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Une unité mobile pour la recherche sur les systèmes géothermiques

10 décembre 2016 - Source : Magazine Poly  | VersionPDFdisponible (Décembre 2016)
10 décembre 2016 - Source : Magazine Poly
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Les Prs Philippe Pasquier et Benoît Courcelles, du Département des génies civil, géologique et des mines, collaborent pour développer des outils d’analyse et de conception pour les puits à colonne permanente, afin de faciliter l’adoption des systèmes géothermiques en milieu urbain. Leur équipe dispose d’un outil exceptionnel, une unité mobile mimant un immeuble de 10 étages alimenté par un puits à colonne permanente et pouvant mesurer tous les paramètres d’opération d’un système géothermique.

Les puits à colonne permanente, une technique méconnue au Québec

« La plupart des projets de géothermie au Canada utilisent des puits en boucle fermée et un fluide caloporteur afin d’échanger de la chaleur entre le milieu géologique et une thermopompe géothermique. Cette approche est cependant coûteuse et s’adapte mal aux milieux urbains denses, en raison du nombre élevé de puits en boucle fermée devant être aménagés autour d’un bâtiment », indique le Pr Philippe Pasquier, spécialisé en géothermie et en hydrogéologie. « Il en découle des coûts de construction élevés qui expliquent en partie pourquoi la géothermie, de façon générale, demeure relativement peu répandue ici. »

Il existe cependant une alternative aux puits en boucle fermée. Celle-ci, les puits à colonne permanente, reste méconnue au Québec et utilise directement l’eau souterraine pour échanger de la chaleur avec le sol. Ce concept fait l’objet des travaux menés en commun par les Prs Pasquier et Courcelles.

Technique moins invasive, plus performante

« Le principe s’appuie sur un seul puits profond (300 à 500 m de profondeur par 20 cm de diamètre) creusé dans le roc et permettant d’accéder à l’eau souterraine. Cette eau, ramenée à la surface par une pompe submersible, est acheminée à une thermopompe géothermique pour chauffer ou refroidir des bâtiments, selon la saison. La technique a été essentiellement utilisée sur l’île de Manhattan. Notre but, c’est d’en étudier les divers aspects en vue d’en optimiser l’exploitation dans un contexte nordique et géologique canadien », explique le Pr Benoît Courcelles.

Celui-ci, coresponsable du Centre d’ingénierie nordique de Polytechnique Montréal, apporte au projet son expertise en hydrogéochimie et en traitement des eaux.

Les deux chercheurs estiment que les puits à colonne permanente constitueraient une solution avantageuse. Ces puits plus profonds sont d’une plus grande efficacité thermique (elle peut atteindre le triple de celle des puits en boucle fermée). Moins de puits sont ainsi nécessaires pour alimenter les thermopompes.

L'unité mobile : une « Rolls » pour la recherche en géothermie

Vu de l’extérieur, le conteneur métallique installé sur un terrain de CanmetÉNERGIE à Varennes n’a de remarquable que la grande bannière colorée de Polytechnique affichée sur ses flancs. Il s’agit en fait de la toute nouvelle unité de recherche mobile de l’équipe des Prs Pasquier et Courcelles. Elle héberge les équipements les plus pointus pour mener des recherches sur les systèmes de puits à colonne permanente.

« La sélection et l’assemblage des équipements ont été réalisés spécifiquement pour nos besoins. L’ensemble constitue un laboratoire unique en son genre », précise le Pr Pasquier. « Il abrite des thermopompes géothermiques, des pompes de circulation, des échangeurs de chaleur et une unité de traitement de l’eau souterraine. Un système de contrôle et d’acquisition de données sert à mesurer en continu les paramètres d’opération du système. Au besoin, nous pouvons modifier les séquences d’opération à partir d’un ordinateur situé à Polytechnique. »

Reliée à un puits à colonne permanente profond de 300 mètres et à un puits d’injection profond de 150 mètres, l’unité de recherche en géothermie simule les besoins en consommation d’énergie associés au chauffage et à la climatisation d’un édifice de dix étages. « En premier lieu, l’installation servira à valider expérimentalement et à améliorer des logiciels de conception et d’analyse de systèmes géothermiques utilisant des puits à colonne permanente », mentionne M. Pasquier. « L’exercice visera à diminuer les coûts de conception, de construction et d’exploitation associés à ce type d’échangeur géothermique. »

Et pourquoi l’installation à Varennes ? « Parce qu’on y trouve les pires conditions géologiques qu’il est possible d’avoir pour un système géothermique utilisant directement l’eau souterraine ! Mais aussi parce que l’environnement géologique du secteur est assez représentatif de ce que l’on trouve dans la vallée du Saint-Laurent, où 60 % de la population canadienne réside », répond le chercheur.

 

 

Résultats tangibles dans un horizon de trois ans

L’unité permettra aussi de résoudre des enjeux associés au climat nordique et à la chimie des eaux souterraines au Québec. Notamment, les chercheurs tenteront de trouver des solutions à la présence de précipités dans les échangeurs de chaleur et les puits, ainsi que des solutions à des problèmes de biocolmatage ou d’encrassement.

C’est un investissement de 0,7 M$ provenant de la Fondation canadienne pour l’innovation, du gouvernement du Québec et des sociétés CanmetÉNERGIE, Bouthillette Parizeau, Trane, Mécanicaction, Belimo et Eautec, qui a financé la création de cette unité mobile. Les projets de recherche qui y sont menés actuellement bénéficient quant à eux d’un soutien de 150 000 dollars de l’Institut de l’énergie Trottier de Polytechnique Montréal.

Les deux chercheurs prévoient obtenir leurs premiers résultats tangibles d’ici trois ans. L’étape suivante consistera en un projet de démonstration couplant des puits à colonne permanente et un bâtiment en opération.

« Nous pensons qu’à l’heure des villes intelligentes et de la lutte contre les gaz à effet de serre, les puits à colonne permanente pourraient se démocratiser et contribuer à la réduction de l’empreinte écologique de notre société. Dans un pays nordique comme le Canada, ils représentent assurément un potentiel de transformation non négligeable que notre unité permettra de valoriser », conclut Philippe Pasquier. 


Les professeurs Philippe Pasquier et Benoît Courcelles.

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