Pompes à chaleur géothermiques

En 2017, l’université Ball State de l’Indiana a fermé la dernière des quatre chaudières au charbon qui chauffaient son campus depuis des décennies. In their place it drilled about 3,600 boreholes under its grounds and connected them, through two energy stations, to heat pumps that warm and cool the campus. The system cost about $65 million, and the university committed to cutting its greenhouse gas emissions by nearly 80,000 tons a year (Wikipedia, Ball State University).

Une pompe à chaleur géothermique n’est pas une nouvelle source d’énergie. C’est un multiplicateur : il utilise l’électricité pour déplacer la chaleur qui est déjà dans le sol vers un bâtiment, et fournit trois à cinq unités de chaleur pour chaque unité d’électricité qu’il consomme (AIE, 2022). Il est mature, fiable et silencieux. Il est également cher à installer, c’est pourquoi cette page passe autant de temps sur le coût que sur la physique.

Ce qu’il est

Une pompe à chaleur géothermique est composée de trois parties: boucle de masse de tuyaux en plastique enterrés dans des tranchées ou jetés dans des forages, remplis d’eau et d’antigel; Pompe à chaleur de la taille d’un réfrigérateur, généralement à l’intérieur; et Système de distribution de chaleur, tels que les radiateurs ou le chauffage par le sol. En hiver, le fluide dans la boucle capte la chaleur du sol et la pompe à chaleur la concentre à 35 à 55 °C pour la maison. En été, la même machine peut fonctionner en sens inverse, refroidissant le bâtiment et réinjectant de la chaleur dans le sol.

Les petites maisons avec jardin peuvent utiliser des boucles horizontales posées à 1 à 2 m de profondeur. La plupart des autres bâtiments utilisent des forages verticaux, généralement de 15 à 150 m de profondeur; une maison individuelle ayant besoin de 10 kW de chaleur pourrait avoir besoin de trois forages de 80 à 110 m (Wikipedia, pompe à chaleur géothermique). Des rues et des campus entiers peuvent partager un champ de forages à travers une Réseau thermique: un circuit d’eau à température ambiante reliant plusieurs bâtiments, chacun avec sa propre pompe à chaleur.

Comment ça marche

Une pompe à chaleur est un réfrigérateur retourné. Un fluide de travail (le réfrigérant) s’évapore à basse température dans un échangeur de chaleur relié à la boucle de masse, absorbant ainsi la chaleur. Un compresseur comprime la vapeur, ce qui augmente sa température. Dans un deuxième échangeur de chaleur, il se condense et libère cette chaleur dans l’eau qui va aux radiateurs. Une soupape d’expansion abaisse la pression et le cycle recommence.

Le multiplicateur. La chaleur délivrée divisée par l’électricité utilisée est le coefficient de performance, COP. Le meilleur que peut faire une pompe à chaleur est le COP de Carnot:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), avec les températures en kelvin.

La distribution d’eau à 40 °C (313 K) à partir du sol à 5 °C (278 K) après pertes de l’échangeur de chaleur donne 313 / 35 ≈ 8.9. Les vraies machines atteignent approximativement moitié de la figure de Carnot, donc environ 4.5. Deux choses découlent directement de l’équation:

• L’ascenseur importe plus que tout. Chaque degré entre la source et les radiateurs coûte en efficacité. L’augmentation de la température d’écoulement de 35 °C à 55 °C fait baisser notre COP modélisé au sol d’environ 4,5 à 3,0. Des radiateurs plus grands ou un chauffage par le sol, qui fonctionnent à des températures plus basses, rendent chaque pompe à chaleur meilleure.
• La température de la source est importante. L’air extérieur est le plus froid exactement quand la chaleur est le plus nécessaire. A -7 °C et 55 °C d’écoulement, une unité à source aérienne dans notre modèle tombe à environ 2,3; le sol, à environ 10 °C, donne 3,0 à la même température d’écoulement. C’est tout l’avantage du terrain.

Le sol est une batterie lente. A quelques mètres de profondeur, les variations quotidiennes disparaissent; à 10 à 20 m le sol se trouve près de la température moyenne annuelle locale de l’air, et plus en profondeur il se réchauffe d’environ 0,025 °C par mètre (Wikipedia, pompe à chaleur géothermique). La chaleur qui y est contenue provient principalement du soleil qui réchauffe la surface, et non du noyau de la Terre. Un forage qui n’extrait que de la chaleur refroidit lentement la roche environnante au fil des ans, et un champ de forages densément peuplé peut refroidir plus rapidement que le sol ne se rétablit. Remettre la chaleur en été, en refroidissant les bâtiments, maintient l’équilibre. C’est pourquoi les réseaux partagés qui mélangent les charges de chauffage et de refroidissement fonctionnent si bien.

Le nombre saisonnier. Le COP sur une fiche technique est mesuré dans une condition d’essai. Ce qui compte, c’est le facteur de performance saisonnière (FPS) : la chaleur délivrée sur une année entière divisée par toute l’électricité utilisée, y compris les pompes et les chauffages de secours. Les tests sur le terrain mesurent le FPS, et il est toujours inférieur au COP du laboratoire.

Les limites

• Physique. La limite de Carnot plafonne le COP pour un ascenseur donné; aucun réfrigérant ou compresseur ne lui échappe. Les vraies machines sont déjà à environ la moitié de ce chiffre, et les meilleures un peu plus.
• Capacité au sol. Chaque mètre de forage ne peut fournir que quelques dizaines de watts de chaleur, selon la roche et l’eau souterraine. La demande en chaleur d’un bâtiment détermine donc le nombre de mètres à forer. Le forage est le plus gros coût.
• Espace et accès. Les plates-formes de forage ont besoin d’un accès; les quartiers denses, les bâtiments classés et les petites parcelles peuvent ne pas avoir d’endroit où forer.
• Qualité de la construction. Une maison qui fuit avec de petits radiateurs a besoin d’une température de flux élevée, ce qui réduit le COP; l’isolation et les plus gros émetteurs viennent souvent en premier.
• Prix de l’électricité. Le coût d’exploitation dépend du prix de l’électricité divisé par le prix du combustible qu’il remplace. Lorsque l’électricité coûte plus de trois fois plus cher que le gaz par kWh, comme au Royaume-Uni, la pompe à chaleur a besoin d’un COP annuel proche de 3 pour compenser les coûts de fonctionnement.
• Compétences. Une bonne conception et une mise en service font une grande différence avec un vrai SPF, et les compétences des installateurs sont rares dans de nombreux pays.

Projets réels, mesurés

Projet	Où, quand	Barème	Ce qui est rapporté
Fraunhofer ISE field test, WPsmart en stock	Allemagne, logements existants construits entre 1850 et 2001, suivi à partir de 2017	Systèmes de source aérienne et de source terrestre dans les habitations occupées	FPS annuel: source terrestre environ 4,1 (plage d’environ 3,3 à 4,7), source aérienne environ 3,1 (plage d’environ 2,5 à 3,8) (Fraunhofer ISE)
Système géothermique de l’Université Ball State	Muncie, Indiana, États-Unis, achevé en 2017	About 3,600 boreholes, two energy stations, about $65 million	Replaced all four coal-fired boilers; the university committed to nearly 80,000 tons a year less greenhouse gas (Wikipedia)
Pilote géothermique en réseau Eversource	Framingham, Massachusetts, États-Unis, 2024	Environ trois douzaines de maisons et bâtiments municipaux sur une boucle d’un mile	Premier réseau thermique exploité par un service public aux États-Unis; un bâtiment administratif scolaire, une caserne de pompiers et des logements sociaux parmi les utilisateurs; environ 18,6 millions de dollars; le réseau devrait doubler en taille (PBS NewsHour, 2025)
Géo-échange de l’Université du Colorado Mesa	Grand Junction, Colorado, États-Unis	16 bâtiments, 1,2 million de pieds carrés, sur une boucle ambiante partagée	Fournit 90 % du chauffage et de la climatisation du campus; l’université déclare des économies d’énergie de 1,5 million de dollars par année (Étude de cas US DOE)
Programme de modernisation des chaudières	Angleterre et Pays de Galles, 2022 à 2026	82,651 grants paid for heat pumps and biomass boilers by April 2026	La source géothermique est une petite minorité: 98% des demandes étaient pour les pompes à chaleur air-eau (DESNZ, 2026)

Les réseaux de chaleur de cinquième génération en Europe, des boucles à température ambiante qui partagent la chaleur entre les bâtiments par le biais de pompes à chaleur individuelles, ont été examinés sur des dizaines de sites (Buffa et al., 2019). Leur efficacité dépend fortement de l’équilibre entre les besoins en chauffage et en refroidissement.

Ce que ça coûte

Une pompe à chaleur ne produit pas d’électricité, donc la comparaison avec notre référence pour l’ensemble du site (l’énergie solaire sur le toit à environ 0,19 $ par kWh dans le modèle Fan Wall, dans la fourchette de Lazard de juin 2026 de $0.09 to $0,20 pour l’énergie solaire commerciale sur le toit) est indirecte: une pompe à chaleur géothermique convertit chaque kWh de cette électricité solaire en environ quatre kWh de chaleur. Le concurrent direct est une chaudière à gaz, et la juste mesure est le coût par kWh de chaleur, y compris l’installation.

We use UK figures because they are public and recent: median installed costs from the Boiler Upgrade Scheme for January to March 2026 (£27,352 for ground source, £13,100 for air source, both including VAT) (DESNZ); the £7,500 grant; price-cap unit rates for October to December 2026 of 26.32p per kWh of electricity and 7.97p per kWh of gas (Ofgem); the Fraunhofer field SPFs; a home using 12,000 kWh of heat a year; and 20 years at a 7% real discount rate, as on our wind page. For the gas boiler we assume £3,000 installed and 90% efficiency.

Système de chauffage	Coût installé	Coût de fonctionnement par kWh de chaleur	Coût total par kWh de chaleur, sans subvention	Avec la bourse de 7500 £
Chaudière à gaz	£3,000 (assumed)	8,9p	11.2p	Non admissible
Pompe à chaleur air-air, SPF 3.1	£13,100	8,5p	18,8p	13,9p
Pompe à chaleur géothermique, SPF 4.1	£27,352	6,4p	27,9p	22,0p

Notre calcul. Les frais permanents et d’entretien sont omis; ils sont similaires pour toutes les options.

La table est inconfortable, et elle devrait l’être.Aux prix britanniques, une pompe à chaleur géothermique pour une maison individuelle coûte environ deux fois plus cher par kWh de chaleur que le gaz, même avec la subvention, presque entièrement en raison de l’installation. Le coût de fonctionnement est déjà inférieur. L’image change quand:

• L’électricité est moins chère que le gaz, comme en Suède, en Norvège et en France, ou avec un tarif par temps d ’ utilisation.
• La boucle au sol dure plus de 20 ans. Des forages bien installés devraient survivre à plusieurs pompes à chaleur; répartis sur 50 ans au lieu de 20, le coût annuel de la boucle diminue d’environ un quart.
• Plusieurs bâtiments partagent un champ de forage, réduisant la conception, la mobilisation et le coût de forage par maison, et en laissant les charges de refroidissement recharger le sol.
• L’alternative est le chauffage au fioul, au GPL ou électrique direct, qui coûtent plus cher que le gaz.
• Le bâtiment a besoin de refroidissement ainsi que de chauffage, ce que le même système fournit à peu de frais supplémentaires.

Où il peut gagner, et où il ne peut pas

Il peut gagner:

• Campus, hôpitaux, bureaux et nouveaux lotissements, où un champ de forage dessert plusieurs bâtiments et où le chauffage et le refroidissement sont nécessaires.
• Les maisons et les fermes hors réseau de gaz remplaçant le pétrole ou le GPL.
• Les climats froids, où les pompes à chaleur aérothermiques ont du mal dans les semaines les plus froides et le sol garde sa température.
• Des rues reconstruisent leur réseau de gaz. Les réseaux thermiques exploités par les services publics, comme celui de Framingham, pourraient remplacer les conduites de gaz vieillissantes par des boucles d’eau partagées.
• Nouveaux bâtiments, où les trous de forage peuvent être percés avant les fondations et le chauffage par le sol maintient la température d’écoulement basse.

Il ne peut pas gagner:

• Maison existante où le gaz est bon marché et l’électricité chère, comme le montre le tableau des coûts, à moins que le prix de l’installation ne baisse fortement.
• Vieilles rues denses sans espace pour forer.
• Immeubles mal isolés avec de petits radiateurs, jusqu’à ce que le bâtiment soit amélioré.
• Comme source d’électricité. Il utilise l’électricité; il ne la produit pas.

Ce qui est prouvé, plausible et spéculatif

Éprouvé: la limite de Carnot et l’importance d’une élévation à basse température; des températures du sol stables; des facteurs de rendement annuels mesurés sur le terrain autour de 4 pour les systèmes de source terrestre bien conçus; des décennies d’exploitation fiable en Suède, en Suisse, en Allemagne et en Amérique du Nord; des systèmes à l’échelle du campus remplaçant le charbon et le gaz.

Plausible: Les réseaux thermiques appartenant aux services publics qui rendent la chaleur géothermique abordable pour les rues ordinaires; le forage beaucoup moins cher grâce à de meilleures plates-formes, des conceptions standard et l’échelle; les champs de forage qui stockent la chaleur d’été pour une utilisation en hiver.

Spéculatif: coûts d’installation proches de ceux d’une chaudière à gaz pour une maison individuelle; pompes à chaleur dépassant largement 60% de la limite de Carnot dans le domaine; forages profonds (500 m et plus) devenant assez bon marché pour l’utilisation en ville dense.

Questions de recherche ouvertes

• Forage moins cher. Le forage peut être le coût le plus important d’un système de source terrestre. Des plates-formes plus rapides, des réseaux denses moins profonds, des piles d’énergie dans les fondations et le forage directionnel horizontal ont tous besoin de données de coût réelles.
• Conception du réseau. Comment dimensionner les boucles partagées et les champs de forage afin que le chauffage et le refroidissement s’équilibrent sur des décennies, et qui devrait en être propriétaire.
• Performance réelle à grande échelle. Surveillance indépendante des réseaux comme celui de Framingham: SPF annuel, énergie de pompage, tendances de la température du sol et factures des clients.
• Réfrigérants à faible potentiel de réchauffement global. Pompes à chaleur au propane et au CO2 avec un rendement élevé et une installation sûre en intérieur.
• Effets de réseau. Comment des millions de pompes à chaleur modifient la demande de pointe en hiver, et comment les systèmes géothermiques la réduisent par rapport aux sources d’air.
• Retrofit pathways. L’ordre le moins cher de l’isolation, des mises à niveau de radiateurs et des pompes à chaleur pour différents types de maison.

Ce dont un prototype fonctionnel aurait besoin

Les pompes à chaleur elles-mêmes sont matures; les idées utiles se trouvent dans des boucles de masse moins chères, des réseaux partagés et un contrôle plus intelligent. Un modèle fonctionnel devrait fournir de la chaleur mesurée, avec une entrée d’électricité et une sortie de chaleur mesurées.

Phase	Travail	Décision qu’il permet	Coût brut	Temps
1. Étude documentaire	Demande de chaleur des bâtiments réels, données au sol issues d’études géologiques, conception de boucles avec un logiciel standard, devis de foreurs	L’idée est-elle moins chère par kW que les forages actuels?	$5k to $20k	2 à 3 mois
2. Boucle d ’ essai	Un forage ou un nouveau modèle d’échangeur au sol avec un test de réponse thermique, une petite pompe à chaleur, des compteurs de chaleur et d’électricité, des capteurs de température du sol	Chaleur mesurée par mètre et SPF sur un hiver	$30k to $80k	6 à 12 mois
3. Pilote de rue	5 à 20 bâtiments sur une boucle partagée, un an de données de mesure, factures des clients	Coût réel par foyer et par kWh de chaleur	$0.5M to $3M	18 à 24 mois

De qui nous avons besoin

• Géologues et hydrogéologues pour lire le sol et modéliser les champs de forage.
• Entrepreneurs de forage prêts à tester de nouvelles méthodes et partager les coûts réels.
• Ingénieurs pompe à chaleur et CVC Pour la conception, la mise en service et le suivi.
• Planificateurs de district en énergie et services publics pour les réseaux partagés et les modèles de propriété.
• Spécialistes de la physique du bâtiment pour le séquençage des rétrofits et les émetteurs à basse température.
• Économistes et concepteurs de tarifs Pour un prix équitable de la chaleur et récompenser la flexibilité.

Vous avez une meilleure idée ?

Certains membres de la Fondation peuvent avoir des contacts qui pourraient entendre un pitch pour une idée énergétique forte. Pour être pitchée, une idée a besoin d’un Un modèle de travail, réel qui produit réellement de l’énergie; pour une idée de chaleur comme celle-ci, cela signifie un modèle qui fournit de la chaleur mesurée, avec sa production et son utilisation d’électricité enregistrées sur des instruments, non réclamées. Les idées papier sont les bienvenues aussi : si la physique et les chiffres sont solides, nous pouvons les publier ici sur le site. Mais lever des capitaux sans un modèle fonctionnel est très difficile, et rien ici n’est une promesse de financement, de rendements ou d’introductions.

Envoyez votre idée par le biais de Formulaire de contribution avec le problème qu’il résout, la vérification physique, un coût approximatif par kWh de chaleur et le test le moins cher qui pourrait prouver qu’il a tort. Si vous avez un modèle de travail, incluez ses résultats mesurés et la façon dont vous les avez mesurés. La page sources d’énergie compare cette solution et les autres alternatives sur le radar des idées.

Sources

1. Wikipedia. Ball State University: système géothermique achevé en 2017.
2. IEA (2022). L’avenir des pompes à chaleur.
3. Fraunhofer ISE. WPsmart im Bestand: pompes à chaleur dans les bâtiments existants, essai sur le terrain.
4. Wikipedia. Pompe à chaleur géothermique: profondeurs de forage, températures du sol et gradient géothermique.
5. Ministère de la Sécurité énergétique et du Net Zero (2026). Statistiques du Programme de modernisation des chaudières, avril 2026, tableaux Q1.1A et 1.1.
6. Ofgem (2026). Taux unitaires du plafonnement des prix de l’énergie, 1er octobre au 31 décembre 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Une alliance improbable construit un réseau d’énergie géothermique plus propre dans la communauté du Massachusetts.
8. Département de l’Énergie des États-Unis. Étude de cas sur la pompe à chaleur géothermique: Université du Colorado Mesa.
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. et Fedrizzi, R. (2019). Systèmes de chauffage et de refroidissement urbains de 5e génération: un examen des cas existants en Europe. Revue des énergies renouvelables et durables 104, 504-522.
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. et Hawkes, A. (2012). Une revue des pompes à chaleur domestiques. Énergie et sciences de l’environnement 5, 9291.
11. Lazard (juin 2026). Coût d’énergie nivelé+, version 19.
12. Local Solar System Fondation. Le modèle ouvert Fan Wall: la référence solaire sur toit de 0,19 $ par kWh.