La Géothermie

La géothermie, du grec géo (« la Terre ») et thermos (« la chaleur »), désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre, et la technologie qui vise à l’exploiter. Par extension, la géothermie désigne aussi parfois l’énergie géothermique issue de l’énergie de la Terre qui est convertie en chaleur.
Pour capter l’énergie géothermique, on fait circuler un fluide dans les profondeurs de la Terre. Ce fluide peut être celui d’une nappe d’eau chaude captive naturelle, ou de l’eau injectée sous pression pour fracturer une roche chaude et imperméable. Dans les deux cas, le fluide se réchauffe et remonte chargé de calories (énergie thermique). Ces calories sont utilisées directement ou converties partiellement en électricité.
L’énergie géothermique est localement exploitée pour chauffer ou disposer d’eau chaude depuis des millénaires, par exemple en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin méditerranéen.
Un des témoignages les plus anciens date de 2 000 ans avant Jésus-Christ. Il cite les îles Lipari (Italie) qui exploitaient déjà une eau naturellement chaude pour leurs thermes. 
Les techniques modernes de forage ont permis d’atteindre des eaux chaudes jusqu’à 12 262 m de profondeur avec le forage. Ce forage, situé dans les régions froides de la péninsule de Kola (Russie) et dans une zone où le gradient géothermique est faible, a pourtant atteint une eau à plus de 180 °C.
Les Philippines produisent 28 % de leur électricité à partir de la géothermie et l’Islande a atteint la production de 100 % de son électricité par l’hydroélectricité et la géothermie.
En France où la géothermie est depuis longtemps soutenue financièrement par l’AFME puis l’ADEME et géo-techniquement par le BRGM (qui en fin 2006 a créé en son sein un département spécifiquement consacré à la géothermie, et qui tient à jour avec l’ADEME un site d’information), de nombreux projets ont été mis en œuvre depuis les années 1980, mais surtout en région parisienne, et en Alsace pour les plus productifs. 
En 2008, la géothermie assurait environ 0,1 % de la production d’électricité d’origine renouvelable en France, en plus des besoins de chauffage de milliers de foyers. Plusieurs zones géographiques seraient potentiellement favorables en France pour la géothermie profonde, les bassins tertiaires ou grabens ayant les mêmes spécificités géologiques que le bassin rhénan. En plus de la plaine d’Alsace, on distingue également la plaine de la Limagne et le couloir rhodanien. Leur rentabilité dépend aussi des prix d’accès aux autres sources d’énergie. L’augmentation de la consommation et du coût des différentes énergies ainsi qu’une certaine volonté d’émettre moins de gaz à effet de serre la rendent plus attrayante. En 2007, en France le BRGM et l’ADEME ont créé un département géothermie pour la promouvoir, après s’être associés à différents programmes de recherche et de travaux de service public. Deux de leurs filiales, CFG Services (services et ingénierie spécialisée) et Géothermie Bouillante (qui exploite la centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe), sont impliquées dans la géothermie.
En 2010, dans les suites du Grenelle de l’environnement de 2007 et d’un Plan de développement des énergies renouvelables visant à préparer la transition énergétique, un groupe de 35 experts a été mis en place regroupés au sein d’un Comité national de la géothermie présidé par Philippe Vesseron (également président d’honneur du BRGM), réuni pour la première fois à Orly en octobre 2010 pour « proposer des actions et des recommandations pour le développement de chacune des formes de la géothermie » (identifiée comme l’une des 18 « filières vertes » à développer), via trois (3) enjeux (formation, diffusion de l’information et simplification administrative). Un des objectifs du Grenelle est d’utiliser la géothermie pour contribuer à produire 1,3 million de tep/an et participer à une réduction globale de 20 millions de tep/an à horizon 2020 (avec à cette même échéance 20 % de la production électrique des DOM d’origine géothermique). Six cent mille (600 000) logements pourraient être équipés de 2010 à 2020. 
En 2015, après un an de consultation des fédérations professionnelles et acteurs du financement, la ministre de l’environnement a présenté un projet d’arrêté ministériel d’application de la loi sur la transition énergétique définissant les niveaux de soutien à l’électricité renouvelable produite par géothermie, visant à dynamiser le développement de la filière afin qu’elle puisse contribuer à l’objectif de 32 % de renouvelables pour la consommation finale d’énergie en 2030, projet qui sera soumis au Conseil supérieur de l’énergie et à la CRE (Commission de régulation de l’énergie) et notifié à la Commission Européenne.

Type De Géothermie :

On distingue habituellement trois types de géothermie :
    • la géothermie peu profonde (moins de 1 500 m) à basse température ;
    • la géothermie profonde à haute température (plus de 150 °C1), avec plusieurs approches développées et explorées depuis les années 1970 :
      • géothermie des roches chaudes sèches (Hot Dry Rock ou HDR pour les anglophones), basée sur la fracturation hydraulique et la création d’un « échangeur thermique profond » qu’il faut périodiquement dé-colmater ;
      • géothermie des roches naturellement fracturées ou Hot Fractured Rock (HFR) ;
      • géothermie stimulée EGS (Enhanced Geothermal System), imaginée aux États-Unis en 1970 et mise en œuvre à Soultz-Sous-Forêts, en France dans le cadre d’un projet-pilote européen et franco-allemand Géothermie Soultz ;
    • la géothermie très profonde à très haute température.

Ces trois types ont en commun de prélever la chaleur contenue dans le sol, issue de la pression, et, dans certains cas, d’une plus ou moins grande proximité du magma.

Principes
Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer un peu de cette chaleur, cependant la plus grande partie de la puissance géothermique obtenue en surface (87 %) est produite par la radioactivité des roches qui constituent la croûte terrestre (désintégration naturelle de l’uranium, du thorium et du potassium)12. Il existe dans la croûte terrestre, épaisse en moyenne de 30 km, un gradient de température appelé gradient géothermique qui définit que plus on creuse et plus la température augmente ; en moyenne de 3 K par 100 mètres de profondeur. La géothermie vise à étudier et exploiter ce phénomène d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (même si le flux de puissance obtenu diminue avec la profondeur, puisque l’essentiel de ce flux provient de la radioactivité des roches de la croûte terrestre)
Méthodes D’Exploitation De La Géothermie
Via des forages plus profonds, elle accède à des eaux plus chaudes, avec l’inconvénient de possibles problèmes de corrosion ou d’entartrage plus fréquents et/ou plus graves (car les eaux profondes et chaudes sont souvent beaucoup plus minéralisées). La profondeur à atteindre varie selon la température désirée et selon la ressource (gradient thermique local qui change beaucoup d’un site à l’autre). La méthode de transfert thermique est plus simple (échangeur de chaleur à contre-courant), sans le fluide caloporteur nécessaire aux basses températures.
L’énergie solaire thermique consiste à utiliser la chaleur issue du rayonnement solaire. Ce rayonnement se décline de différentes façons 
  • En usage direct de la chaleur : chauffe-eauchauffage solaire dont fours solaires, cuisinières et sécheuses solaires, par exemple ;
  • En usage indirect, la chaleur servant pour un autre usage : rafraîchissement solaire, centrales solaires thermodynamiques, etc.
– Energie solaire pour la cuisson des aliments.
– Energie solaire thermodynamique :
  Le solaire thermodynamique est une technique solaire qui consiste à concentrer l’énergie solaire (via des héliostatsmiroirs, etc.) pour produire : -de l’électricité, sur le même principe qu’une centrale électrique classique (production de vapeur à haute pression qui est ensuite turbinée) ; -un travail mécanique, en transformant un liquide en gaz ou en échauffant directement une partie du moteur, comme dans le moteur Stirling.
Energie solaire photovoltaïque : Le terme « photovoltaïque » peut désigner le phénomène physique d’effet photovoltaïque ou la technique associée. L’énergie solaire photovoltaïque est l’électricité produite par transformation d’une partie du rayonnement solaire par une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles dans un module photovoltaïque, puis les modules sont regroupés pour former des panneaux solaires, installés chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque. Après transformation en courant alternatif grâce à un onduleur, l’installation solaire peut satisfaire un besoin local (en association avec un moyen de stockage) ou être injectée dans un réseau de distribution électrique (le stockage n’étant alors pas nécessaire). À l’échelle des villes, des cadastres solaires, établis à l’aide de modèles 3D, permettent d’optimiser le positionnement des panneaux solaires.
Plus on creuse profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne en France, l’augmentation de température atteint 2 à 3 °C tous les 100 mètres. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Il peut varier de 3 °C/100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 1 000 °C/100 m (régions volcaniques, zones de rift comme en Islande ou en Nouvelle-Zélande).
On distingue classiquement trois types de géothermie selon le niveau de température disponible à l’exploitation :
  1. La géothermie à haute énergie qui exploite des sources hydrothermales très chaudes, ou des forages très profonds où de l’eau est injectée sous pression dans la roche. Elle est surtout utilisée pour produire de l’électricité. Elle est parfois subdivisée en deux sous-catégories :
  • 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 moyenne-énergie (aux températures comprises entre 100 °C et 150 °C) par laquelle la production d’électricité nécessite une technologie utilisant un fluide intermédiaire.
  1. La géothermie de basse énergie : géothermie des nappes profondes (entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres) aux températures situées entre 30 °C et 100 °C. Principale utilisation : les réseaux de chauffage urbain.
  1. La géothermie de très basse énergie : géothermie des faibles profondeurs aux niveaux de température compris entre 10 °C et 30 °C. Principales utilisations : le chauffage et la climatisation individuelle par dispositifs thermodynamiques généralement fonctionnant à l’électricité, d’où le terme électro-thermodynamique, appelés plus communément « pompes à chaleurs aérothermiques » (puisant dans l’air extérieur) et « pompe à chaleur géothermique ».

Avantages et Inconvénients De La Géothermie De Profondeur (Haute et Basse Énergie).

  • La géothermie est une énergie renouvelable, dans le sens où la chaleur contenue dans le globe terrestre est sans commune mesure avec les besoins énergétiques de la civilisation humaine. La gestion raisonnée de l’exploitation d’une ressource géothermique permet de maintenir localement le potentiel géothermique.
  • Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur (haute et basse énergie) a 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 80 ans en moyenne).
  • L’exploitation d’une ressource géothermique ne produit que très peu de gaz à effet de serre.
  • L’EGS (Enhanced Geothermal System), testé et exploité en Europe à Soultz-Sous-Forêts consiste à forer à grande profondeur dans des réservoirs géothermiques naturels sur lesquels on agit par stimulation. Ces systèmes EGS (qualifiés de Systèmes Géothermiques Stimulés en français) sont caractérisés initialement par la présence de saumure naturelle remontée à partir des fractures du granite, qu’il faut nettoyer.

Dans ce cas, trois (3) problèmes principaux se posent :

  1. Après forage, afin d’augmenter ou entretenir les performances hydrauliques des puits (perméabilité), des injections forcées d’eaux ou stimulations hydrauliques étaient autrefois faites uniquement par fracturation hydraulique (technique controversée pour ses risques environnementaux) doivent être faites pour créer mais surtout périodiquement rouvrir ces fractures préexistantes qui tendent à se refermer ou se colmater. Ces stimulations physiques induisent toujours une activité micro-sismique, parfois assez importante pour être ressentie par les populations locales (Exemple : à Soultz, le plus fort séisme induit s’est produit en juin 2003 avec une magnitude de 2,9 sur l’échelle de Richter. Des études géotechniques cherchent à mieux comprendre les phénomènes physiques à l’origine de cette sismicité induite. 
    Pour minimiser l’activité micro-sismique induite, la technique de la stimulation chimique (souvent associée au « fracking » par l’industrie pétrolière et gazière) a été testée avec succès, notamment à Soultz. Des acides et produits chimiques dissolvent certains minéraux naturellement présents dans les fractures (ex : calcite), ce qui accroît la performance hydraulique des puits. Cette variante dite « stimulation hydro-chimique » s’est effectivement accompagnée d’une moindre activité micro-sismique (faible à très modérée), mais elle produit une eau plus chargée en certains composés indésirables (métaux, radionucléides, sels minéraux). Le site de Soultz doit gérer une saumure naturelle caractérisée par environ 100 grammes par litre de sels contenant de tels produits indésirables. Cette eau géothermale (150 litres par seconde à 165 °C) est ensuite réinjectée à 70 °C sous haute pression dans le sous-sol via des puits de réinjection.
  2. Le fluide circulant dans la roche chaude et fracturée est toujours salé, corrosif et chargé de particules éventuellement abrasives, radioactives ou susceptibles de participer à l’encroûtement par précipitation de sels minéraux (entartrage ou « scaling ») qui peut par exemple perturber ou bloquer la fermeture de vannes. La précipitation est limitée en surface par le maintien d’une forte pression dans les tuyauteries (20 bars), qui rend l’installation plus dangereuse en cas de fuite ;
  3. La chaleur est source de dilatation thermique ou éventuellement en cas de problèmes de chocs thermiques, qui peuvent endommager certaines parties vulnérables des installations.