Géothermie de surface dans le Rhin supérieur, un guide de recommandations :

Géothermie de surface dans le Rhin supérieur, un guide de recommandations :

Les changements climatiques et la diminution des ressources en énergies fossiles requièrent plus que jamais la mise en œuvre d’énergies renouvelables. La géothermie représente un potentiel quasi inépuisable, disponible en toute saison et en tous lieux, produisant peu de rejets et répondant à des objectifs de développement durable.

Un guide établi par TRION, Réseau énergie-climat, Région Métropolitaine Trinationale du Rhin Supérieur, traite uniquement de la géothermie dite « de surface ». S’adressant à un public averti de professionnels mais également aux élus, aux administrations et aux particuliers, le guide s’attache à répondre aux objectifs suivants :

• présenter le cadre réglementaire transfrontalier existant dans le paysage franco-germano-suisse du Rhin supérieur ;

• fournir des informations sur l’usage de la géothermie de surface dans les différentes régions;

• énoncer des recommandations pour une utilisation sécurisée et conforme des ressources géothermiques.

Ces dernières années, la mise en œuvre et l’exploitation des installations de la géothermie de surface ont été parfois remises en cause en raison de cas de sinistres, isolés mais parfois spectaculaires : mouvements de terrain, assèchement de sources et de puits, pollutions, etc. Au regard de ces risques potentiels, ce document donne notamment des informations et des recommandations, à l’échelle transfrontalière permettant de contribuer à :

• minimiser les risques liés à l’utilisation des ressources géothermiques par la mise en place de mesures adaptées,

• améliorer la qualité des travaux d’installation et d’exploitation des installations géothermiques.

La protection de la nappe phréatique du Rhin supérieur :

La nappe phréatique du Rhin supérieur constitue une ressource en eau exceptionnelle. Elle est généralement utilisable sans traitement préalable pour l’alimentation en eau des populations et des industries. La protection des eaux souterraines contre toute forme de pollution est pour cette raison un objectif capital. La directive cadre sur l’eau vise à éviter toute dégradation des zones préservées et à retrouver le bon état des secteurs dégradés.

Les différents usages des eaux souterraines, y compris l’utilisation à des fins géothermiques, sont susceptibles de polluer la nappe phréatique. Ils doivent donc faire l’objet de précautions particulières afin d’exclure, ou au moins de minimiser, leurs impacts sur l’état de la ressource en eau.

Il s’agit, en outre, de protéger les intérêts du maître d’ouvrage et des tiers concernés dans le cadre de l’utilisation de la géothermie, notamment pour éviter des dégradations qui pourraient être causées aux bâtiments dans le voisinage.

Aperçu des différents types d ́installation

Les installations les plus courantes en géothermie de surface sont :

• les pompes à chaleur sur nappe (aquathermie, systèmes ouverts) ;

• les sondes géothermiques (systèmes fermés, généralement jusqu’à 100 m de profondeur en France, ou à 400m en Allemagne).

A noter que les autres systèmes, tels que les collecteurs enterrés horizontaux, les pieux et les corbeilles géothermiques, ne sont pas traités dans ce document. Les systèmes mis en œuvre permettent, lorsque les conditions techniques sont remplies, non seulement de fournir de la chaleur dans le respect de l’environnement mais également de climatiser les bâtiments.

Pompes à chaleur sur nappe :

Les pompes à chaleur sur nappe sont des systèmes ouverts (fig. 1). Les eaux souterraines, prélevées directement dans le sous-sol à l’aide d’un puits de prélèvement, assure le rôle de fluide caloporteur. Les calories contenues dans l’eau sont retenues au niveau d’un échangeur thermique et transmises au système de chauffage. Les eaux refroidies (ou réchauffées en système de climatisation) sont en règle générale réinjectées dans la nappe par l’intermédiaire d’un second puits. Dans certains cas, elles peuvent être rejetées dans le réseau hydrologique superficiel.

Sondes géothermiques :

Les sondes géothermiques sont des systèmes fermés (fig. 2). Le fluide caloporteur y circule en circuit fermé, n’entrant jamais en contact avec le milieu naturel et prélevant la chaleur du sous-sol (circuit primaire). Cette chaleur est récupérée au niveau d’un échangeur thermique puis transmise au circuit de chauffage (circuit secondaire) sous l’action d’une pompe à chaleur.

Cadre réglementaire pour la réalisation d’installations

Bade-Wurtemberg

La réalisation d’installations géothermiques est sujette à déclaration auprès des services de l’eau (communautés urbaines, collectivités territoriales). L’administration vérifie s’Il y a lieu de lancer une procédure d’autorisation ou d’agrément. Une déclaration doit également être faite auprès de l’administration minière, le Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB), domiciliée au Regierungspräsidium de Fribourg. Dans le cas où les forages dépassent 100 m de profondeur, la direction des mines vérifie alors si un plan d’exploitation (§ 127 BBergG) ou une autorisation dans le cadre du code minier sont nécessaires. Les ouvrages dont l’emprise dépasse les limites parcellaires sont soumis obligatoirement au code minier.

Rhénanie-Palatinat

La réalisation d’installations géothermiques est sujette à autorisation auprès des services de l’eau (communautés urbaines, collectivités territoriales). La Strukturund Genehmigungsbehörde Süd (SGD-SÜD) à Mainz et à Neustadt an der Weinstraße est associée à la procédure en tant qu’interlocuteur technique. Une déclaration doit également être faite auprès de l’administration minière Landesamt für Geologie und Bergbau (LGB) pour le cas où les forages dépassent 100 m de profondeur. Cette instance vérifie si un plan d’exploitation est nécessaire pour les forages de plus de 100 m de profondeur (§ 127 BBergG). Un permis d’exploitation minière n’est pas nécessaire pour les sondes géothermiques, dans la mesure où celles-ci sont réalisées dans le cadre d’un projet d’urbanisme sur la parcelle concernée (§ 4 deuxième alinéa, premier tiret BBergG).

Alsace

La réalisation d’installations géothermiques est soumise au Code minier et au Code de l’environnement. Dans le cadre du Code minier, les démarches sont à effectuer auprès de la Direction régionale de l’environnement, de l’aménagement et du logement (DREAL) Alsace selon la profondeur ou le débit de l’ouvrage. Ainsi, une déclaration de travaux doit être transmise pour toute réalisation de forage d’une profondeur supérieure à 10 m : déclaration de travaux (article L. 411-1). De même, selon le débit du système d’exploitation géothermique prévu, une procédure de déclaration ou d’autorisation sera engagée selon les situations suivantes :

• Exploitationàunetempératureinférieureà150°C:

» si le débit calorifique maximal est inférieur à 200 thermies 1par heure calculées par rapport à 20° C (232 kW) et la profondeur est inférieure à 100m (cas de la minime importance), la déclaration est nécessaire

» si le débit calorifique maximal est supérieur à 200 thermies par heure ou si la profondeur est supérieure à 100m, l’autorisation de recherche et le permis d’exploitation sont nécessaires (articles L .124-4 et L .134-4). L’ouverture de travaux de forage dans ce cas fait également l’objet d’une procédure d’autorisation (article L .162-4)

Dans le cadre du Code de l’environnement, un dépôt de dossier est à faire auprès de la Direction Départementale des Territoires (DDT) du Bas-Rhin ou du Haut-Rhin dans les cas suivants :

• Toute réalisation de forages « eau » non domestique, quelle que soit la profondeur, une déclaration est nécessaire (rubrique 1.1.1.0) ;

• Prélèvement d’eau souterraine (rubrique 1.1.2.0) :

» si le volume total annuel prélevé est entre 10 000 et 200 000 m3/an, une déclaration est nécessaire ; » si le volume total annuel prélevé est supérieur à 200 000 m3/an, une autorisation est nécessaire.

Pour connaître de façon plus détaillée la composition des dossiers, il convient de se reporter aux articles R214-6 et R214-32 du Code de l’environnement ;

Si le prélèvement ou le rejet s’effectuent en eaux de surface, d’autres rubriques du code de l’environnement s’appliquent, il convient nécessairement de consulter l’administration.

Canton de Bâle-campagne

L’exploitation des ressources géothermiques du sol et du sous-sol est soumise à autorisation des services environnementaux cantonaux (Bauund Umweltschutzdirektion). Un agrément est accordé dans la mesure où la nappe n’est pas menacée, aucun risque géologique n’est à craindre et aucun critère rédhibitoire n’est rempli (par exemple la construction d’un tunnel), qui exclurait la réalisation de sondes géothermiques. Les maîtres d’ouvrage peuvent consulter sur internet la carte des sondes géothermiques, qui indique les zones de forage potentielles avec les profondeurs correspondantes.

Canton de Bâle-ville

L’exploitation des ressources géothermiques du sol et du sous-sol est soumise à autorisation par le Amt für Umwelt und Energie (AUE). Un agrément est accordé dans la mesure où la nappe phréatique n’est pas menacée, aucun risque géologique n’est à craindre, aucune infrastructure existante n’est menacée et aucun critère rédhibitoire du point vue de l’aménagement du territoire n’est rempli, qui exclurait la réalisation de sondes géothermiques. La procédure d’agrément est soumise au dépôt préalable d’une demande de permis de construire. La carte des sondes géothermiques, qui indique les zones de forage potentielles peut être consultée sur le site internet de l’AUE.

Recommandations pour l’installation et l’exploitation

De quoi faut-il tenir compte lors de la conception de l’installation ?

La réalisation d’installations géothermiques demande une phase préalable de conception rigoureuse. Outre la nécessité d’adapter le dimensionnement des ouvrages en fonction des besoins, elle exige un savoir-faire spécifique, avec la prise en compte des éléments suivants :

• Le forage est-il situé dans une zone d’exclusion (par exemple, dans un périmètre de protection de captage) ?

• Les conditions géologiques et hydrogéologiques sont-elles défavorables (présence de plusieurs niveaux d‘aquifères, sismicité, roche sujette au gonflement ou à la dissolution, cavités souterraines, etc.) ?

• Existe-t-il dans le voisinage d’autres installations géothermiques ou d’autres usages de la ressource en eau qui doivent être prise en compte ?

• Des décharges historiques, des sites ou des sols pollués situés à proximité peuvent-ils être impactés par d’éventuelles variations de niveau piézométrique (par pompage) et ainsi conduire à la mobilisation de polluants ?

Par ailleurs, en France, la réalisation d’un forage est soumise à des exigences techniques qui figurent dans le guide d’application de l’Arrêté Interministériel du 11 septembre 2003.

Mesures à prendre :

Avant tous travaux d’installations de géothermie de surface, il est nécessaire au préalable de se renseigner sur l‘existence ou la présence des éléments suivants :

• Zonages environnementaux ;

• Autres installations géothermiques ou autres systèmes d’utilisation de la ressource en eau à proximité ;

• Anciennes décharges, sites ou sols pollués dans le voisinage ;

• Environnements géologiques défavorables à la réalisation de forages dans de bonnes conditions techniques (présence de formations salifères ou de roches sulfatées, phénomène d’artésianisme, aquifères superposés, etc.).

Quels sont les impacts potentiels des forages sur la nappe ?

Les réalisations de forages ont une incidence sur le sous-sol et, le cas échéant, sur les eaux souterraines. Les risques potentiels sont notamment les suivants :

• Transfert de polluants vers la nappe lors du forage ou en cas d’une cimentation annulaire insuffisante ;

• Mise en contact, de façon temporaire ou permanente, de différents niveaux d’aquifères entraînant alors un écoulement d’eau souterrain du bas vers le haut (phénomène d’artésianisme) ou inversement, un rabattement de la nappe allant jusqu’à son assèchement, par écoulement d’eau du haut vers le bas. L’assèchement de puits ou de sources peut alors s’ensuivre. Si la qualité des eaux dans les aquifères mis en contact est différente, il peut en résulter une pollution de l’aquifère le moins dégradé. Pour ces raisons, une cimentation d’étanchéité parfaite et durable du forage est très importante.

Mesures à prendre

• Avant tout travaux de forage, il est indispensable de connaître l’hydrogéologie du lieu et d’établir un diagnostic préalable sur les mécanismes en jeu dans le sous-sol ;

• Il convient d’adapter la technique de forage, de même que le mode de réalisation du forage et de la cimentation, aux conditions hydrogéologiques du lieu (par exemple, choix du tubage à l’avancement, de l’emploi de plusieurs tuyaux d’injection, de la mise en place d’obturateurs, etc.) ;

• Du personnel qualifié doit nécessairement encadrer et suivre les travaux de forage et de cimentation, notamment par la connaissance des profils géologiques, le suivi des niveaux piézométriques du ou des aquifères, une attention particulière portée sur les particularités du sous-sol telles que la présence d’anhydrite pouvant donner lieu, en présence d’eau, à des gonflements et à des mouvements de terrain) ;

• Du matériel d’intervention, tel que des obturateurs gonflables par exemple, doit être disponible sur le chantier pour maîtriser des situations inattendues ;

• Le matériau de remplissage du forage doit être étanche et durablement stable, afin de résister notamment aux conditions d’alternance gel / dégel, ou à la présence de sulfates.

Quels impacts peuvent avoir des forages mal réalisés sur l’environnement immédiat ?

Des forages mal réalisés ou défectueux peuvent déclencher des mécanismes souterrains avec des conséquences sur l’environnement immédiat :

• Des dommages peuvent se produire sur des bâtiments suite à l’affaissement ou à la surélévation du terrain ;

• La mise en œuvre de pressions excessives lors du forage au marteau fond de trou peuvent provoquer des dommages sur des constructions avoisinantes.

Mesures à prendre

• Avant tout travaux de forage, il est indispensable de connaître l’hydrogéologie du lieu et d’établir un diagnostic préalable sur les mécanismes en jeu dans le sous-sol ;

• La technique de forage doit être adaptée aux conditions géologiques du lieu ;

• En présence de sol sujet à gonflement (gypse, anhydrite) le forage doit être impérativement abandonné.

A quoi faut-il veiller lors de l’implantation de sondes géothermiques ?

La cimentation des forages géothermiques traversant plusieurs couches aquifères (note : travaux interdits dans le canton de Bâle-Campagne) doit être réalisée de façon parfaite afin de garantir une étanchéité efficace et durable de l’espace annulaire. Bon nombre d’avaries sur sonde géothermique, connues à ce jour, ont été occasionnées par une cimentation imparfaite causant un court-circuit entre différents niveaux aquifères.

Une cimentation incomplète de l’espace interstitiel entraîne la perturbation du transfert de chaleur entre la sonde et la roche. Il peut en résulter une perte de rendement de l’installation.

Mesures à prendre

• La conception et la réalisation du forage doivent être adaptées à la situation hydrogéologique du lieu afin de garantir une étanchéité parfaite de l’espace annulaire. Le cas échéant, la mise en œuvre de plusieurs tuyaux d’injection permet d’effectuer avec soin la cimentation au niveau des couches intercalaires.

• Le remplissage de l’espace annulaire doit être réalisé avec du matériel répondant à des caractéristiques et à des critères de consistance normalisés dont par exemple la densité et la stabilité de la suspension ou la résistance á la pression ;

• Le suivi de la cimentation doit être assuré avec des moyens de mesures adaptées tels que par exemple l’enregistrement (automatique) de la pression d’injection, de la colonne et du volume de matière injectés, des caractéristiques du coulis débordant au niveau de la tête de forage, etc.

Quels sont les risques présentés par l’exploitation d’une installation géothermique ?

L’exploitation d’une installation géothermique peut entraîner certains effets négatifs.

Pompes à chaleur sur nappe

• Les panaches de températures peuvent perturber le fonctionnement d’autres installations géothermiques situées en aval hydraulique.

• Les rabattements du niveau piézométrique engendrés par pompage peuvent occasionner des dommages par tassement du terrain. Le refoulement peut à l’inverse entraîner des inondations ou des montées du niveau de nappe dommageables pour les constructions y compris celles de tiers.

• Les puits de réinjection des pompes à chaleur sur nappe peuvent se colmater.

Mesures à prendre

• Le repérage des sondes situées à proximité du lieu d’implantation doit être effectué dès la phase de conception de l’installation ;

• Chaque implantation doit faire l’objet d’une vérification sur le site des caractéristiques du terrain, en vue de l’implantation des puits de prélèvement et de refoulement, ainsi que de la composition des eaux souterraines, dont les teneurs en fer (Fe) et en manganèse (Mn) ;

• Une évaluation des impacts hydrauliques et thermiques de l’installation doit être effectuée.

• Une maintenance régulière des puits de refoulement est à prévoir, avec intégration de travaux de régénération, si besoin.

Sondes géothermiques

• Des problèmes liés aux alternances gel/dégel peuvent altérer durablement l’étanchéité de l’espace annulaire dans le cas des sondes sous-dimensionnées ou exploitées en surrégime.

• Du fluide caloporteur peut s’échapper de sondes détériorées.

Mesures à prendre

• L’installation doit fonctionner en mode hors-gel.

• L’étanchéité du circuit primaire est à vérifier régulièrement.

Que faire en cas d’abandon de l’installation ?

Avec le temps, des défauts d’étanchéité peuvent apparaitre au niveau des sondes géothermiques. Les fuites de fluide caloporteur peuvent causer une pollution des eaux souterraines. Des substances polluantes peuvent également migrer de la surface du sol vers la nappe dans le cas de forages imparfaitement cimentés.

Mesures à prendre

• L’abandon doit faire l’objet d’une déclaration auprès des autorités compétentes.

£• Les installations doivent être démantelées dans la mesure du possible. Les forages abandonnés doivent être comblés au moyen de techniques appropriées.

• Si le démantèlement n’est pas envisageable, le fluide caloporteur doit être vidangé et éliminé selon la règlementation en vigueur. Les sondes purgées doivent être rincées.

• L’injection d’un coulis adapté, permettant une étanchéité durable et assurant une neutralité vis-à-vis des eaux souterraines, devra cimenter les sondes.