Souvent moins citée dans les propos traitant de la transition énergétique, l’énergie thermique est une forme d’énergie importante dans nos usages quotidiens. Dans la mesure où elle est souvent produite à partir d'énergies fossiles, faire la part belle aux énergies renouvelables thermiques semble être une des priorités pour atteindre nos objectifs de TE.
Définition de l’énergie thermique
Il existe différentes formes d’énergie, comme l’énergie électrique, l’énergie lumineuse, l’énergie chimique, etc. Parmi elles, on retrouve l’énergie thermique. Il s’agit de l’énergie produite par l’agitation des atomes et des particules qui composent la matière. Plus les particules se déplacent rapidement et de manière instable, plus la température du corps est élevée, ce qui signifie qu’une quantité accrue d’énergie thermique est présente. Le transfert d’énergie thermique entre deux systèmes qui ont des température différente est la chaleur.
Plus largement, lorsque l’on s’intéresse aux consommations d’énergie, on retrouve à la fois de l’énergie sous forme d’électricité, mais également de chaleur. Regardons ensemble quels sont les usages de la chaleur et comment elle est produite en France.
A quoi sert la chaleur ?
La chaleur est un usage énergétique, c’est-à-dire une manière dont l'énergie est exploitée pour répondre à des besoins spécifiques. En France, la chaleur est le premier usage énergétique : elle représente 45% de l’énergie finale consommée en 2020.
Selon les chiffres de la Programmation Pluriannuelle de l'Énergie, les secteurs du résidentiel et du tertiaire représentent 65 % de la consommation finale de chaleur française, principalement pour chauffer les bâtiments et l’eau chaude sanitaire qui y est utilisée. L’industrie participe quant à elle à hauteur de 30% à la consommation de chaleur, principalement pour répondre aux besoins énergétiques de fours et de séchoirs.
Comment produit-on la chaleur ?
Les chiffres de la Programmation Pluriannuelle de l'Énergie donnent une répartition de l’origine de la chaleur consommée en France en 2017 :
Source des données : Programmation Pluriannuelle de l'Énergie, Stratégie Française pour l’Energie et le Climat
On note que 61% de la chaleur consommée a été produite à partir d’énergies fossiles, et en premier lieu à partir de gaz. Le reste de la chaleur consommée a été produite grâce à de l’électricité et à des énergies renouvelables, mobilisées respectivement à hauteur de 18% et de 21%.
Le rôle de la chaleur dans la transition énergétique
La chaleur représente à la fois une part importante de nos consommations énergétiques, et, dans la mesure où elle est majoritairement produite à partir d’énergies fossiles, elle génère aujourd’hui d’importantes émissions de gaz à effet de serre. Éliminer l’utilisation de combustibles fossiles dans le secteur de la production de la chaleur est donc une priorité, tout en diminuant globalement nos besoins en énergie.
Produire de la chaleur renouvelable
Pour produire de la chaleur renouvelable, il est possible de mobiliser plusieurs technologies, que l’on peut regrouper en deux grandes filières :
- Les technologies nécessitant une combustion, qui mobilisent la biomasse ou l’incinération de déchets (qui n’est pas une énergie renouvelable à part entière, voir infra) ;
- Les filières de production primaire de chaleur, englobant la géothermie, le solaire thermique et les pompes à chaleur.
La biomasse
Pour produire de la chaleur, on peut s’appuyer sur la biomasse solide et sur le biogaz (lien biomasse).
Le bois-énergie est la forme la plus répandue de biomasse solide. La majorité des usages de la biomasse solide est dédiée à la production de chaleur (90%). Cette source est principalement exploitée dans le secteur résidentiel (poêles à bois dans des habitations, chaudières individuelles ou collectives au bois, etc.).
Le biogaz peut également servir à la production de chaleur. Le biogaz est produit par la fermentation de matières organiques dans un milieu anaérobie (privé d’air), dans un dispositif appelé un méthaniseur. Les méthaniseurs peuvent produire de la chaleur, du biogaz, de l’électricité ou co-générer de l’électricité et de la chaleur simultanément. 28 % de la production de biogaz a été dédiée à la production de chaleur, le reste étant valorisé sous forme d’électricité ou épuré pour obtenir du biométhane injectable dans les réseaux de gaz (source).
Les déchets
Pour rappel, l’incinération des déchets ne peut pas être considérée comme une énergie renouvelable à part entière : par convention, il a été décidé que la moitié des quantités d’énergie produites pour la combustion des déchets ménagers était de l’énergie renouvelable. Aujourd’hui, la moitié de l’énergie primaire produite à partir de l’incinération de déchets est valorisée sous forme de chaleur, l’autre moitié étant valorisée sous forme d’électricité.
Le solaire thermique
Cette technologie permet d’assurer la production d’eau chaude sanitaire et dans certains cas d’une partie du chauffage d’un bâtiment, via l’utilisation de panneaux solaires thermiques. Ces panneaux captent le rayonnement solaire et le transforment en énergie thermique : le rayonnement solaire incident est capté afin de réchauffer un fluide caloporteur qui circule sous la surface du panneau. Selon l’usage de la chaleur générée, deux cas sont possibles :
- Si l’installation sert à produire de l’eau chaude sanitaire, le fluide caloporteur réchauffe l’eau d’un ballon d’eau chaude (lien), via un échangeur thermique.
- Si l’énergie thermique est également exploitée pour une partie des besoins de chauffage, il faut ajouter une étape au processus décrit ci-dessus : en plus de réchauffer l’eau chaude sanitaire, le fluide caloporteur transmet sa chaleur au réseau d’eau de chauffage. Cette eau de chauffage circule ensuite dans les radiateurs ou les tuyaux de chauffage au sol. Ces installations sont plus rares en France.
La géothermie
La géothermie englobe les différentes techniques qui visent à exploiter la chaleur présente naturellement dans le sous-sol et dans les nappes d’eau souterraines, pour la valoriser sous forme d’énergie. Il existe différents types de géothermie, selon la profondeur de forage et la température de l’eau ou du sous-sol.
- Géothermie de surface
L’énergie est puisée dans le sol à une profondeur allant de quelques mètres à 200 mètres, où la température de la ressource géothermale est de moins de 30°C. Même à quelques mètres de profondeur sous le sol, la température reste relativement stable toute l’année. A ces températures, l’eau n’est pas assez chaude pour être utilisée directement. On utilise donc une pompe à chaleur géothermique pour transformer les calories présentes dans l’eau ou dans le sol en chaleur exploitable par un système de chauffage.
- La géothermie profonde
La géothermie profonde exploite des nappes d’eau souterraines dont la température est comprise entre 30° et 200°C, situées au-delà de 200 mètres de profondeur. Les températures atteintes suffisent pour produire directement de la chaleur et/ou de l’électricité. Contrairement à la géothermie de surface, la géothermie profonde nécessite des conditions géologiques particulières. En Hexagone, les gisements sont situés dans les bassins parisiens et aquitains, ainsi qu’en Alsace.
La géothermie profonde peut servir à produire de la chaleur alimentant des réseaux de chaleur. Dans ce cas, on utilise un “doublet géothermique”, c’est-à-dire un ensemble composé de deux puits, l’un pour extraire le fluide, et l’autre pour le réinjecter dans la nappe d’eau souterraine. Concrètement, l’eau chaude est récupérée en profondeur, puis amenée à la surface. A la surface, un échangeur thermique permet de transférer cette chaleur au réseau de chaleur. L’eau qui a servi à effectuer cette opération est réinjectée dans son aquifère initial.
On trouve 59 installations de ce type en France, surtout situées en Ile-de-France. Dans cette région, c’est l’aquifère du Dogger qui est exploité. Il est situé entre 1600 et 1800 mètres de profondeur, et la température de l’eau est comprise entre 56 et 85°C.
La géothermie profonde peut également servir à produire de l’électricité, car dans certains réservoirs géothermiques, il est possible de récupérer le fluide situé en profondeur pour actionner des turbines et produire de l’électricité. Cela dépend de sa température, de la quantité disponible ainsi que de son débit. Il peut être possible de faire de la cogénération [lien], c’est-à-dire produire simultanément de l’électricité et de la chaleur grâce à ce gisement. En France, deux sites exploitent la géothermie pour produire de l’électricité : à Bouillante, en Guadeloupe, et à Soultz-sous-Forêts, en Alsace.
Les pompes à chaleur
Une pompe à chaleur prélève la chaleur de l'air, du sol ou de l'eau à l'extérieur et l'amène à l'intérieur pour chauffer un espace habité. Les trois principaux types de pompes à chaleur sont les suivants :
- Pompe à chaleur air-air : elle capte la chaleur de l’air extérieur pour chauffer l’air intérieur.
- Pompe à chaleur air-eau : elle prélève aussi la chaleur de l’air extérieur, mais la transfère à un système d’eau, comme des radiateurs ou un plancher chauffant.
- Pompe à chaleur géothermique (sol-eau ou eau-eau) : comme décrite dans la section précédente, elle extrait la chaleur du sol ou de l’eau souterraine pour la transférer dans le circuit de chauffage de la maison.
Dans les différents cas, le fonctionnement général reste le même : dans une pompe à chaleur, l'évaporateur capte la chaleur de l'extérieur et fait évaporer le fluide frigorigène. Ce fluide gazeux passe ensuite dans le compresseur et la compression augmente sa température. Ce gaz chaud arrive ensuite dans le condenseur, où il libère sa chaleur pour chauffer l’air ou l’eau qui va circuler dans le système de chauffage. Le fluide frigorigène passe dans un détendeur, où il baisse en pression et en température. Il redevient alors liquide et retourne dans l'évaporateur pour recommencer le cycle.
Les énergies de récupération
Il est également possible de ne pas produire de la chaleur mais de récupérer la chaleur dite “fatale” : il s’agit de valoriser la chaleur générée par un procédé qui n’en constitue par la finalité première en la récupérant. Cette chaleur peut provenir de sites industriels, de bâtiments tertiaires, de data-centers, etc. Elle peut être utilisée par l’usine dans d’autres processus ou partagée avec une entreprise située à proximité, ou être valorisée dans un réseau de chaleur pour chauffer des bâtiments tertiaires et / ou des habitations.
Rappel des objectifs fixés par la loi
On l’a rappelé ci-dessus, les énergies fossiles ont une place importante dans la génération de chaleur en France. La transition énergétique ne se fera donc pas sans le déploiement à grande échelle des énergies renouvelables thermiques.
Au niveau national, la loi de Transition Énergétique pour la Croissance Verte de 2015 prévoit deux objectifs qui concernent la chaleur :
- Couvrir la consommation finale de chaleur à hauteur de 38% par des sources renouvelables en 2030, ce qui demande une forte accélération de la production et de la distribution de chaleur renouvelable.
- Multiplier par 5 la quantité de chaleur et de froid renouvelables livrée par les réseaux de chaleur et de froid d’ici 2030 par rapport à 2012.
Ces mesures d’augmentation de la part des énergies renouvelables dans la production de la chaleur sont à coupler avec des actions de sobriété et d’efficacité énergétique, afin de réduire les besoins de chaleur.
Par ailleurs, ces objectifs nationaux sont à décliner au niveau local. En effet, lorsqu’on parle de chaleur, il est question d’une forme d’énergie qui ne se transporte pas sur de longues distances, comme cela peut être le cas de l’électricité. La chaleur a donc un aspect territorial fort, ce qui demande de penser à la proximité entre les lieux de production et de consommation, ainsi qu’aux infrastructures nécessaires pour son transport, comme les réseaux de chaleur.