Géothermie - Définition

La géothermie, du grec γ? (la terre) et θερμ?ς (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par abus de langage, la géothermie désigne aussi l'énergie géothermique issue de l'énergie de la Terre qui est convertie en chaleur et/ou en électricité.

On distingue trois types de géothermie :

• la géothermie à haute énergie (production d'électricité),
• la géothermie à basse énergie (production de chaleur),
• la géothermie à très basse énergie (pompe à chaleur géothermique prélevant la chaleur contenue dans le sol)

L'énergie géothermique est exploitée dans des réseaux de chauffage et d'eau chaude depuis des milliers d'années en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin méditerranéen.

L'augmentation des prix de l'énergie et le besoin d'émettre moins de gaz à effet de serre la rendent plus attrayante. En 2007, en France le BRGM a avec l'ADEME, créé un Département Géothermie pour la promouvoir, après s'être associé à différents programmes de recherche, de travaux de service public. Deux de ses filiales CFG Services (services et ingénierie spécialisée) et Géothermie Bouillante (qui exploite la centrale électrique de Bouillante en Guadeloupe) sont impliquées dans la géothermie.

Principe

Il s'agit d'extraire l’énergie géothermique contenue dans le sol pour l’utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité. Il existe un flux géothermique naturel à la surface du globe, mais il est si faible qu'il ne peut être directement capté. En réalité on exploite la chaleur accumulée, stockée dans certaines parties du sous-sol (nappes d'eau) en faisant un ou plusieurs forages, plus ou moins profond(s) selon la température désirée ou le gradient thermique local.

L'énergie est potentiellement considérable, car un km² de roche, sur une profondeur de 10 km, renferme en moyenne une quantité d'énergie équivalant à 15 millions de TEP.^{[réf. nécessaire]}

Gradient thermique

Plus l'on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l'augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Il peut varier de 3 °C par 100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 15°C ou même 30°C (régions volcaniques, zones de rift comme en Islande ou en Nouvelle-Zélande). La plus grande partie de la chaleur de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches qui constituent la croûte terrestre : c'est l'énergie nucléaire produite par la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium.

Types de géothermie

On distingue classiquement trois types de géothermie selon le niveau de température disponible à l'exploitation :

• la géothermie à haute énergie ou géothermie privilégiée exploite des sources hydrothermales très chaudes, ou des forages très profonds où de l'eau est injectée sous pression dans la roche. Cette géothermie est surtout utilisé pour produire de l'électricité. Elle est parfois subdivisée en deux sous-catégories :
  • la géothermie moyenne énergie (aux températures comprises entre 100 et 150°C) par laquelle la production d'électricité nécessite une technologie utilisant un fluide intermédiaire
  • la géothermie haute énergie (aux températures supérieures à 150°C) qui permet la production d'électricité grâce à la vapeur qui jaillit avec assez de pression pour alimenter une turbine.
• la géothermie de basse énergie : géothermie des nappes profondes (entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres) aux températures situées entre 30 et 100°C. Principale utilisation : les réseaux de chauffage urbain.
• la géothermie de très basse énergie : géothermie des faibles profondeurs aux niveaux de température compris entre 10 et 30°C. Principales utilisations : le chauffage et la climatisation individuelle par dispositifs thermodynamiques généralement fonctionnant à l'électricité , d'où le terme barbare électro-thermodynamique, appelés plus communément " pompes à chaleurs aérothermiques " (puisant dans l'air extérieur) et " pompe à chaleur géothermique " (puisant dans la terre ou l'eau à faible profondeur) beaucoup plus performantes que les premières.

Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur (haute et basse énergie), présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). C’est donc une source d'énergie quasi-continue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l'énergie. Les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années (30 à 50 ans en moyenne).

Dès 1973, B. Lindal avait synthétisé dans un tableau les applications possibles de la géothermie.

" Doublet géothermique "

Plusieurs schémas d’installation existent :

• forage unique : un ou plusieurs forages de pompage sans forage de réinjection
• doublet : un ou plusieurs forages de pompage et un ou plusieurs forages de réinjection
  • doublet non réversible : chaque forage fonctionne toujours en pompage ou en injection
  • doublet réversible : chaque forage fonctionne alternativement en pompage et en injection

En général le principe du " doublet géothermique " est retenu pour augmenter la durée de vie de l'exploitation de la nappe phréatique dans laquelle on puise l'eau chaude. Le principe est de faire deux forages : le premier pour puiser l'eau, le second pour la réinjecter dans la nappe. Les forages peuvent être éloignés l'un de l'autre (un à chaque extrémité de la nappe pour induire un mouvement de circulation d'eau dans la nappe, mais ce n'est pas pratique d'un point de vue de l'entretien) ou rapprochés de quelques mètres mais avec des forages obliques (toujours dans le but d'éloigner les points de ponction et de réinjection de l'eau).

Géothermie haute énergie

La géothermie haute énergie, ou géothermie profonde, appelée plus rarement géothermie haute température, ou géothermie haute enthalpie, est une source d'énergie contenue dans des réservoirs localisés généralement à plus de 1500 mètres de profondeur et dont la température est supérieure à 80°C. Grâce aux températures élevées, il est possible de produire de l'électricité et de faire de la cogénération (production conjointe d'électricité grâce à des turbines à vapeur et de chaleur avec la récupération des condensats de la vapeur).

Plus l'on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l'augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Les zones où les températures sont beaucoup plus fortes, appelées anomalies de température, peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés pour de faibles profondeurs. Ces anomalies sont observées le plus souvent dans les régions volcaniques. En géothermie, elles sont désignées comme des gisements de haute enthalpie, et utilisées pour fournir de l'énergie, la température élevée du gisement (entre 80°C et 300°C) permettant la production d'électricité.

L'exploitation de la chaleur provenant de la géothermie haute énergie est ancienne. Les bains dans des sources chaudes étaient déjà pratiqués dans l'Antiquité dans de nombreuses régions du monde. C'est au début du XX^e siècle qu'une centrale géothermique de production d'électricité a été pour la première fois réalisée à Larderello (Italie). La géothermie haute température connaît actuellement un renouveau important, notamment parce que la protection contre la corrosion et les techniques de forage se sont fortement améliorées.

De nouvelles applications technologiques sont envisageables pour récupérer la chaleur de la Terre. La cogénération permet déjà de combiner la production de chaleur et d'électricité sur une même unité, et augmente ainsi le rendement de l'installation. Un projet européen de géothermie profonde à Soultz-sous-Forêts vise à produire de l’électricité grâce au potentiel énergétique des roches chaudes fissurées (en anglais Hot Dry Rock)^[1].

Installations dans le monde

La géothermie est la source d'énergie principale de l'Islande. Il existe trois centrales électriques importantes qui fournissent environ 17% (2004) de la production d'électricité du pays. De plus, la chaleur géothermique fournit le chauffage et l'eau chaude d'environ 87% des habitants de l'île.

L'une des sources géothermiques les plus importantes est située aux États-Unis. The Geysers, à environ 145 km au nord de San Francisco, démarra la production en 1960 et dispose d'une puissance de 2000 mégawatts électriques. Au sud de la Californie, près de Niland et Calipatria, une quinzaine de centrales électriques produisent environ 570 mégawatts électriques.

La géothermie est particulièrement rentable dans la zone du Rift en Afrique. Trois centrales ont récemment été construites au Kenya, respectivement de 45 MW, 65 MW et 48 MW. La planification prévoit d'augmenter la production de 576 MW en 2017, couvrant 25% des besoins du Kenya, et réduisant ainsi la dépendance du pays aux importations de pétrole ^[2].

En Guadeloupe, la seule référence française en matière de géothermie haute température se situe à Bouillante, non loin du volcan guadeloupéen de la Soufrière. Il a été réalisé en 1984 un premier forage d’une profondeur de 300 m sur la base duquel l’installation d’une centrale de 5 MW a été décidée. Très proches de ce site, trois nouveaux puits de production plus profonds (1 km en moyenne) ont été mis en service en 2001 et une centrale, construite en 2003 (Bouillante 2), a permis de mettre en production, à fin 2004, 11 MW supplémentaires. Ce nouvel apport d'énergie couvre environ 10% des besoins annuels en électricité de l'île.

En France métropolitaine, on fore actuellement à grande profondeur (de l'ordre de 5 000 m à Soultz-sous-Forêts ^[3]) dans des " roches chaudes sèches " où de l'eau est injectée ; on crée ainsi un échangeur thermique.

En Allemagne, une centrale utilisant la géothermie de 3,4 mégawatts, devrait fonctionner à Unterhaching près de Munich à partir de 2007, et produire en cogénération de la chaleur et de l'électricité. Le forage a atteint 3350 mètres de profondeur, et 150 litres d'eau jaillissent par seconde à une température de 122°C.

L'électricité est produite à partir de la géothermie dans plus de 20 pays dans le monde : la Chine, l'Islande, les États-Unis, l'Italie, la France, l'Allemagne, la Nouvelle-Zélande, le Mexique, le Nicaragua, le Costa Rica, la Russie, les Philippines, l'Indonésie, le Japon et le Canada.

Géothermie basse énergie

On parle de " géothermie basse énergie " lorsque le forage permet d'atteindre une température de l'eau entre 30°C et 100°C dans des gisements situés entre 1500 et 2500 m de profondeur. Cette technologie est utilisée principalement pour le chauffage urbain collectif par réseau de chaleur, et certaines applications industrielles.

En France, un réseau de chauffage urbain situé en région parisienne utilise la géothermie basse énergie. Les installations de pompes à chaleur sur nappe continuent à se développer en région parisienne car elles correspondent à des techniques de chauffage et de refroidissement particulièrement bien adaptées aux secteurs tertiaire et résidentiel.

Une centrale géothermique fonctionnant sur le principe du doublet a été mise en service en 1994 à Riehen en Suisse, pour le chauffage des immeubles locaux. Depuis décembre 2000, une partie de la chaleur produite est exportée en Allemagne et approvisionne ainsi un quartier de la ville voisine de Lörrach. L'agrandissement a provoqué un mini tremblement de terre en décembre 2006.

La production de chaleur au moyen d’une pompe à chaleur sur nappe, repose sur le prélèvement et le transfert de l'énergie contenue dans l’eau souterraine vers les locaux à chauffer. Par ailleurs, une pompe à chaleur peut assurer simultanément et/ou successivement des besoins en chauffage et/ou climatisation/rafraîchissement. Cette catégorie est tout de même, d'un point de vue technicien et d'investissement financier, plus de la famille des géothermies de très basse énergie.

Géothermie très basse énergie

La géothermie très basse énergie est une géothermie au niveau des températures comprises entre 10 et 30°C. Dans ce cas, la chaleur provient non pas des profondeurs de la croûte terrestre, mais du soleil et du ruissellement de l'eau de pluie, le sol du terrain jouant un rôle d'inertie thermique. Cette technologie est appliquée à :

• la climatisation passive avec par exemple le système du puits provençal,
• le chauffage et la climatisation avec la pompe à chaleur géothermique

Ces systèmes permettent de faire, par rapport à l'usage unique d'une énergie primaire, des économies d'énergie sur le chauffage et la production d'eau chaude. Néanmoins ils nécessitent une source d'énergie extérieure, le plus souvent l'électricité, qui doit rester disponible.

1. La géothermie de Pompe à chaleur consiste à puiser la chaleur présente dans le sol à travers des capteurs verticaux ou horizontaux, selon la configuration du terrain .

Image:Fonction-pompeachaleur.jpg

Un système thermodynamique (ou Pompe A Chaleur) a un fonctionnement comparable à celui d’un réfrigérateur ménager : il assure le chauffage d’un local à partir d’une source de chaleur externe (dont la température est inférieure a celle du local à chauffer). Il puise les 2/3 de l’énergie de chauffage dans la chaleur produite par les entrailles de la Terre (géo = terre, thermie = chaleur) et l’autre tiers est un apport électrique pour le compressseur .

Comment ça fonctionne? Tout se joue grâce au changement d’état, quand un fluide passe de l’état liquide à l’état gazeux, et inversement. C’est simple : un long tuyau de polyéthylène ou de cuivre gainée de polyéthylène est enterré dans le jardin. On fait circuler dedans un liquide, qui se réchauffe un peu au contact de la terre. Comme ce liquide a la propriété de se mettre à bouillir à très basse température, il passe alors de l’état liquide à l’état vapeur. Cette vapeur est comprimée par un compresseur situé dans la maison. Le simple fait de la comprimer a pour effet d’augmenter sa température. Elle est alors conduite à un condenseur qui la refait passer à l’état liquide. Lors de ce changement d’état il se dégage à nouveau de la chaleur, qui est transmise à l’eau de chauffage (radiateur, plancher chauffant…). Le liquide continue son cycle, et après s’être détendu, repart en circuit fermé rechercher de la chaleur dans la terre du jardin.

Il existe 3 sortes des systèmes horizontaux: - le système eau glycolée/eau - le système eau/sol(=fluide frigorigène) - le système sol/sol

Le fonctionnement des machines thermodynamiques (ici la PAC) est fondé sur la capacité des fluides frigorigènes à se vaporiser et se condenser à température ambiante. Le fluide frigorigène le plus utilisé pour la géothermie est le fluide R-134a Sa composition chimique : Hydrofluorcarbone ou H_F_C de formule : CH2F-CF3 Ses propriétés essentielles sont :

-sa température d’ébullition à pression atmosphérique est de -26°C.
Ce qui lui permet donc de s’évaporer plus vite a basse température, donc meilleur passage de la chaleur.

- sa chaleur latente d’évaporation importante. A -26°C (sa température d’ébullition) à pression atmosphérique sa chaleur latente est de 216Kjoul/Kg. Libère beaucoup d’énergie. -son faible volume massique de la vapeur en mètre cube qui lui permet d’utiliser un petit compresseur.

Du point de vue du budget d'investissement, les pompes à chaleur, installées à plus de 90% dans du neuf (sources : Ademe , Sofath) n'entrent pas en concurrence avec le chauffage électrique par effet Joule (résistance électrique), mais plutôt avec tout les autres véritables moyens écologiques (solaire actif, bois énergie, mais avant tout les architectures climatique et bioclimatique).

La pompe à chaleur gagnerait probablement chercher à muter vers un fonctionnement à partir de moteur thermique, pouvant utiliser des combustibles issus de la biomasse (biogaz par exemple), et ce évidemment pour des raisons d'économie d'échelle, dans des grands ensembles, permettant ainsi de localiser la production proche des lieu d'utilisation et d'augmenter les potentiels de production d'énergies renouvelables locales tout en évitant d'amplifier les problèmes actuels en amont du compteur électrique.

Séismes

Les installations géothermiques ont parfois besoins de détartrer les fissures où circule l'eau. Pour cela, elles injectent parfois de l'eau sous pression, ce qui dans certains cas peut déclencher des séismes de magnitude pouvant aller jusqu'à 4,6. Un moyen de limiter leur intensité est d'utiliser de l'acide chlorhydrique à la place de l'eau ^[4].

Notes et références