Récupérer la chaleur des trains pour chauffer les bâtiments

Au lieu de procéder à des forages géother miques plus ou moins profonds pour produire du froid ou du chaud, pourquoi ne pas utiliser des infrastructures déjà existantes ? Il est en effet possible de récupérer de la chaleur dans les tunnels ferroviaires. Lorsque des trains ou des métros les parcourent, les échanges thermiques sont nombreux. Quand ils freinent ou lorsqu’ils accélèrent, cela produit de la chaleur. Pour la récupérer, il suffit d’introduire, à intervalles réguliers, des tubes dans les parois et/ou les radiers (1) en béton des tunnels, puis de les connecter à une pompe à chaleur (PAC). Un fluide caloporteur ou de l’eau est ensuite introduit dans les tubes. En y mettant de l’eau froide durant l’hiver, c’est de l’eau chaude que le système rejettera en surface, et inversement durant l’été. Il est donc théoriquement possible de chauffer des bâtiments en hiver et de les climatiser en été. Mais les projets concrets restent très rares. Un projet- pilote vient notamment de voir le jour sous la gare de Lancy-Bachet, dans le Canton de Genève en Suisse. Un projet-pilote sur le Léman Express Une nouvelle ligne, baptisée Léman Express, relie depuis décembre 2019 Genève à Annemasse (Savoie) en contournant le centre-ville de la cité suisse par l’ouest et le sud-est. « Plus de 80 % de son tracé est enterré, ce qui représente un immense potentiel pour y implanter des infrastructures énergétiques », explique Emmanuel Rigaud, chef d’unité adjoint grands ouvrages France chez BG Ingénieurs Conseils (2).

Projet pilote sur le Léman Express

En collaboration avec l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), l’Office cantonal de l’énergie et les Services industriels de Genève (SIG), le cabinet de conseil a donc mené un projet pilote visant à exploiter la chaleur du Léman Express au niveau de la gare de Lancy-Bachet située à vingt mètres de profondeur. Ce projet est d’autant plus pertinent que les forages de géothermie profonde dans les nappes phréatiques sont interdits dans cette zone. Concrètement, des tubes ont été implantées dans le radier, sous les rails et à l’intérieur des parois moulées lors de la construction de la gare afin de valoriser la chaleur dégagée par les trains. « 4 200 m² de parois ont été équipées ainsi que plus de 3 400 m² de planchers radiers pour une puissance totale de 200 kW », précise Emmanuel Rigaud. Le chantier a posé quelques difficultés aux porteurs de ce projet. Il fallait notamment assurer la sortie des tubes à la surface de manière invisible pour ne pas gâcher l’aspect de la gare. Toutes les infrastructures devaient être cachées et intégrées dans l’ouvrage. Lors des travaux, ils ont aussi subi 10% de pertes de tubes. Le coût d’installation s’est avéré assez élevé, ce qui est plutôt logique compte tenu de la nouveauté de cette technologie et des contraintes architecturales imposées. Il oscille de 100 à 180 €/m². Il est plus élevé pour les parois moulées que pour les radiers.

Validation et fiabilité du concept

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Laboratoire des mécaniques des sols

Sur le Léman Express, des tubes ont été implantés dans le radier sous les rails et à l’intérieur des parois moulées.

Pour l’instant, aucun bâtiment en surface ne profite de la chaleur récupérée par cette installation. Celle-ci a tout de même permis de réaliser deux phases de tests afin de prouver la fiabilité du concept. La première a consisté à modéliser les échanges de chaleur qui se produisent dans les géostructures énergétiques. Lors de cet essai, de l’eau chaude a été injectée à puissance constante dans les géostructures jusqu’à ce que le terrain atteigne un nouvel état d’équilibre thermique. Ce test a déterminé les paramètres thermiques du terrain. La deuxième phase, qui a étudié 35 m² de parois, s’est achevée l’année dernière. Elle a couplé une pompe à chaleur au système afin de mener des Tests de réponse thermique de terrain (TRT). S’ils sont courants sur les forages géothermiques classiques, c’est une première sur ce type de géostructures. « Pour les mener à bien, nous avons installé de nombreux capteurs, des sondes thermiques, des anémomètres équipés de capteurs de températures et des inclinomètres », détaille Loïc Lepage, chef de groupe bâtiment, énergie et territoire chez BG Ingénieurs Conseils. Les recherches, qui ont duré une année entière, ont permis d’analyser le comportement thermique et thermodynamique de l’ouvrage à court et long terme selon différents scénarios d’exploitation afin de simuler un fonctionnement en conditions réelles. « Concernant la production de froid, le flux thermique moyen s’élève à 40 W/m² et la puissance extraite de la PAC atteint 3,2 kW pour 35 m² de paroi. Pour la chaleur nous avons obtenus des chiffres de 20 W/m², et d’1,8 kW pour 35 m² de paroi », expose Loïc Lepage. Outre la modélisation des échanges thermiques, il a aussi été possible d’observer l’impact sur la géotechnique de la gare et les potentiels effets des tubes sur les infrastructures au sein desquelles ils sont intégrés.

Première expérimentation parisienne

La construction du Grand-Paris Express suscite aussi des réflexions sur l’opportunité de récupérer la chaleur des tunnels de métros. La Société du Grand Paris a signé un accord de partenariat avec Efficacity, Institut de recherche et de développement pour la transition énergétique de la ville, pour évaluer le potentiel géothermique des futures gares. Cinq d’entre elles, à la ligne 15 Sud, ont été identifiées comme intéressantes : Pont-de-Sèvres, Issy RER, Les Ardoines, Vert-de-Maisons et Créteil-L’Échât. L’institut a pu approfondir les recherches en analysant les besoins énergétiques des cinq quartiers concernés pour coupler l’énergie récupérée avec les besoins locaux. Un autre projet, plus modeste, fonctionne déjà à Paris. À l’occasion de la réhabilitation d’un immeuble géré par le bailleur social Paris Habitat dans le quatrième arrondissement, une pompe à chaleur a été installée dans le sous-sol et a été reliée au tunnel de la ligne 11 du métro. Ce dispositif géothermique permet de couvrir 35 % des besoins en chauffage des logements de l’immeuble en période hivernale, le reste étant assuré par un réseau de chaleur urbain. La RATP étudie la possibilité de répliquer ce type de projet, notamment au niveau des nouvelles stations de la Porte de Clichy et de la Mairie de Saint-Ouen sur le prolongement de la ligne 14.

Central line à Londres

À Londres, un projet a été mené en 2019 par la compagnie d’électricité UK Power Network en partenariat avec Transport for London, l’entreprise publique en charge des transports en commun de la ville. Il récupère la chaleur perdue de la Central line, dans le quartier d’Islington situé au nord de la capitale britannique, pour alimenter entre 700 et 800 logements. Cette chaleur, rejetée entre 18 °C et 28 °C, est récupérée sur un conduit d’aération, puis portée à 70°C grâce à une pompe à chaleur de 1 MW. Elle est ensuite acheminée sous forme d’eau chaude vers un réseau de chauffage urbain existant, qui récupère déjà la chaleur fatale d’une centrale électrique. Pendant l’été, le système peut être inversé pour injecter de l’air frais dans les tunnels du métro qui dépassent parfois les 35 °C au plus fort de l’été. La réutilisation de cette ressource représente un formidable potentiel d’économie d’énergie dans les grandes métropoles. Selon l’Autorité du Grand Londres, elle pourrait répondre à 38 % des besoins en chauffage de la ville.

(1) Le radier est une base ou une plateforme stable sur laquelle reposent d’autres éléments.

(2) Les citations sont extraites de l’atelier des Assises de l’énergie du 2 mars intitulé “L’utilisation des infrastructures souterraines comme sources d’énergie renouvelable : le cas du RER franco-Suisse Léman Express.”