Thèse Modélisation du Potentiel et Suivi de la Performance des Systèmes Géothermiques de Faible Profondeur 0-200M Sous le Grand Paris H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Géosciences, climat, environnement et planètes
École doctorale : Sciences de l'Environnement d'Ile-de-France
Laboratoire de recherche : Géosciences Paris Saclay
Direction de la thèse : Benjamin BRIGAUD ORCID 0000000169612177
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-11T23:59:59

RÉSUMÉ : Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la transition énergétique et de la décarbonation des besoins en chauffage et en refroidissement des bâtiments en milieu urbain, en s'intéressant au potentiel de la géothermie de surface (0-200 m) sous la Métropole du Grand Paris. Alors que la géothermie profonde est déjà largement exploitée en Île-de-France pour les grands réseaux de chaleur, la géothermie peu profonde apparaît comme une solution complémentaire particulièrement adaptée aux quartiers peu denses ou aux bâtiments récents, notamment grâce à sa capacité à fournir à la fois du chauffage et du rafraîchissement.
L'objectif principal du projet est de développer une méthodologie de modélisation permettant d'évaluer le potentiel géothermique exploitable et soutenable à l'échelle d'un quartier, en tenant compte de l'évolution thermique du sous-sol sur le long terme et des interactions entre les différents systèmes géothermiques (boucles ouvertes et fermées), ainsi que des infrastructures souterraines existantes. La problématique centrale est de déterminer jusqu'à quel niveau de densité d'exploitation le sous-sol peut être sollicité sans compromettre la durabilité de la ressource ni générer de conflits d'usage.
Le travail s'appuiera sur la construction d'un modèle géologique 3D détaillé intégrant les hétérogénéités de faciès, de porosité, de perméabilité et de température, issu des données et modèles développés dans le cadre du programme PEPR Sous-Sol. Ce modèle servira de base à des simulations thermo-hydrodynamiques visant à reproduire le fonctionnement des systèmes existants et à tester différents scénarios de déploiement de la géothermie à l'échelle d'un quartier pilote. Un effort particulier sera consacré à la collecte et à l'analyse de données de terrain (débits, températures, usages énergétiques) afin de calibrer les modèles et de représenter de manière réaliste les conditions d'exploitation.
Les simulations numériques, réalisées à l'aide du code JutulDarc.jl, permettront d'évaluer l'impact de la densification des installations géothermiques, de l'intégration d'ouvrages souterrains (tunnels, parkings, etc.) et de scénarios de stockage saisonnier de chaleur. À terme, la thèse vise à proposer un outil d'aide à la décision pour la planification et la gestion durable de la géothermie de surface en milieu urbain, en fournissant des indicateurs de capacité énergétique et de soutenabilité du sous-sol à l'échelle locale.

Les ressources géothermiques disponibles à faible profondeur sous les villes (<200 m) suscitent un intérêt croissant (chauffage, eau chaude sanitaire, climatisation, rafraichissement) des bâtiments. Le potentiel de cette géothermie de surface sous le Grand Paris a été évalué par le BRGM: les pompes à chaleur géothermiques pourraient couvrir jusqu'à 20% du chauffage et eau chaude sanitaire actuellement couverts par des chaudières gaz dans les zones de la métropole éloignées des réseaux de chaleur, ce qui en fait un incontournable de la décarbonation des besoins en énergie thermique (Maragna et al., 2022).
L'Ile-de-France est déjà l'une des régions qui concentre le plus d'unités de production de chaleur issue de la géothermie pour le chauffage urbain. Cette ressource, principalement extraite du Dogger (de l'ordre de 1500 m de profondeur et 70 °C), est adaptée pour de gros réseaux de distribution avec des bâtiments ou infrastructures aux besoins énergétiques élevés (e.g. piscines, hôpitaux) ou des grands ensembles de logements. Cependant, elle est beaucoup moins pertinente d'un point de vue économique pour des quartiers ou zones beaucoup moins denses et/ou plus récentes où les réseaux de chaleur, fonctionnant à basse température (par ex. 40 °C au lieu de 70 °C), ne requièrent pas nécessairement une ressource géothermale profonde.

Le développement de la géothermie de surface, qui en plus d'extraire de la chaleur, permet de fournir également du froid (geocooling), est donc un enjeu crucial récemment souligné par le Haut-Commissariat au Plan (Bayrou, 2022). Ce développement semble indispensable pour que les zones urbaines atteignent une neutralité carbone en termes de chauffage et de refroidissement des bâtiments. Deux grands types de systèmes sont classiquement utilisés : (1) les boucles ouvertes, exploitant des aquifères au moyen de puits de production et réinjection (doublets géothermiques) et les (2) boucles fermées, utilisant des sondes géothermiques verticales (en milieu aquifère ou non aquifère). La problématique du type d'installation se pose dans beaucoup de métropoles, et des travaux ont été menés pour quantifier le potentiel de la géothermie de surface, pour fournir du chaud ou du froid. Ces travaux reposent sur le développement et la calibration de modèles numériques hydrogéologiques et thermiques (souvent dans le logiciel Feflow), par exemple à Saragosse (García-Gil et al., 2015), Lyon (Attard, Rossier and Eisenlohr, 2016, 2017; Attard, Rossier, et al., 2016; Attard, Winiarski, et al., 2016), Bâle (Mueller, Huggenberger and Epting, 2018), ou Turin avec une attention particulière aux structures souterraines anthropiques (tunnels de métro...) (Barla, Di Donna and Perino, 2016; Barla and Insana, 2023). Des tentatives d'extrapolation de ces résultats numériques de l'échelle du quartier à l'échelle de la métropole ont été menées (Epting et al., 2017, 2018, 2020). Cependant il n'existe pas vraiment de procédure pour évaluer la soutenabilité de l'extraction d'une zone ou d'un quartier ou îlot d'habitation donné. La question scientifique du projet est la suivante :
Quelle est la densité maximale admissible (nombre de systèmes géothermiques par km²) que nous pouvons déployer sur un périmètre donné dans le sous-sol du Grand Paris, sans induire d'interférences préjudiciables ni de dégradation à long terme de la ressource ?

L'expérience acquise sur l'extraction de chaleur en géothermie profonde peut être reproduite avec les systèmes en boucle ouverte en couplant sédimentologie, pétrophysique, altération diagénétique et modélisation thermo-hydro-dynamique, où les effets d'interaction entre doublets peuvent être pris en compte. En effet, de nombreux codes ayant fait leur preuve (TOUGH3, ECLISPE, MARTHE, COMPASS, FEFLOW...) existent (1) pour prédire l'extraction de chaleur sous forte contrainte (avec de nombreux doublets) et (2) pour prédire leur durabilité dans ce type de système ouvert (par doublet). En revanche, beaucoup moins de travaux ont été menés sur la Métropole du Grand Paris sur la géothermie de surface, ce qui complique la prédiction de l'évolution thermique du milieu et de l'énergie disponible pour les bâtiments sur plusieurs décennies (voire plus), en prenant en compte (1) l'interaction entre différents systèmes d'exploitation (ouvert et fermé), (2) ou différents ouvrages dans différents niveaux, (3) l'utilisation de normes de performance technique ou encore (4) la compétition entre les systèmes, (5) le fonctionnement de systèmes permettant de stocker de la chaleur en été dans le sous-sol, et (6) l'évaluation d'un éventuel usage conflictuel de la géothermie sur d'autres usages du sous-sol.

Les premières études au niveau international sur la géothermie de surface montrent que la compréhension des hétérogénéités géologiques locales du sous-sol et les écoulements souterrains associés sont fondamentaux pour prédire la « densité limite » des systèmes pouvant être installés dans un quartier et contraindre l'utilisation de la chaleur et/ou du froid d'un quartier. D'autres études montrent également que les différents usages de l'espace souterrain (géothermie, génie civil...) perturbent de manière significative son régime thermique (Benz et al., 2015, 2016, 2018; García-Gil et al., 2015; Attard et al., 2016; Bucci et al., 2017; Benz and Kurylyk, 2022). Une gestion durable de cet espace et des ressources associées nécessite donc d'observer finement dans le temps et dans l'espace l'évolution du régime thermique du sous-sol.

Afin de répondre à ces besoins, les deux objectifs majeurs du projet seront de fournir une méthodologie de modélisation du potentiel géothermique (et utilisable de manière soutenable) de faible profondeur (<200 m) à l'échelle d'un quartier dans la zone du Grand Paris, et/ou comprenant la craie, et en évaluant son évolution temporelle.

Les deux objectifs majeurs du projet seront de fournir une méthodologie de modélisation du potentiel géothermique (et utilisable de manière soutenable) de faible profondeur (<200 m) à l'échelle d'un quartier dans la zone du Grand Paris, et/ou comprenant la craie, et en évaluant son évolution temporelle.

Pour développer un outil de prédiction du potentiel géothermique de faible profondeur, il est impératif de s'appuyer sur un modèle géologique prenant en compte les hétérogénéités en termes de faciès, porosité, perméabilité et température. Pour construire un tel modèle géologique, le travail devra s'appuyer sur les Connaissance du sous-sol » et une « Maquette numérique 3D du sous-sol » caractérisant les hétérogénéités de faciès, diagenèse et pétrophysique, objectif du Programme d'équipement prioritaire de recherche (PEPR) Sous-Sol sur lequel s'appuie le projet de thèse. Dans le présent projet, une 1ère phase du travail consistera à construire un modèle géologique, potentiellement habillé en faciès, porosité, perméabilité à l'échelle d'un quartier à partir d'études précédentes menées à l'Université Paris-Saclay. Ce modèle sera ensuite utilisé pour les simulations thermo-hydrauliques. Actuellement, les données relatives aux prélèvements des installations de surface existantes (débit de prélèvement, température) sont extrêmement lacunaires. Il sera nécessaire de mieux renseigner les usages déjà en cours, par des enquêtes de terrain, ou encore par l'installation d'équipement in-situ des pompes à chaleur afin de suivre les débits et températures (par exemple à l'échelle d'un quartier). Ceci sera très important afin de caler le modèle et les puissances des systèmes. Ensuite, il sera important d'estimer tous les besoins énergétiques à l'échelle du quartier, en termes de chaleur et froid des bâtiments.

Dans un 2ème temps, les simulations seront entreprises en incluant les 2 grands systèmes d'exploitation (ouvert et fermé) et en incluant les infrastructures (tunnels, routes, parkings...) pouvant exercer une influence sur le système thermo-hydrodynamique. L'objectif serait, par exemple, de tester une densité maximum dans un volume donné et in fine d'évaluer la capacité énergétique du sous-sol d'un quartier selon sa géologie et ses propriétés hydrothermiques, et de définir sa soutenabilité. Une zone « pilote » à l'échelle d'un quartier pourrait être testée avant d'obtenir des simulations sur des zones plus larges. Les simulations numériques seront réalisées avec le simulateur JutulDarc.jl, développé à Oslo par Sintef Digital (Lie, 2019; Møyner, 2024).