Géothermie et transports, un potentiel inexploité ? L’exemple du métro de Rennes

Un ouvrier équipe en tubes échangeurs thermiques les parois en béton lors de la construction du métro de Rennes. Aquassys / JF Gobichon, Fourni par l'auteur

Et si l’on profitait de la chaleur du sous-sol dans le métro pour chauffer des logements par géothermie ? C’est ce que fait la métropole de Rennes : lors de la construction de la ligne B du métro, celle-ci a décidé d’équiper d’échangeurs géothermiques les parois moulées et radiers (les plates-formes maçonnées qui supportent les infrastructures) des stations Sainte-Anne, Jules Ferry, Saint-Germain et Cleunay.

Une première en France – et même au monde, au vu de la surface équipée – qui permet aujourd’hui de chauffer 112 logements et 1 000 mètres carrés de bureau. Le potentiel des échangeurs déjà en place permettrait même d’en chauffer davantage.

Cette solution avantageuse tant au plan économique qu’environnemental reste pourtant, aujourd’hui encore, sous-exploitée. Des retours d’expérience tels que celui de la métropole de Rennes seront donc précieux pour ouvrir la voie.

Car l’exemple du métro de la capitale bretonne montre que les obstacles ne sont pas tant techniques qu’organisationnels, avec des pratiques à faire évoluer, et surtout des collectivités territoriales à convaincre et impliquer en amont des grands projets de génie civil.

Géostructures énergétiques, mode d’emploi

Commençons par rappeler ce qu’est la « géothermie ». Les amateurs de vin le savent, la température d’une cave varie peu au cours de l’année. La géothermie consiste donc à tirer parti de la température du sous-sol, moins sujette aux variations qu’en surface, pour échanger de la chaleur et chauffer – ou refroidir – nos bâtiments.

Les géostructures énergétiques – aussi appelées thermoactives – font ainsi partie de la grande famille des dispositifs géothermiques dits « de surface », c’est-à-dire installés dans le proche sous-sol, jusqu’à quelques dizaines de mètres de profondeur. Concrètement, ces géostructures sont équipées de pompes à chaleur, qui leur permettent de chauffer – ou refroidir – les bâtiments avoisinants.

Le principe consiste à utiliser les fondations de bâtiments ou les ouvrages de génie civil (fondations par pieux, tunnels, stations de métro…) comme échangeurs géothermiques, en y installant des tubes échangeurs de chaleur au moment de leur construction. Lorsque ce sont les pieux de fondations qui sont équipés, on parle de pieux géothermiques.

Ces éléments nécessaires sur le plan structural se voient alors conférer une seconde fonction énergétique, qui permet de faire l’économie de forages dédiés à la géothermie. Le surcoût associé est très faible par rapport aux bénéfices qui en sont tirés. Cela permet également d’améliorer le bilan carbone de l’ouvrage.

Installation d'échangeurs thermiques sur les radiers du métro à Rennes. Aquasys / JF Gobichon, Fourni par l'auteur

Les développements scientifiques récents ont également permis de lever la plupart des questions relatives au comportement mécaniques des géostructures énergétiques, notamment lors de fluctuations de température, et confirment leur intérêt en milieu urbain.

Cette technologie est connue et développée depuis les années 1980. Pourtant, le développement à grande échelle de cette source d’énergie non-intermittente (contrairement au solaire ou à l’éolien par exemple), renouvelable, à faible risque, locale et décarbonée, est encore bien inférieur à son potentiel.

Le métro, un cas d’usage intéressant

Dans cette affaire, la métropole de Rennes fait office de pionnière. C’est la première fois qu’une surface aussi vaste est équipée (près de 4000 m2 de radiers et 3600 m2 de parois moulés) et que la chaleur produite est destinée à des bâtiments de surface, n’ayant rien à voir avec l’infrastructure du métro en elle-même.

Schéma explicatif de la façon dont la chaleur du métro apporte chauffage et eau chaude à des immeubles situés à proximité. Esther Lann-Binoist, Fourni par l'auteur

Pour faire aboutir le projet, la métropole de Rennes a pourtant du surmonter des difficultés. Elles ne sont pas tant d’ordre technique qu’administratif. En effet, malgré leur bonne volonté pour intégrer des sources d’énergie renouvelable locales, les maîtres d’ouvrages d’infrastructures de transports en commun ont souvent du mal à estimer le potentiel des projets, par manque de retour d’expérience.

Dans ces conditions, la réussite de la métropole de Rennes peut-elle ouvrir la voie en démontrant l’intérêt de la technologie et inspirer d’autres collectivités locales ? C’est pour identifier les verrous qui pèsent sur son développement et tirer le maximum d’enseignement de l’expérience rennaise qu’a été monté le projet de recherche THERMETRENNES, soutenu par l’ADEME.

Il regroupe tous les acteurs de la conception et de l’installation des échangeurs dans les stations : la métropole de Rennes, KEOLIS, EGIS (bureau d’études maitre d’œuvre de la partie géothermie) et AQUASSYS, l’installateur.

A ces acteurs opérationnels sont également associés deux laboratoires de recherche.

• Le LGCGM, de l’université de Rennes, chargé des expérimentations sur la tenue thermomécanique du béton soumis à des cycles thermiques,
• et le 3SR de l’université Grenoble-Alpes, chargé de la modélisation énergétique précise de la station.
  
• L’ensemble est coordonné par le BRGM, service géologique national, ayant une expertise en géothermie de surface et développement de méthode de dimensionnement des échangeurs géothermiques.
  

Concrètement, le terrain autour de la station Cleunay a été équipé en instruments de mesure. Des tests en laboratoire sont également menés, ainsi que des modélisations numériques du transfert thermique. Le projet de recherche vise à apporter aux futurs maîtres d’ouvrages de géostructures des arguments quantitatifs quant à leurs performances énergétiques et thermomécaniques.

De la construction au contrôle, des freins organisationnels à dépasser

Le principal frein au développement des géostructures énergétiques réside probablement dans le besoin d’interaction entre les différents acteurs du secteur de la construction.

En effet, dans le cadre d’un projet classique de construction, les bureaux d’études (BE) géotechniques, en charge des fondations, interviennent au tout début du chantier pour le dimensionnement structurel de l’ouvrage. Les bureaux d’études thermiques, en charge du dimensionnement énergétique des mêmes ouvrages ou des bâtiments à la surface, interviennent plus tardivement, voire parfois dans le cadre de projets différents.

Installation des tubes échangeurs thermiques sur le chantier du métro de Rennes. Aquassys / JF Gobichon, Fourni par l'auteur

Or, la mise en place de géostructures énergétiques nécessite des échanges poussés entre le BE géotechnique et le BE thermique, en charge chacun dans leur domaine de la définition de ce qui sera réalisé lors de la construction. Elle ne peut donc réussir que si l’architecte et/ou le maître d’ouvrage prévoient explicitement cette phase d’échanges dès le début du projet. Sans cette coordination, le risque serait de voir, par exemple, des tubes échangeurs de chaleur certes installés, mais débouchant trop loin du local réservé à la pompe à chaleur.

Ce qui est vrai pour la phase de conception l’est également pour les phases d’exécution et de mise en service. En effet, des ouvrages tels que les tunnels ou les stations de métro ont très peu de besoins en chauffage ou en refroidissement, mais permettent d’extraire de grandes quantités d’énergie qu’il est alors nécessaire de distribuer ou revendre.

Il s’agit là d’un rôle inhabituel pour un opérateur de transport, et la réussite d’une telle entreprise repose alors sur les aménageurs. A Rennes, la réussite du projet a largement tenu à la persévérance de la métropole, qui a joué le rôle de coordinatrice au cours des dix années qui se sont écoulées entre les premières études de faisabilité et la mise en service des bâtiments à la surface.

Enfin, la méconnaissance de cette technologie génère de la frilosité chez les contrôleurs techniques. Ces derniers sont chargés d’homologuer les installations, et généralement inquiets que les cycles de chauffage et de refroidissement n’affectent la résistance de l’ouvrage, même si des études récentes montrent que ce n’est en général pas le cas. Cette frilosité se propage naturellement aux investisseurs ou aux compagnies d’assurance.

C’est à cet égard que les résultats du projet ThermetRennes sont attendus avec intérêt. Le projet est en court et devraient se terminer dans le courant de l’année 2026.

Une technologie qui pourrait aussi équiper tunnels et parkings

L’objectif du projet est d’obtenir un retour d’expérience complet à même d’éclairer les futurs projets, à la fois concernant le dimensionnement thermomécanique des géostructures et le dimensionnement énergétique des échangeurs pour adapter la production d’énergie à la surface.

Les parkings souterrains pourraient, grâce à la géothermie, chauffer des logements. Lee/Flickr, CC BY-SA

Les domaines d’application ne sont pas limités aux stations de métro. Les résultats du projet de recherche pourraient également se transposer aux tunnels ferroviaires ou routiers, aux fondations profondes de grands bâtiments, ou aux parkings souterrains.

Une étude allemande de 2023 a ainsi estimé que l’énergie apporté par les parkings souterrains de Berlin aux eaux souterraines permettraient théoriquement de chauffer près de 15 000 logements.

La principale limite actuelle, qui consiste en le besoin d’équiper les bâtiments lors de leur construction, pourrait même être contournée. En 2021, une autre étude, italienne, proposait ainsi un système géothermique proche de la surface (d’une profondeur inférieure à cinq mètres) pouvant être installé même sur des bâtiments existants.

Pour un projet collectif usuel, le gain généré par l’utilisation de pieux énergétiques en lieu et place de sondes géothermiques classiques est souvent trop faible en regard des complications organisationnelles que cela représente pendant le chantier.

On peut citer quelques exemples comme la Cité du Design de Saint-Etienne (42), fondée sur une centaine de pieux géothermiques ou la Salle pour les Musiques actuelles d’Auxerre (89), fondée sur 24 pieux géothermiques, mais ce développement reste timide. Toutefois, l'équipement de géostructures plus importantes (Métros, parkings souterrains, …) génère un gain substantiel permettant de “rentabiliser” les complications organisationnelles mentionnées.

Lutter contre l’effet îlot de chaleur urbain

Ces ouvrages contribuent actuellement aux îlots de chaleur urbains de nos villes en faisant grimper la température du sous-sol. Mais équipés d’échangeurs géothermiques, ils pourraient aider à chauffer d’autre bâtiments et accélérer leur décarbonation.

L’utilisation du geocooling ou de pompes à chaleur réversibles, capables de chauffer ou de refroidir en fonction des besoins, permettrait également de réduire la consommation des climatiseurs, et là aussi, l’effet l’îlot de chaleur urbain.

L’urbanisation croissante de nos sociétés ainsi que les impératifs d’adaptation et d’atténuation du réchauffement climatique devraient contribuer au développement d’infrastructures de transport décarboné dans nos métropoles. Dans le même temps, elles rendent cruciale la recherche de sources d’énergie renouvelable.

Dans cette quête, les géostructures énergétiques ne sont pas une solution miracle. L’énergie exploitable ne suffirait pas à couvrir l’ensemble des besoins. Mais elles permettraient de fournir un fond d’énergie non intermittente, que les énergies intermittentes viendraient compléter. De plus, elles ne représentent qu’un faible surcoût pour les infrastructures dont elles font partie.

Un développement à large échelle semble donc souhaitable. Mais il ne peut avoir lieu que s’il est porté par des collectivités territoriales motivées, et intégré par toutes leurs parties prenantes en amont des projets de construction et d’aménagement.

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