Le stockage de l’énergie solaire représente l’un des défis majeurs de la transition énergétique moderne. Parmi les solutions innovantes développées depuis les années 1970, le tunnel à galets émerge comme une technologie particulièrement prometteuse pour l’habitat bioclimatique. Cette méthode de stockage intersaisonnier exploite les propriétés thermiques exceptionnelles des matériaux minéraux pour conserver la chaleur captée durant l’été et la restituer progressivement pendant les mois froids.
Contrairement aux systèmes de stockage électrochimiques coûteux, cette approche géothermique passive utilise des matériaux abondants et durables. Les premiers prototypes, développés par des ingénieurs visionnaires comme Steve Baer, ont démontré une efficacité remarquable dans des climats variés. Aujourd’hui, cette technologie suscite un regain d’intérêt face aux enjeux environnementaux et aux besoins croissants d’autonomie énergétique des bâtiments.
Principe thermodynamique du stockage de chaleur par masse thermique en galets
Le fonctionnement du tunnel à galets repose sur les principes fondamentaux de la thermodynamique et des transferts de chaleur. Lorsque l’air chaud circule à travers le lit de galets, un échange thermique s’opère selon la loi de Newton du refroidissement. La différence de température entre l’air et les roches génère un flux de chaleur qui permet aux galets d’accumuler progressivement l’énergie thermique.
Capacité calorifique spécifique des roches basaltiques et granitiques
Les roches volcaniques comme le basalte présentent une capacité calorifique spécifique d’environ 0,84 kJ/kg·K, tandis que les granites atteignent 0,79 kJ/kg·K. Cette propriété détermine directement la quantité d’énergie que chaque kilogramme de matériau peut emmagasiner par degré d’élévation de température. Pour un tunnel de 5 mètres linéaires contenant 1,8 m³ de galets, la capacité de stockage théorique peut atteindre 120 kWh thermiques.
Coefficient de conductivité thermique des agrégats minéraux
La conductivité thermique des galets de rivière varie entre 1,5 et 3,5 W/m·K selon leur composition minéralogique. Cette caractéristique influence la vitesse de propagation de la chaleur au sein du matériau. Les galets basaltiques, avec leur structure cristalline dense, offrent une conductivité supérieure qui facilite les échanges thermiques avec l’air circulant.
Phénomène de stratification thermique dans les lits de galets
La circulation d’air dans le tunnel génère naturellement une stratification thermique verticale. Les couches supérieures du lit de galets atteignent des températures plus élevées, créant un gradient thermique qui optimise le stockage. Ce phénomène, similaire à celui observé dans les ballons d’eau chaude sanitaire, permet une restitution progressive et contrôlée de l’énergie accumulée.
Rendement énergétique des cycles charge-décharge thermique
Les mesures effectuées sur les installations expérimentales révèlent des rendements de stockage intersaisonnier compris entre 65% et 75%. Cette performance remarquable s’explique par la faible conductivité thermique du sol environnant qui limite les déperditions. Les pertes thermiques se concentrent principalement durant les trois premiers mois suivant la charge, puis se stabilisent à des niveaux
quasi stationnaires. Dans la pratique, cela signifie qu’un tunnel à galets correctement dimensionné peut restituer une part significative de la chaleur stockée sur plusieurs mois, avec un rapport énergie restituée / énergie injectée très favorable par rapport à d’autres solutions de stockage basse température. Plus la maison est bien isolée et dotée d’une enveloppe bioclimatique performante, plus ce rendement global du cycle charge-décharge se rapproche de la limite haute observée sur les sites pilotes.
Architecture et dimensionnement des tunnels de stockage géothermique passif
La performance d’un tunnel à galets ne dépend pas uniquement des propriétés thermiques des roches. L’architecture du système, la section des conduits, la profondeur d’enfouissement et la granulométrie du lit de galets jouent un rôle tout aussi déterminant. Un bon dimensionnement permet d’équilibrer surface d’échange, pertes de charge et inertie thermique, afin de garantir un fonctionnement fiable durant plusieurs décennies sans surcoût inutile.
Calcul de la section transversale optimale pour la circulation d’air
Le dimensionnement de la section d’air d’un tunnel à galets vise un compromis entre vitesse de l’air, pertes de charge et qualité de l’échange thermique. En pratique, on cherche à maintenir une vitesse moyenne comprise entre 1 et 3 m/s dans les conduits collecteurs, ce qui limite le bruit, la consommation électrique des ventilateurs et l’érosion des matériaux. Pour une maison bioclimatique de 100 m², un débit de l’ordre de 150 à 300 m³/h par tunnel est généralement retenu.
Dans un tunnel de 5 m de long et 0,6 m de large, la section libre entre les galets, rapportée à la porosité du lit (souvent 35 à 45 %), doit permettre la diffusion homogène du flux d’air. C’est pourquoi on utilise des tubes collecteurs en PVC ou PEHD de 160 à 200 mm de diamètre, fendus latéralement sur toute leur longueur. La somme des sections des fentes est dimensionnée pour représenter environ 1,5 fois la section intérieure du tube, de manière à éviter les étranglements locaux et à répartir le débit sur l’ensemble du volume de galets.
Pour illustrer ce principe, imaginons le lit de galets comme un radiateur géant et les tubes collecteurs comme son collecteur hydraulique. Si la section d’entrée est trop faible, une partie du « radiateur » reste froide. À l’inverse, si la section est surdimensionnée, la vitesse chute, l’échange devient moins turbulent et donc moins efficace. Le dimensionnement de la section transversale optimale repose donc sur des abaques de pertes de charge, ou à défaut sur un retour d’expérience consolidé par les projets réalisés depuis les années 1980.
Profondeur d’enfouissement et isolation thermique périphérique
La profondeur d’enfouissement typique des tunnels de stockage se situe entre 2 m et 2,8 m sous le niveau fini du sol. À cette profondeur, l’influence des variations de température de surface est fortement atténuée, et la température moyenne du sol se rapproche de la température moyenne annuelle de l’air (souvent 10 à 14 °C en France métropolitaine). Cette « base thermique » stable est idéale pour un stockage intersaisonnier de chaleur solaire, mais également pour un rafraîchissement passif en été.
Faut-il isoler les tunnels à galets latéralement et en partie supérieure ? La réponse dépend du climat et de l’objectif de stockage. Pour un stockage strictement intersaisonnier visant à restituer en hiver des calories injectées en été, une isolation périphérique (par exemple panneaux de mousse rigide ou couches de matériaux à faible conductivité) limite les pertes vers le sol froid environnant. Cependant, une partie de la diffusion de chaleur dans le terrain contribue aussi à transformer la masse de terre en « batterie thermique » à grande échelle.
Dans les climats tempérés, on privilégie souvent une isolation plutôt en partie supérieure du volume de stockage (sous la dalle), afin de favoriser la remontée des calories vers l’habitat, tout en laissant le flux latéral diffuser plus lentement dans le sol. En revanche, en zone de nappe phréatique peu profonde ou de terrain très humide, l’étanchéité (géomembrane type polyéthylène de 1 mm et géotextile type Bidim) devient prioritaire, pour éviter toute infiltration d’eau qui dégraderait les performances et la durabilité du tunnel.
Système de ventilation naturelle par effet de tirage thermique
Un tunnel à galets peut être alimenté en air chaud de deux façons : par ventilation mécanique contrôlée (VMC) ou, plus rarement, par ventilation naturelle utilisant l’effet de tirage thermique. L’effet de tirage repose sur la différence de densité entre l’air chaud et l’air froid : l’air chaud a tendance à monter, créant une dépression qui peut aspirer de l’air à travers le lit de galets. Ce principe, déjà mis en œuvre par Steve Baer dans les années 1970, permet théoriquement un fonctionnement sans ventilateur.
Dans la pratique, un système fonctionnant uniquement par thermosiphon exige des conduits d’admission et d’extraction d’air très soigneusement dimensionnés, avec des pertes de charge minimales et des différences de hauteur importantes entre les capteurs solaires à air, le tunnel et les bouches de soufflage dans la maison. Une cheminée solaire ou un mur capteur élevé peuvent renforcer ce tirage, mais la régulation de débit reste délicate, surtout dans les maisons modernes très étanches à l’air.
C’est pourquoi la plupart des installations contemporaines combinent un léger effet de tirage naturel et une assistance mécanique à très basse consommation. Un ventilateur de 150 à 200 m³/h pour un tunnel de 5 m, dimensionné pour 15 à 20 mm de pertes de charge en colonne d’eau, suffit généralement. En intersaison, l’effet de tirage limite la sollicitation électrique ; en hiver et en été, la VMC prend le relais pour assurer un débit d’air stable, ajusté en continu par une régulation simple (thermostats, by-pass motorisé, variation de vitesse).
Granulométrie et porosité du lit de galets pour maximiser l’échange
La granulométrie des galets conditionne à la fois la surface d’échange avec l’air, la porosité du lit et donc les pertes de charge. Des galets de rivière lavés de calibre 60/100 mm (6 à 10 cm) offrent un bon compromis entre ces différents paramètres. Avec cette granulométrie, la porosité typique est de 35 à 40 %, ce qui permet à l’air de circuler librement tout en assurant une surface d’échange importante. Des galets trop gros réduiraient la surface de contact ; des agrégats trop fins augmenteraient dramatiquement les pertes de charge.
On peut comparer le lit de galets à une éponge minérale : plus les alvéoles sont fines, plus la surface interne est importante, mais plus il est difficile de souffler de l’air à travers. En choisissant des galets arrondis, non gélifs et soigneusement lavés pour éliminer poussières et matières organiques, on obtient une structure robuste, stable dans le temps et peu propice au développement microbien. Dans certains projets, des briques empilées en quinconce ont été utilisées à la place des galets, avec des performances thermiques comparables mais un coût souvent plus élevé.
La hauteur de lit de galets, généralement comprise entre 0,6 et 0,8 m, contribue elle aussi à la performance. Une épaisseur plus importante augmente certes la capacité de stockage local, mais au prix d’un gradient de température plus marqué et d’un risque de « court-circuit thermique » si l’air ne traverse pas uniformément toute la section. Une bonne conception vise donc une répartition homogène du flux grâce aux collecteurs perforés, aux géotextiles de répartition et à un contrôle rigoureux des niveaux lors du remblaiement.
Intégration aux capteurs solaires à air et serpentins de distribution
Pour que le tunnel à galets atteigne tout son potentiel, il doit être intégré à un système global de captage et de distribution de l’énergie solaire. Les capteurs solaires à air, qu’ils soient intégrés en façade, en toiture ou sous forme de serre bioclimatique, jouent ici le rôle de « générateurs de calories ». Leur mission : fournir un flux d’air chaud à 30, 40 voire 60 °C durant les heures ensoleillées, afin de charger la masse minérale sous la maison.
En hiver, l’air réchauffé par les capteurs peut être envoyé directement dans l’habitat pour un chauffage rapide, ou être d’abord dirigé vers les tunnels à galets pour recharger la réserve thermique si la température intérieure est déjà confortable. Ce pilotage s’effectue via un réseau de conduits, des clapets motorisés et parfois un by-pass permettant de court-circuiter le stockage. On peut ainsi optimiser en temps réel le partage entre chauffage immédiat et stockage intersaisonnier, en fonction des besoins et des prévisions météorologiques.
Les serpentins de distribution d’air chaud issus des tunnels sont généralement raccordés à un plénum central, placé sous la dalle ou dans un local technique. De là, l’air peut être redistribué par des conduits vers les pièces principales, ou injecté dans une VMC double flux qui assurera à la fois le renouvellement d’air hygiénique et la diffusion de la chaleur. Dans certains projets, notamment en maisons en ossature bois ou en paille, les murs intérieurs lourds (terre crue, briques) servent de relais pour lisser encore davantage les variations de température.
Vous vous demandez comment ce système se comporte en été ? Les mêmes capteurs à air, souvent couplés à une toiture ventilée ou à un mur Trombe, peuvent fonctionner en mode rafraîchissement. L’air extérieur, parfois à 30 °C ou plus, est alors tempéré en passant par les tunnels à galets refroidis par la diffusion des calories vers le sol. Injecté dans l’habitat à une température proche de 20 à 22 °C, il apporte un confort d’été notable, sans recours à une climatisation active énergivore.
Performance énergétique comparative avec les technologies de stockage conventionnelles
Pour évaluer l’intérêt d’un tunnel à galets, il est utile de le comparer aux technologies de stockage de chaleur les plus courantes : ballons d’eau chaude, réservoirs d’eau enterrés, sondes géothermiques verticales, ou encore systèmes de stockage chimique ou à changement de phase. Chaque technologie a son domaine d’excellence ; le tunnel à galets se distingue par sa simplicité, son faible coût et sa compatibilité avec des maisons bioclimatiques à faible besoin de chauffage.
Un ballon solaire thermique classique de 500 à 1 000 litres permet de stocker l’équivalent de quelques dizaines de kWh, mais sur une durée limitée de quelques jours. La chaleur se perd relativement vite par les parois, malgré une bonne isolation. À l’inverse, un tunnel à galets de 1,8 m³ sous 2,5 m de terre peut stocker plus de 100 kWh et les restituer sur plusieurs semaines, avec un rendement intersaisonnier de 65 à 75 %. On pourrait dire que le ballon d’eau est une « batterie de jour à jour », alors que le tunnel est une « batterie de saison à saison ».
Face aux sondes géothermiques verticales couplées à une pompe à chaleur, le tunnel à galets affiche un COP implicite élevé, puisqu’il ne fait appel qu’à un ventilateur de faible puissance. Là où une PAC demande plusieurs centaines de watts électriques pour fournir quelques kW thermiques, le tunnel se contente souvent de 20 à 200 W pour brasser l’air. Le rapport énergie utile / énergie consommée peut dépasser 10 ou 20 selon les configurations, ce qui le rend très compétitif dès lors que la surface de captage solaire est suffisante.
Bien sûr, le tunnel à galets ne vise pas à se substituer aux grandes installations de stockage intersaisonnier par fosses d’eau ou par aquifères (STES de type PTES ou ATES), capables de desservir des quartiers entiers. Il s’inscrit plutôt dans une logique d’autoconsommation à l’échelle de la maison ou du petit collectif, avec des travaux réalisables par une entreprise de terrassement standard, voire en autoconstruction assistée. Dans ce contexte, la performance énergétique comparative tient autant au rendement qu’au coût par kWh stocké, très favorable aux solutions minérales peu transformées.
Applications concrètes dans l’habitat bioclimatique et l’agriculture sous serre
L’une des forces du tunnel à galets réside dans la diversité de ses applications concrètes. Dans l’habitat bioclimatique, on l’intègre souvent dès la conception de la maison, sous la dalle d’une zone de vie principale ou sous une véranda orientée plein sud. Dans l’agriculture sous serre, il permet de prolonger la saison de culture, de réduire les besoins de chauffage d’appoint et d’améliorer le confort climatique des plantes comme des opérateurs.
Dans une maison en ossature bois très bien isolée (type RE2020 ou maison passive), un réseau de deux à quatre tunnels de 5 m chacun, alimentés par des capteurs solaires à air intégrés en toiture, peut couvrir 50 à 70 % des besoins annuels de chauffage. Le reste est assuré par un poêle à bois, une petite PAC air-air ou un simple appoint électrique, dimensionné au plus juste. Ce type de configuration illustre parfaitement le rôle du tunnel à galets comme « socle » de chauffage renouvelable, complété par une solution de pointe pour les jours les plus froids.
Dans les serres maraîchères, le tunnel à galets est souvent placé sous les planches de culture ou sous les allées. En été, l’air chaud accumulé en partie haute de la serre est aspiré, filtré et envoyé dans les tunnels, qui stockent l’excédent de chaleur tout en contribuant à limiter les surchauffes diurnes. En automne et en hiver, le système fonctionne en sens inverse : l’air extérieur est tempéré par le sol avant d’être réinjecté dans la serre, ou l’air de la serre est simplement brassé à travers le stockage pour lisser les amplitudes thermiques jour-nuit.
Vous imaginez déjà les bénéfices pour une microferme ou un projet de permaculture sous abri ? Moins de recours au gaz ou au fuel, des conditions plus stables pour la germination et la croissance, un microclimat plus résilient face aux épisodes de froid. En outre, le couplage avec des capteurs solaires à air en pignon de serre est particulièrement pertinent : ces capteurs, peu adaptés aux hautes températures exigées par l’eau chaude sanitaire, deviennent ici de formidables « chargeurs » de masse thermique minérale.
Maintenance préventive et durabilité des installations de stockage minéral
Un tunnel à galets bien conçu est un système quasi inerte, dont la durabilité peut dépasser plusieurs décennies. Néanmoins, comme tout ouvrage enfoui, il nécessite une réflexion approfondie sur les risques d’humidité, de contamination biologique et de colmatage. Les retours d’expérience des années 1980 ont mis en lumière certains écueils, notamment la formation de nids à rongeurs ou de foyers bactériens dans des tunnels mal protégés ou insuffisamment filtrés.
La première ligne de défense consiste à assurer une parfaite étanchéité à l’eau et à l’air parasite grâce à une géomembrane continue, un géotextile robuste et des raccords soigneusement traités autour des conduites. Les galets doivent être lavés avant mise en œuvre, afin de supprimer les fines et la matière organique qui pourraient servir de substrat aux bactéries. L’utilisation de filtres à air haute efficacité en entrée de système (caisson filtre avec cartouches remplaçables) limite la pénétration de poussières, de pollens et de spores dans le stockage.
Du point de vue de la maintenance, il est judicieux de prévoir dès la conception des trappes de visite, des sections de conduits démontables et des points de mesure (thermocouples, sondes d’humidité) accessibles. On peut ainsi contrôler périodiquement les températures internes, vérifier l’absence de condensation excessive et ajuster les débits de ventilation. Un nettoyage des filtres tous les 3 à 6 mois est généralement suffisant, tandis que l’inspection des conduits et des ventilateurs peut être programmée tous les 3 à 5 ans.
La question de la qualité de l’air est centrale pour un usage résidentiel. Pour y répondre, certains concepteurs optent pour une séparation stricte entre le circuit d’air neuf hygiénique (géré par une VMC double flux classique) et le circuit d’air de stockage, qui fonctionne en boucle fermée entre les capteurs à air, le tunnel et un échangeur d’air supplémentaire. Cette configuration limite au maximum le contact entre l’air de stockage et l’air respiré à l’intérieur, tout en conservant les avantages du stockage minéral. Elle permet aussi d’envisager une désinfection occasionnelle du circuit par air chaud ou UV, si les normes sanitaires ou les usages le requièrent.
Enfin, la durabilité structurelle repose sur le respect des règles de l’art en terrassement : stabilité des talus, respect des distances de sécurité vis-à-vis des fondations (règle des 3/1 ou 3/2 selon la nature du sol), gestion des eaux de ruissellement. Un tunnel à galets n’est pas seulement un équipement énergétique, c’est aussi un ouvrage de génie civil. Bien pensé et réalisé, il accompagnera la maison ou la serre pendant toute sa durée de vie, avec une maintenance réduite à quelques gestes simples de prévention et de contrôle.