Une piscine chauffée avec un système géothermique à Kuujjuaq

Un article de Valérie Levée, journaliste scientifique

Il y a quelque chose de contre-intuitif à l’idée de chauffer une piscine par géothermie dans une contrée aussi froide que le Nunavik et dépourvue de sources chaudes. C’est pourtant en train de devenir réalité à Kuujjuaq. 

Au Nunavik comme ailleurs, nul besoin de sources chaudes pour exploiter le potentiel géothermique du sol et chauffer un bâtiment ou une piscine. Il s’agit d’envoyer dans le sol un fluide caloporteur à une température plus basse que celle du sol pour en extraire la chaleur. Plus exactement, le fluide circule dans une boucle géothermique qui capte la chaleur du sol. En passant à travers un échangeur de chaleur, le fluide transmet sa chaleur à un gaz réfrigérant qui est comprimé par une pompe à chaleur. Le gaz ainsi comprimé se réchauffe davantage et un autre échangeur de chaleur transmet ensuite l’énergie thermique au système de chauffage du bâtiment ou en l’occurrence à l’eau de la piscine.  

« L’avantage des systèmes géothermiques est qu’ils reposent sur l’utilisation de ressources locales, constantes, disponibles dans tous les villages du Nunavik et qui peuvent être une alternative aux produits pétroliers », commente Jasmin Raymond, professeur à l’INRS-ETE.

Jusqu’à présent, la piscine de Kuujjuaq est en effet chauffée par deux fournaises au diésel. Le principe est là mais au-delà de la théorie, le sol de Kuujjuaq a-t-il vraiment de la chaleur à donner? 

Étude de terrain
Jasmin Raymond est titulaire de la Chaire de recherche INQ sur le potentiel géothermique du Nord. Il y a cinq ans, son équipe a initié des travaux pour étudier le potentiel géothermique à Kuujjuaq. « On a fait un suivi de la température du sol et on a analysé des échantillons de sol pour en évaluer les propriétés thermiques et démontrer la viabilité technique d’un projet de chauffage géothermique », rapporte-t-il. Durant l’été, la température du sol peut atteindre 8 degrés. Si le liquide caloporteur, composé d’eau et d’antigel, est envoyé dans le sol à une température voisine de zéro degré, il va donc se réchauffer. Connaissant le besoin de chauffage, le gradient de température entre le fluide et le sol et les propriétés thermiques du sol, il est possible de calculer la longueur de la boucle géothermique à installer. 

Du laboratoire à la communauté
Jason Aitchison, le directeur de la société Kuujjuamiut qui gère le complexe sportif de Kuujjuaq a eu vent de ces travaux. Il avait suivi une formation du 20/20 Catalyst Program qui visait à guider les communautés autochtones dans le développement des énergies renouvelables. « Il voulait implémenter un projet pilote et de façon naturelle, on s’est mis à travailler ensemble sur ce projet », poursuit Jasmin Raymond, en précisant que si son équipe a entamé la recherche, « ce sont vraiment les leaders de la communauté qui réalisent ensuite le projet ».
Sur le terrain adjacent à la piscine, le sol a été excavé et une boucle géothermique longue de 4 km a été installée horizontalement à 1 m de profondeur. C’est Nunatech-Englobe, un consortium d’entreprises de Kuujjuaq et du Sud, qui a réalisé ces travaux d’excavation tandis que les thermopompes et les échangeurs de chaleur ont été installés par Induktion Géothermie, une entreprise de Québec.
Ces thermopompes ont évidemment besoin d’électricité pour fonctionner mais Kuujjuamiut mène aussi des projets d’installation de panneaux photovoltaïques sur les installations sportives voisines pour notamment, alimenter ces thermopompes. L’eau de la piscine sera alors entièrement chauffée par des énergies renouvelables même si une fournaise au diésel restera fonctionnelle comme système de secours.
La piscine de Kuujjuaq n’est ouverte à la population que pendant les mois d’été et les travaux devraient être finalisés pour l’été 2022. L’équipe du projet fera alors un suivi de la consommation énergétique du système, des coûts d’opération et de la réduction des émissions de gaz à effet de serre. « Si on veut que ce soit utile pour la transition énergétique, il ne suffit pas de réduire la consommation d’énergie et la facture », commente Jasmin Raymond. 

Et ensuite, les gymnases 
Si la démonstration est concluante, la piscine pourrait ouvrir la porte à d’autres projets plus ambitieux.

« On a commencé avec la piscine qui est utilisée seulement en été, mais nos recherches démontrent qu’on pourrait utiliser des pompes à chaleur toute l’année dans le Nord même si la température du sol est plus froide. La phase 2 du projet serait d’installer un système géothermique pour chauffer et climatiser les installations sportives du Forum de Kuujjuaq », décrit Jasmin Raymond.

Le Forum comporte des gymnases qu'il faut chauffer mais aussi une aréna où la glace doit être refroidie. Évidemment, en hiver, le sol gèle et la température descend sous zéro. La boucle géothermique ne pourrait pas être installée à seulement 1 m de profondeur et il faut plonger plus profondément dans le sol pour trouver une température supérieure à zéro. La boucle ne serait donc pas horizontale mais verticale. « On pense qu'on serait capable d’installer un système géothermique avec des échangeurs verticaux de 100 à 150 mètres de profondeur où la température moyenne serait de 1 à 2 degrés Celsius », anticipe Jasmin Raymond.
Kuujjuaq fera alors figure de pionnière en géothermie nordique et pourrait donner l’exemple à d’autres communautés de l’Arctique.

Informations sur le chercheur

Jasmin Raymond est professeur à l'INRS et titulaire de la chaire de recherche INQ sur le potentiel géothermique du Nord. Il est par ailleurs le responsable scientifique du laboratoire ouvert de géothermie (LOG).

Mot du directeur de l’INQ, Jean-Éric Tremblay

L’autonomie et l’efficacité énergétiques sont deux enjeux majeurs pour l’Institut nordique du Québec (INQ), dont la mission scientifique est d’appuyer le développement durable du Nord en partenariat avec les communautés qui l’habitent. 

Comme les grandes centrales hydro-électriques ont été construites dans le « Nord », on peut penser qu’il serait relativement simple de les relier aux 14 villages du Nunavik. Or, la distance entre plusieurs de ces villages et le complexe La Grande, par exemple, est souvent supérieure ou égale à la distance qui le sépare des grandes villes au Sud. Puisqu’il serait très complexe et non rentable, en termes purement économiques, de construire et opérer l’infrastructure requise pour acheminer l’électricité sur l’ensemble du territoire nordique, les communautés et les entreprises qui prélèvent des ressources sur le territoire doivent miser sur des solutions locales pour la production d’énergie. 

La dépendance au diésel est très forte depuis longtemps. L’utilisation de ce combustible fossile n’est toutefois pas sans défi, puisqu’elle requiert un approvisionnement saisonnier par bateau et peut entraîner une contamination importante des eaux côtières ou des sols où les communautés puisent leur eau potable. C’est pour soutenir la transition vers des énergies locales plus propres que l’INQ a mis sur pied un groupe de travail sur les énergies nouvelles et renouvelables.

Les travaux du professeur Jasmin Raymond, financés en partie par l’INQ, sont un élément clé de cette transition puisque la géothermie permet d’exploiter une source d’énergie propre qui est déjà présente en grande abondance dans le sol. Le projet pilote de piscine chauffée à Kuujjuaq est un bel exemple concret des innovations possibles dans le domaine de la géothermie nordique, qui pourra peut-être permettre un jour d’électrifier et de chauffer plusieurs installations du Grand Nord. 

- Jean-Éric Tremblay, Directeur de l'INQ
 

Publications scientifiques relatives au projet

Giordano, Nicolò and Raymond, Jasmin, (2020) Field report and monitoring plan of the groundsource heat pump system for the community swimming pool in Kuujjuaq (Nunavik, Canada).  Rapport de recherche (R2007). INRS, Centre Eau, Terre et Environnement, Québec.

Giordano, Nicolò and Raymond, Jasmin, (2019) Alternative and sustainable heat production for drinking water needs in a subarctic climate (Nunavik, Canada): borehole thermal energy storage to reduce fossil fuel dependency in off-grid communities. Applied Energy 252: 113463,
 
Gunawan, Evelyn; Giordano, Nicolò; Jensson, Páll; Newson, Juliet; Raymond, Jasmin (2020) Alternative heating systems for northern remote communities: Techno-economic analysis of ground-coupled heat pumps in Kuujjuaq, Nunavik, Canada. Renewable Energy, vol. 147 . p. 1540-1553.

Kanzari, Inès; Raymond, Jasmin; Giordano, Nicolò (2017) Évaluation du potentiel des pompes à chaleur géothermique pour la communauté nordique de Kuujjuaq. In: 85e Congrès annuel de l'Association francophone pour le savoir - ACFAS, 8-12 mai 2017, Montréal, Canada.

Actualité scientifique 

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Mention de provenance

Photo de couverture par Jason Aitchison - Vue aérienne, prise par drone, des travaux d’excavation et d’installation de la boucle géothermique.