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Schéma d’une thermopompe

Schéma d’une thermopompe (valigursky, iStockphoto)

Les STIM en contexte

Puiser dans l’énergie souterraine grâce une thermopompe

Lars Rose

Résumé

Pourquoi ne pas chauffer ta maison grâce à l’énergie calorifique interne de la Terre en utilisant une thermopompe? C’est moins cher et c’est plus écologique!

Quel système de chauffage y a-t-il chez toi? Ta maison est peut-être chauffée au moyen de radiateurs électriques ou d’un poêle? À moins que tu n’aies un foyer? Sache qu’il existe un autre moyen de chauffer sa maison : la pompe géothermique ou thermopompe puisant l’énergie dans le sol. Ces deux termes à rallonge désignent en fait une technologie qui peut aider les gens à dépenser moins d’argent pour le chauffage tout en réduisant le coût environnemental de celui-ci. Voici comment fonctionne une pompe géothermique. 

Qu’est-ce qu’une pompe géothermique?

Le noyau terrestre est formé d’un noyau interne solide et d’un noyau externe liquide. Le noyau externe est liquide parce que la chaleur est si intense à cette profondeur que les métaux qui le constituent ont fondu. Si le noyau interne est liquide, c’est seulement à cause de la pression considérable qui règne au centre de la Terre.

Tu l’auras compris, le noyau terrestre est chaud. Mais jusqu’à quel point? Les scientifiques ont calculé que le noyau terrestre atteint des températures supérieures à 6000 degrés Celsius. Autrement dit, il y fait à peu près aussi chaud qu’à la surface du soleil!

Heureusement pour nous, terriens, des milliers de kilomètres de roche nous protègent de cette fournaise. Ces couches de roche sont de plus en plus froides à mesure qu’elles se rapprochent de la croûte terrestre. C’est tant mieux, sinon nous serions cuits! En fait, les couches de roche agissent comme des couches isolantes. C’est pour cela que la température qui règne à la surface de la Terre rend la vie possible. Mais, la température augmente dès lors qu’on commence à creuser dans le sol.

Les températures au centre de la Terre
Les températures au centre de la Terre varient de plus de 6 000 °C au niveau du noyau interne à moins de 2 000 °C au niveau de la croûte terrestre (source of temperatures) (© 2019 Parlons sciences; image d’Original Mats Halldin Vectorization : Chabacano [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons).

Comment fonctionne une pompe géothermique?

Si on tient compte du coût élevé du chauffage au Canada et de la pollution atmosphérique engendrée par les centrales électriques et les foyers, l’idée de puiser de l’énergie dans une source de chaleur presque illimitée juste sous nos pieds est tentante! Mais comment faire pour extraire la chaleur du sol, l’acheminer dans les maisons refroidies et l’utiliser comme source de chauffage?

C’est là que les pompes géothermiques entrent en jeu. Pour en construire une, il faut creuser dans le sol. Puis, il faut installer une boucle de tuyauterie horizontale juste sous le seuil à partir duquel le sol peut geler, soit généralement à environ deux mètres de profondeur. Il est également possible d’installer une boucle verticale, mais pour cela, il faut creuser encore plus profondément. Cette solution est plus efficace, mais également plus coûteuse. En général, il existe des règlements qui précisent les zones où il est possible de creuser et la profondeur maximale du puits. Ces règlements visent à éviter d’endommager les conduites d’eau potable et d’eaux usées, par exemple. Creuse un trou suffisamment profond et tu verras : tu pourrais même être obligé d’obtenir un permis d’exploitation minière!

Boucle horizontale (maison de gauche) et boucle verticale (maison de droite)
Boucle horizontale (maison de gauche) et boucle verticale (maison de droite) (© 2019 Parlons sciences; images d’aurielaki via iStockphoto : gauche, droite)


Ensuite, il faut verser un liquide caloporteur dans l’un des tuyaux. Le liquide caloporteur est un mélange spécial qui est pompé dans la boucle. Dans les régions particulièrement froides, il peut contenir un antigel. Ce liquide s’enfonce à plusieurs mètres de profondeur en circulant dans la boucle et absorbe la chaleur du sol environnant sur son passage. Plus les tuyaux s’enfoncent dans le sol, plus il se réchauffe. Lorsqu’il a terminé son circuit dans la boucle, le liquide chaud reflue vers les tuyaux qui parcourent la maison. La chaleur qu’il a emmagasinée peut alors être transférée à l’air, ainsi qu’à l’eau qui est utilisée pour se laver les mains et se doucher.

Le liquide chaud refroidit au fur et à mesure qu’il transfère cette chaleur au milieu intérieur de la maison. Une fois qu’il s’est refroidi, il est de nouveau pompé dans le sol pour y recommencer son circuit de réchauffement. Si les besoins en chauffage diminuent, la quantité de liquide qui est pompé dans le sol est réduite.
 

Le savais-tu? 

Les pompes géothermiques sont loin d’être nées de la dernière pluie. Le premier système de pompe géothermique a été proposé par Lord Kelvin dans les années 1850, et les premiers systèmes commerciaux ont été installés dans les années 1970.

Quels sont les avantages et les inconvénients d’une pompe géothermique?

La pompe géothermique fonctionne à l’électricité. L’énergie thermique qu’elle extrait du sol n’est donc pas tout à fait gratuite. Cela dit, la quantité d’électricité ou de combustibles fossiles qu’il faut pour faire fonctionner ce type de pompe est beaucoup plus faible que celle que consomment les systèmes de chauffage électrique traditionnels ou les foyers. En somme, une pompe géothermique, c’est bon pour l’environnement. C’est aussi une bonne façon d’économiser de l’argent!

Mais alors pourquoi les pompes géothermiques ne sont-elles pas plus populaires? Eh bien, c’est parce qu’elles présentent un inconvénient majeur : leur installation peut être très coûteuse. En effet, il faut compter entre 20 000 et 30 000 $ pour installer un tel système. C’est bien plus cher que bon nombre de nouveaux modèles de voitures! Cela dit, les propriétaires et les entreprises qui optent pour cette technologie simple peuvent réaliser des économies considérables au fil du temps. 

Dans quelles régions utilise-t-on actuellement des pompes géothermiques?

Il y a déjà dans de nombreuses villes des bâtiments qui sont chauffés au moyen de cette technologie verte et avantageuse d’un point de vue économique. À titre d’exemple, les immeubles du Vancouver’s National Research Council (conseil national de recherche de Vancouver) sont équipés d’une pompe géothermique. En outre, de nombreux programmes gouvernementaux ont été mis en place pour inciter la population canadienne à commencer à se tourner vers ce type de chauffage. Dans certaines provinces, le gouvernement prend en charge une partie des coûts associés à l’installation et au remplacement des pompes géothermiques, alors que dans d’autres, il accorde des prêts aux gens pour la phase d’installation. 

Comment les maisons et les autres bâtiments de ta région sont-ils chauffés? Renseigne-toi. Qui sait? Il y en a peut-être qui sont équipés d’une pompe géothermique!

Amorces de discussion

Faire des liens
  • Si tu devais construire une maison, l’équiperais-tu d’une pompe géothermique? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Mises à part ta maison ou ton école, quels sont les autres endroits qui se prêteraient bien à l’installation d’un système de pompe géothermique?
  • Connais-tu des gens qui utilisent une pompe géothermique? Où l’utilisent-ils?
     
Faire des liens
  • Si tu devais construire une maison, l’équiperais-tu d’une pompe géothermique? Pourquoi ou pourquoi pas?
  • Mises à part ta maison ou ton école, quels sont les autres endroits qui se prêteraient bien à l’installation d’un système de pompe géothermique?
  • Connais-tu des gens qui utilisent une pompe géothermique? Où l’utilisent-ils?
     
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Dans quelle mesure la pompe géothermique est-elle plus respectueuse de l’environnement que les autres systèmes de chauffage? Explique ton point de vue.
  • Quelles difficultés l’installation d’une pompe géothermique poserait-elle sur le plan des infrastructures?
  • Pour l’instant, l’installation d’une pompe géothermique coûte beaucoup plus cher que celle d’un système de chauffage classique. Les gouvernements devraient-ils débloquer des fonds pour rendre cette technologie plus abordable? Pourquoi ou pourquoi pas? 
     
Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement
  • Dans quelle mesure la pompe géothermique est-elle plus respectueuse de l’environnement que les autres systèmes de chauffage? Explique ton point de vue.
  • Quelles difficultés l’installation d’une pompe géothermique poserait-elle sur le plan des infrastructures?
  • Pour l’instant, l’installation d’une pompe géothermique coûte beaucoup plus cher que celle d’un système de chauffage classique. Les gouvernements devraient-ils débloquer des fonds pour rendre cette technologie plus abordable? Pourquoi ou pourquoi pas? 
     
Explorer les concepts
  • Quel(s) type(s) de transfert thermique est utilisé dans le cas d’une pompe géothermique?
  • Quelles seraient les principales caractéristiques du liquide caloporteur qui circule dans la boucle souterraine?
  • Quelles caractéristiques géologiques faut-il connaître avant de creuser un puits pour y installer une pompe géothermique?
     
Explorer les concepts
  • Quel(s) type(s) de transfert thermique est utilisé dans le cas d’une pompe géothermique?
  • Quelles seraient les principales caractéristiques du liquide caloporteur qui circule dans la boucle souterraine?
  • Quelles caractéristiques géologiques faut-il connaître avant de creuser un puits pour y installer une pompe géothermique?
     
Littératie médiatique
  • À ton avis, les fabricants de pompes géothermiques peuvent-ils rivaliser avec les producteurs de pétrole, les producteurs de gaz naturel et les sociétés d’hydroélectricité en matière de publicité? Explique ton point de vue.
Littératie médiatique
  • À ton avis, les fabricants de pompes géothermiques peuvent-ils rivaliser avec les producteurs de pétrole, les producteurs de gaz naturel et les sociétés d’hydroélectricité en matière de publicité? Explique ton point de vue.
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article peut être utilisé pour favoriser l’enseignement et l’apprentissage de notions relatives à la structure interne de la Terre et au transfert thermique dans les domaines suivants : Terre et Environnement, et Ingénierie et Technologie. Voici la liste des concepts qui y sont présentés : pompe géothermique, noyau terrestre, croûte terrestre, isolation et systèmes de transfert thermique. 
  • Après la lecture de cet article, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage de la toile de définition du concept pour le concept de pompe géothermique. Il existe des fiches reproductibles de la toile de définition du concept prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Pour examiner les enjeux scientifiques, technologiques, sociétaux et environnementaux (STSE) liés à ce sujet, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves d’évaluer les points positifs et les points négatifs des pompes géothermiques en utilisant la stratégie d’apprentissage de l’Organisateur du pour et du contre. Il existe des fiches reproductibles de l’Organisateur du pour et du contre prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Pour approfondir le sujet, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage de la carte des conséquences, la question clé étant : « si chaque foyer canadien était équipé d’une pompe géothermique aujourd’hui, quelles seraient les conséquences au cours des 100 prochaines années? ». Il existe des fiches reproductibles de la carte des conséquences prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf].
Suggestions pour l'enseignement
  • Cet article peut être utilisé pour favoriser l’enseignement et l’apprentissage de notions relatives à la structure interne de la Terre et au transfert thermique dans les domaines suivants : Terre et Environnement, et Ingénierie et Technologie. Voici la liste des concepts qui y sont présentés : pompe géothermique, noyau terrestre, croûte terrestre, isolation et systèmes de transfert thermique. 
  • Après la lecture de cet article, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves d’appliquer la stratégie d’apprentissage de la toile de définition du concept pour le concept de pompe géothermique. Il existe des fiches reproductibles de la toile de définition du concept prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Pour examiner les enjeux scientifiques, technologiques, sociétaux et environnementaux (STSE) liés à ce sujet, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves d’évaluer les points positifs et les points négatifs des pompes géothermiques en utilisant la stratégie d’apprentissage de l’Organisateur du pour et du contre. Il existe des fiches reproductibles de l’Organisateur du pour et du contre prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf]. 
  • Pour approfondir le sujet, l’enseignant ou enseignante pourrait demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage de la carte des conséquences, la question clé étant : « si chaque foyer canadien était équipé d’une pompe géothermique aujourd’hui, quelles seraient les conséquences au cours des 100 prochaines années? ». Il existe des fiches reproductibles de la carte des conséquences prêtes à utiliser en formats [Google doc] et [.pdf].

En savoir plus

Comprendre la géothermie (2012)

Dans cette page, Écohabitation explique brièvement les quatre types de systèmes géothermiques.

Pompes géothermiques (systèmes à énergie du sol)

Cette page de Ressources naturelles Canada présente les différents systèmes existants, leur fonctionnement et leurs avantages.

GÉOTHERMIE : L'ÉNERGIE VENUE DE LA TERRE - Dossier #26

Ce vidéo documentaire de L’esprit Sorcier explique ce qu’est la géothermie. (37 min 22 s)

Références

Natural Resources Canada. (2017, mars 27). Ground-source heat pumps (Earth-energy systems).

Renewable Energy World. (2008, septembre 9). Geothermal heat pumps.