique pour une plus grande profondeur. Cependant peu de recherches fondamentales ont été menées jusqu’ici sur la caractérisation géologique afin d’améliorer la performance et le design des systèmes géothermiques. Il existe de grandes variations possibles sur le transfert de chaleur effectif entre le milieu de transport (sondes et boue de remplissage) et les roches du sous-sol, ce qui est essentiel pour optimiser les performances et réduire les coûts. Aujourd'hui, de grandes différences dans le dimensionnement des SGV sont constatées pour une situation géologique similaire. Cela a plusieurs raisons, le manque de connaissances sur les caractéristiques thermiques du sous-sol en est une, l’ analyse insuffisante des besoins énergétiques du bâtiment et le dimensionnement de la pompe à chaleur en résultant en sont parmi d’autres, entraînant de grandes incertitudes sur le dimensionnement des systèmes géothermiques (longueur, nombre). En s’appuyant sur l’expérience acquise au Service Géologique de Belgique (DO Terre et Histoire de la Vie de l’IRSNB) et en se basant sur les grandes collections existantes de roches (lithothèque) et de carottes de forages (carothèque) du SGB, le projet BeTemper se focalisera sur la caractérisation thermique du sous-sol. D’autres initiatives comme le projet Smart Geotherm mené par le CSTC/BBRI ou le projet Geotherwal (ULG) sont complémentaires et sont en lien avec, par exemple, les performances de l’échangeur de chaleur ou sur les performances énergétiques du bâtiment.
Objectifs
Ce projet a pour objectif d’évaluer le potentiel géothermique peu profond en Belgique à partir de l’analyse des propriétés thermiques des roches de la surface à 150m de profondeur, couvrant ainsi la profondeur standard utilisée pour les sondes géothermiques verticales (SGV).
Ce projet se focalisera sur les propriétés thermiques (conductivité et capacité thermique) en lien avec la composition minéralogique d’environ 400 échantillons de roches correspondant à 25-30 lithologies différentes. Les propriétés thermiques sont dépendantes de la teneur en eau, de la porosité, de la phase minéralogique dominante, de l’anisotropie de la fabrique. La conductivité thermique est aussi fonction de la température, de la pression, de la saturation et du saturant. La sélection des échantillons sera effectuée afin d’assurer la représentativité des lithologies variées composant le sous-sol belge, en prenant en compte leur composition minéralogique, leur texture, leur degré d’altération et de fracturation. Les paramètres thermiques seront déterminés à la fois en conditions saturées et non-saturées. Une attention particulière sera apportée aux lithologies présentant des valeurs de conductivité thermiques très variables pour évaluer l’influence de la porosité et/ou des phases minéralogiques mineures sur le transfert de chaleur. L’accent sera aussi mis sur les régions présentant les plus grands besoins géothermiques c’est à dire les régions à fortes densité de population (Vallées de la Sambre et de la Meuse et grandes villes de Flandres ). Les échantillons des lithologies principales seront sélectionnés dans un premier temps à partir des collections de forages dont la gestion a été confiée au Service des Collections de l’IRNSB. Des échantillons complémentaires seront prélevés sur le terrain (coupes, tranchées, forages, etc.) pour assurer la représentativité géographique et géologique des mesures. Ces échantillons seront conservés comme matériel de référence dans les collections de l’IRNSB.
La caractérisation des propriétés thermiques du sous-sol belge constitue une étape essentielle avant la production de cartes de potentiel géothermique peu profond. La réalisation de telles cartes représente une approche innovante (phase du projet encore non financée), et nécessitera l’intégration de nombreuses autres données (cartes hydrologiques, géologiques, pédologiques, zones d’exclusions (zones protégées ou impropres à l’installation de systèmes géothermiques (karst, galeries de mine,…), etc. ). Seulement deux projets similaires sont en cours actuellement dans l’Union Européenne :
- en Allemagne : les cartes de potentiel géothermiques peu profondes dédiées à tous les types de systèmes géothermiques sont presque finalisées pour le sud du Bassin de Molasse, la Rhénanie et le nord de la Westphalie (www.geotis.de)
- en Italie : le projet VIGOR a débuté en 2012 et concerne le potentiel géothermique profond et peu profond dans 4 régions du sud de l’Italie (www.vigor-geotermia.it).
Mesures des différents paramètres
Paramètres thermiques
La conductivité et la diffusivité thermique des roches consolidées sont mesurées à l’aide d’un TCS (Thermal Conductivity Scanning, de Rauen & Lippmann, Allemagne) dans le laboratoire de l’IRSNB-DO Terre et Histoire de la Vie. Cet appareil très performant permet des mesures fiables, précises et rapides le long d’échantillons standards (4cm de longueur minimum) mais aussi de carottes de forages (jusqu’à 30cm de long) (cf. images).
Pour les roches non-consolidées et les sédiments meubles, une sonde (à aiguille) permettra d’évaluer la conductivité thermique par méthode transitoire (TEKAO4 and/or KD2Pro) en collaboration avec les universités d’Erlangen et d’Aix-la-Chapelle (Allemagne).
Analyses minéralogiques et pétrophysiques
Les analyses minéralogiques et pétrologiques seront effectuées grâce aux différents équipements présents dans le laboratoire de Minéralogie et Pétrologie de l’IRSNB-DO Terre et Histoire de la Vie. La proportion des différentes phases minérales sera évaluée avec l’appareil de Diffraction R-X, tandis que les modules EDS (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy) de l’ EBSD (Electron Back Scattered Diffraction) permettront de préciser le contenu chimique et micro-textural des échantillons.
Quelques mesures de paramètres prétrophysique (perméabilité à gaz, porosité..) sont prévues en collaboration avec l’UMons.
