Sous la croûte terrestre de notre planète, la terre est très chaude : en son centre, les températures sont supérieures à 4 000 °C et son manteau supérieur (entre 70 et 700 km de profondeur) il régnerait une température de 500 à 1000 °C.
La croûte terrestre est une couche isolante d’une épaisseur de 30 à 65 km sous les continents est de 5 à 10 km sous les océans qui nous protège de ces températures élevées. Le gradient géothermique moyen en Europe est de 3 degrés par cent mètres de profondeur, ce qui signifie que lorsque l'on descend de cent mètres dans l’écorce terrestre, la température augmente de 3 degrés. Ce gradient peut atteindre des valeurs bien plus élevées dans certaines zones.
Par rapport à la plupart des énergies renouvelables, l'énergie géothermique présente le grand avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques ni même de la disponibilité d'un substrat comme c'est le cas pour la biomasse. La géothermie constitue donc une source d'énergie assez fiable et stable dans le temps. De plus en plus, la géothermie de faible profondeur (10 à 200m sous la surface du sol) apparaît comme une solution énergétique séduisante. Elle présente un potentiel considérable de production de chaleur à basse température et de froid pour les villes, les zones d'activités économiques et les quartiers d'aujourd'hui. Le marché des pompes à chaleur géothermiques se développe avec succès dans des pays comme l'Allemagne, les Pays-Bas, le Danemark, la Suède, et la Suisse où elles constituent 45% du marché.
La géothermie, c'est-à-dire l'utilisation de la chaleur naturelle du sous-sol pour produire de l'énergie ou pour fournir directement de la chaleur, peut être utilisée de différentes manières suivant les usages énergétiques et les contextes géologiques. La production de chaleur est préconisée avec des pompes à chaleur géothermiques (PAC). Cette utilisation de la géothermie est qualifiée de "géothermie superficielle" (car à faible profondeur) ou encore "très basse énergie".
La géothermie superficielle est appelée aussi géothermie très basse température ou géothermie très basse énergie. Elle exploite la chaleur du sol à des profondeurs généralement comprises entre 1 et 100 mètres, pour des températures inférieures à 30°C (12°C en moyenne en Belgique).
En effet, le rayonnement du soleil et les conditions climatiques ont une influence majeure sur la température terrestre des premiers mètres du sol, en particulier via l’eau de pluie s’infiltrant vers les nappes phréatiques. La chaleur terrestre (ou flux géothermique) contribue à l’établissement de la température des premiers mètres du sous-sol. Ce flux de chaleur est produit en partie par la désintégration des éléments présents dans les roches de la croute terrestre, et en partie par la chaleur issue du manteau et du noyau, qui dissipent une grande quantité d’énergie (à l’origine notamment du mouvement des plaques) depuis 4,5 milliards d’années. Ainsi, une fois à l’abri des variations saisonnières à quelques mètres de profondeur, la température du sol est stable, à 12°C dans les plaines à basse altitude.
La pompe à chaleur géothermique permet, à partir de cette source de chaleur, d’ajuster la température aux besoins de l’habitat. Ce type de géothermie est utilisé pour le chauffage et/ou la climatisation de maisons individuelles, de bâtiments tertiaires et de locaux collectifs. Le fluide utilisé pour assurer l’échange avec le sol peut être de l’eau ou de l’air ; dans ce dernier cas on parle de « puits canadien ». On distingue également les PAC avec leurs capteurs : horizontaux à faible profondeur ou verticaux par forage.
Les capteurs horizontaux sont les plus répandus pour les maisons individuelles. Cette technique ne nécessite en effet que des travaux de terrassement.
Capteurs horizontaux
Les capteurs horizontaux sont disposés en réseau de tubes installés en boucle (en série ou en dérivation) dans lesquels circulent un fluide caloporteur. Le tout enterré à une profondeur allant de 80 cm à 1,20 m. La surface de terrain à mobiliser pour l'installation correspond à 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer.
Capteurs en spirale
Les capteurs en spirale sont appelés paniers géothermiques et sont installés en série ou en dérivation. Ils sont enterrés à une profondeur allant de 4m à 6m. La surface nécessaire pour son application est très faible (2m² par panier). La pose est simple et ne nécessite pas de permis.
Capteurs verticaux
Les capteurs verticaux, ou sondes géothermiques sont disposés entre 40 et 150 m de profondeur. Le dispositif peut être installé dans n'importe quel milieu géologique, mais la pose est délicate selon la nature du sous-sol. L'échange de chaleur avec le sol s'effectue ici par l'intermédiaire d'un ou deux tubes en U dans un forage vertical, dans lequel circule un liquide caloporteur, de l'eau glycolée ou de la saumure, emmené vers l'évaporateur d'une PAC géothermique. Cette technique nécessite une surface de terrain restreinte. Par exemple, deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur sont suffisantes pour chauffer une maison de 120 m2 habitable.
Le puits canadien ou puits provençal
Le puits canadien c'est un système qui utilise l'inertie thermique du sous-sol dont la température - à 2 ou 3 m de profondeur - reste à peu près constante (environ 12°C en été et 7 °C en hiver). Il consiste à faire circuler de l'air dans une canalisation enterrée à faible profondeur de l'extérieur vers l'intérieur de l'habitation. La température de l'air est ainsi modifiée par l'apport du sol. Si cela ne peut remplacer un système de chauffage, le puits canadien permet néanmoins de rafraîchir l'air en été et de le préchauffer en hiver pour mettre une habitation hors-gel par exemple. Ce principe de ventilation contribue à diminuer les dépenses énergétiques nécessaires au renouvellement de l'air et améliore l’efficacité énergétique du bâtiment.
