Thermetrennes - Suivi et analyse du comportement énergétique d'une station de métro thermoactive à Rennes

Une géostructure thermoactive met à profit les travaux de génie civil pour installer dans les géostructures des échangeurs géothermiques, réduisant ainsi leurs coûts d’installation. Cependant, les données publiées sur le fonctionnement de ces applications restent limitées. Les collectivités locales sont généralement ouvertes à des projets incluant une énergie renouvelable et locale, mais les maitres d’œuvres ou bureaux d’études qu’ils interrogent ont des difficultés à leur apporter des réponses sûres faute de retour d’expérience suffisant sur le comportement énergétique de ces structures. Les contrôleurs techniques chargés d’homologuer les installations avant l’ouverture au public sont aussi généralement inquiets des éventuelles contraintes thermomécaniques imposées par l’activation sur la structure.  

Le métro de Rennes est un des premiers en Europe à avoir activé une partie de ses ouvrages, et représente donc une excellente opportunité de mieux comprendre le comportement thermique de telles structures thermoactives, afin de pouvoir répondre au mieux à ces différents acteurs. A ce titre, il constitue un pilote aussi bien d’un point de vue énergétique, économique que réglementaire. 

Le premier objectif scientifique est la compréhension des échanges thermiques dans des échangeurs intégrés aux différents éléments de stations de métro (radiers, piédroits et parois moulées). Ce premier objectif s’appuie sur l’instrumentation la plus précise possible d’une des quatre stations thermoactives, et sur un modèle numérique précis sous COMSOL.

Le deuxième objectif scientifique est de valider les approches de modélisation couramment utilisées, et de préciser les pistes d’optimisation de l’exploitation de ces nouveaux échangeurs en fonction des différents paramètres impactants. Des outils de modélisation simplifiés seront développés et validés pour servir au dimensionnement plus précis et plus sûr des futurs projets.

Le troisième objectif scientifique est la validation de la bonne tenue thermomécanique des bétons composants la station, aussi bien lors de la réaction d’hydratation que lors de la production d’énergie thermique à destination des bâtiments de surface. Cette étude sera menée à la fois d’un point de vue expérimental et d’un point de vue numérique. 

Le premier lot doit faire le bilan bibliographique des précédentes études sur les performances énergétiques et thermo-mécanique des géostructures thermoactives.

Le deuxième lot est l’instrumentation d’une des quatre stations équipées en échangeurs géothermiques. Trois sondages instrumentés de grappes de capteurs PT100 seront installés à l’extérieur de la station afin de mesurer les variations de température et le niveau piézométrique autour de la station. Trois autres piézomètres seront installés plus loin, afin de déterminer le profil d’écoulement souterrain non perturbé.

Le troisième lot est une expérimentation thermique et thermomécanique en laboratoire sur une maquette de paroi en béton équipée d’échangeurs géothermiques de même aspect que ceux équipant la station réelle.

Le quatrième lot est la modélisation numérique précise des transferts thermiques et hydrogéologiques dans et autour de l’ensemble de la station. Cette modélisation sous COMSOL permet de comprendre l’impact des différents paramètres sur les performances énergétiques de la paroi, ainsi que l’interaction entre les écoulements souterrains et la paroi énergétique.

Le cinquième lot reprendra les enseignements des lots trois et quatre pour développer des modèles simplifiés de parois moulé et radiers pouvant être utilisées de manières satisfaisantes dans une simulation énergétique dynamique, aussi bien en termes de précision que de rapidité de calcul, afin d’améliorer le dimensionnement de telles structures.

Enfin le sixième lot permettra la dissémination de tous les résultats du projet, via la publication d’articles scientifiques, de vulgarisation, l’organisation d’un workshop sur le sujet, ainsi que la rédaction d’un guide de bonnes pratiques pour le dimensionnement mais aussi la mise en œuvre de telles projets. 

A l’heure actuelle (juillet 2024), le lot 1 est terminé. Le lot 2 (instrumentation) est en cours et devrait se terminer en septembre ou octobre 2024. Ce lot a pris quelques mois de retard à cause de difficultés de planning dans la préparation dans forages. Un avenant de délai a été demandé à l’ADEME pour donner le temps au projet de capitaliser suffisamment de données d’exploitation.

Le lot 3 est en cours de finalisation avec la rédaction de plusieurs communications sur les résultats expérimentaux et numérique sur la thermomécaniques du béton dans une paroi moulé thermoactive.

Le lot 4 est en cours, les premiers résultats sont très encourageant en terme de précision. Les résultats de l’étude paramétrique sont attendus dans les prochains mois. Le lot 5 pourra démarrer dans de bonnes condition dans la foulée. Le lot 6 ne se lancera que dans les six derniers mois du projet. 

Application et valorisation

Les résultats du projet permettront aux concepteurs de mieux dimensionner les futures installations, et aux décideurs et contrôleurs de disposer d’informations fiables et d’une aide à la décision.

Les résultats du projet, aussi bien en termes de capacité de modélisation dynamique que de retour d’expérience de réalisation d’une géostructure thermoactive, pourront avoir un impact important sur le déploiement de cette technique dans des contextes et des géométries potentiellement variées. Au-delà des stations de métro, qui ne sont pas les géostructures les plus répandues dans les villes françaises, ils pourront servir à l’étude de l’activation de parkings souterrains de plusieurs étages, de tunnels routiers ou ferroviaires, ainsi que de bâtiments possédant des niveaux profondément enterrés.

Coordinateur  

• BRGM (45)

Partenaires 

• Rennes Métropole (35)
• EGIS (78)
• AQUASSYS (35)
• Université de Rennes I - LGCGM (35)
• Université Grenoble-Alpes - 3SR  (38)
• KEOLIS (92)

Localisation

• Rennes (35)

Détails du projet

• Durée : 36 mois
• Mois/Année de démarrage : Octobre 2022

Montant total projet

• 460 000 €

Aide projet

• 300 000 €