Conception des systèmes géothermiques à puits à colonne permanente

Description

Au Canada, plus de 50% de l’électricité est consacrée aux bâtiments et la majeure partie de cette énergie est dévolue au chauffage et à la climatisation. L’utilisation de thermopompes couplées à des échangeurs géothermiques peut réduire cette consommation d’énergie jusqu’à 60%. Malgré ces économies d’énergies significatives, les promoteurs immobiliers, les propriétaires et les gestionnaires de bâtiments adoptent difficilement la géothermie en raison principalement de l’investissement initial élevé associé à la construction des puits. C’est à ce besoin de diminuer les coûts de construction et d’opération des systèmes géothermiques que veut répondre ce projet de recherche en améliorant la conception d’une technologie prometteuse: les puits à colonne permanente (PCP).

Les PCP sont des échangeurs géothermiques pouvant atteindre 500m de profondeur qui utilisent directement l’eau souterraine et qui permettent des économies d’énergies importantes. En effet, des mesures réalisées pendant 9 ans aux États-Unis ont montré qu’un système composé de seulement six PCP pouvait générer des économies d’énergie annuelles de 686 820 kWh/an. Des études récentes ont montré que la construction de PCP était de 2 à 5 fois moins coûteuse que celle de puits en boucle fermée qui représentent actuellement 90% des installations au Canada. Malgré leur potentiel élevé, les PCP sont peu utilisés en raison de l’absence d’outils de conception validés expérimentalement, de stratégies de contrôle peu adaptées à l’opération de PCP en climat nordique et des risques géochimiques inhérents à l’utilisation de l’eau souterraine en milieu carbonaté, telles les régions de Montréal et de Toronto.
Cette demande de subvention vise l’étude, la conception et la réduction des coûts de construction et d’opération des systèmes PCP. Les activités de recherche prévues sur les PCP sont fondées sur l’utilisation du laboratoire mobile de géothermie (LMG) de Polytechnique Montréal qui est conçu pour reproduire l’opération d’un bâtiment d’une dizaine d’étages couplé à des PCP et d’acquérir des données de haute qualité en conditions réelles d’opération. Les activités de recherche prévues dans le cadre de cette demande visent à exploiter les données générées par l’opération du LMG et permettront de tester des stratégies de traitement de l’eau, de valider des modèles utiles à la conception de PCP couplant des processus thermique, hydrogéologique et géochimique et d’optimiser les séquences de contrôle de la saignée. Les quatre activités de recherche prévues seront réalisées par une équipe multidisciplinaire regroupant des professeurs de génie civil, géologique et mécanique.
Les nombreux succès opérationnels observés aux États-Unis indiquent que les PCP peuvent réduire significativement la consommation d’énergie et les émissions de GES des bâtiments canadiens. Au-delà des gains financiers associés aux PCP, leur réel potentiel réside dans leur capacité à être intégrés aux bâtiments déjà construits en zones urbaines denses où l’installation de puits en boucle fermée n’est pas possible. Des travaux de recherche réalisés à Polytechnique ont permis de développer ces dernières années des modèles utiles à la conception des PCP. Ces modèles ont été largement validés avec des solutions de référence numériques, mais n’ont pas fait l’objet d’une validation expérimentale qui permettrait de confirmer leur validité et de rassurer la communauté sur la qualité des outils de conception mis à leur disposition.
Ce programme de recherche doit également être vu comme une vitrine technologique qui permettra d’illustrer et de faire connaître cette technologie, de partager les problèmes et les échecs rencontrés, et d’établir des lignes directrices de conception ou d’identifier des conditions d’opération favorables aux PCP. La réalisation de ce programme de recherche permettra à terme de lever certaines barrières à l’adoption des PCP, de réduire l’incertitude associée à la conception des systèmes géothermiques utilisant des PCP, de diminuer les coûts de conception, de construction et d’opération, ce qui permettra d’augmenter le pourcentage d’utilisation d’énergie renouvelable dans les bâtiments canadiens. Dans un pays nordique comme le Canada, ceci représente un potentiel de transformation significatif.

Équipe de recherche

Philippe Pasquier – Génies civil, géologique et des mines, Polytechnique (chercheur principal)
Paul Baudron – Génies civil, géologique et des mines, Polytechnique
Florent Barbecot – Département des sciences de la Terre et de l’atmosphère, UQAM
Benoît Courcelles – Génies civil, géologique et des mines, Polytechnique
Michaël Kummert – Génie mécanique, Polytechnique
Denis Marcotte – Génies civil, géologique et des mines, Polytechnique