La chaleur du sous-sol : la géothermie

 

La géothermie désigne :

  • la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe. La température augmente avec la profondeur, c’est le gradient géothermique ; suivant le contexte géodynamique, le gradient moyen peut varier de 3°C à 10°C tous les 100m, voire davantage pour les régions volcaniques.
  • les processus qui permettent d’exploiter les ressources thermiques du sous-sol afin de produire, directement ou indirectement, simultanément ou non, de la chaleur, du froid et de l’électricité.

 

L’énergie géothermique est une ressource :

  • naturelle, le flux thermique atteint la surface naturellement selon les mécanismes de transfert thermique que sont la convection et la conduction.
  • renouvelable, le prélèvement potentiel par l’homme ne peut représenter qu’une infime partie du flux thermique qui se dissipe en continu à la surface du globe.
  • disponible partout et toute l’année car elle est indépendante des conditions climatiques extérieures.
  • dépourvue d’émissions de gaz à effet de serre, la chaleur du sous-sol ne nécessite pas de combustibles fossiles pour être utilisée.

 

En fonction des ressources géothermiques et des besoins en surface, les calories pourront être utilisées directement ou via une machine thermodynamique visant à produire de l’électricité (centrales vapeur ou binaires) ou à les exploiter dans d’autres gammes de température (pompe à chaleur)

Selon les besoins, différentes géothermies peuvent être mises en place :

  • Chauffer, rafraîchir et produire l’eau chaude sanitaire pour une maison individuelle, un bâtiment collectif ou à usage tertiaire, un éco-quartier. Le système sera basé sur la récupération de la chaleur du sol à l’aide de forages sur aquifère superficiel ou d’échangeurs à boucles fermées (sonde verticale, capteur horizontal…).

Ce système nécessite la mise en place d’une pompe à chaleur ou de pompes à chaleur en sous stations dans le cas de micro-réseaux de chaleur. C’est la géothermie dite « de très basse énergie » où la température est inférieure à 30°C.

  •  Chauffer et produire l’eau chaude sanitaire d’un ensemble immobilier représentant un quartier entier (équivalent à plus de mille logements), en mutualisant les besoins par l’intermédiaire d’un réseau de chaleur.

En sollicitant un aquifère profond via des forages de production et de réinjection, il est possible de puiser une ressource possédant une température suffisante pour assurer directement les besoins en chaleur. Un équipement complémentaire de type pompe à chaleur n’est pas indispensable mais peut être utilisé pour valoriser la chaleur résiduelle avant réinjection. Cette technique est appelée géothermie « basse énergie ». La température du fluide se situe alors entre 30°C et 100°C.

  • Produire simultanément de l’électricité et valoriser la chaleur pour un réseau de chaleur urbain ou une entreprise sous forme de cogénération.

Une température de fluide comprise entre 100°C et 150°C permet de produire de l’électricité grâce à la mise en place d’un fluide intermédiaire de travail, qui se vaporise à des températures plus faibles que l’eau. La chaleur résiduelle du fluide peut être valorisée pour alimenter les logements et divers bâtiments en chauffage et eau chaude sanitaire avant d’être réinjectée. On parle alors de géothermie de « moyenne énergie ».

  • Produire de l’électricité à partir de vapeur directement présente dans le réservoir géologique. Réservé aux zones volcaniques à fort gradient géothermique, la vapeur extraite fait tourner les pales d’une turbine couplée à un générateur permettant de produire de l’électricité sur le réseau électrique de consommation. Cette géothermie est appelée géothermie « haute énergie » et concerne les ressources possédant une température pouvant atteindre 300°C.

Ces dernières années, plusieurs projets ont été lancés pour industrialiser la technologie EGS (Enhanced Geothermal System) dans laquelle la France est pionnière. Il s’agit de valoriser la chaleur présente à grande profondeur afin, également de produire de l’électricité. A 3000 – 5000 m de profondeur, les zones rencontrées sont des milieux qui peuvent être qualifiés de semi-perméables avec présence d’un fluide de formation et présentant une perméabilité localisée dans un réseau de failles et de fractures naturellement existantes. L’objectif est de favoriser les échanges thermiques en remobilisant certaines zones initialement et naturellement perméables, en dehors de tout contexte volcanique.

Exemple : pilote scientifique de Soultz-sous-Forêts (Alsace) développant une puissance nette de 1,5 MWe, unique site EGS au monde produisant actuellement de l’électricité.

  • Soutenue par les politiques publiques qui ont fixé des objectifs élevés pour son développement, la géothermie peut compter sur : un savoir-faire français reconnu notamment grâce à l’expérience acquise dans le Bassin Parisien qui compte la plus grande densité de réseaux de chaleur au monde et dont les plus anciens réseaux fonctionnent depuis plus de 30 ans et à Soultz-Sous-Forêts.
  • un fort dynamisme lié à l’association d’un réseau industriel performant et de nombreux projets de recherche.
  • des innovations technologiques dans le domaine des équipements : propriétés des échangeurs thermiques, stockage de chaleur, lutte contre corrosion des équipements, instruments de mesure et équipements de production en condition de haute température…
  • l’amélioration des connaissances des géosciences : exploration et caractérisation de réservoirs potentiels, modélisation des aquifères pour assurer la pérennité de la ressource, connaissance des réservoirs «haute température»…

 


Pour en savoir plus à la SGF :

- Les perspectives ouvertes par la géothermie, C. Boissavy, Géologues, 176, 2013, Acheter ce numéro en ligne
- «icon Ressources renouvelables du sous-sol - Zoom sur la géothermie, une énergie renouvelable méconnue » R. Vernier (BRGM) - Conférence SGF Transition Energétique, Paris, 9 octobre 2012.
- «  icon La géothermie en France et en Europe (141.58 KB) », C. Boissavy (BRGM), Conférence SGF- MHM, Paris, 6 juin 2012
- « icon La géothermie très basse température assistée par pompes à chaleur (1.79 MB) », O. Grière (G2h), Conférence SGF- MHM, Paris, 6 juin 2012
- «icon La géothermie haute température (460.29 KB) », J.J. Graff, Conférence SGF- MHM, Paris, 6 juin 2012
- « icon Le Dogger : géothermie à usage direct en Île-de-France (1.53 MB) », M. Andrès, Conférence SGF- MHM, Paris, 6 juin 2012
- La géothermie - dossier Géochronique, Géochronique, 114, juin 2010 - Acheter en ligne
- « icon Vue synthétique de la géothermie basse énergie en France (97.48 KB)», Vue synthétique de la géothermie basse énergie en France, P. Laplaige et A. Desplan - Géologues, 145, 2005
- « Les énergies renouvelables – état des lieux et perspectives », C. Acket et J. Vaillant, ed. Technip, 121, 2011 – Analyse d’ouvrage Géochronique, mars 2011 – consultable à la bibliothèque de la SGF

 

et …

- La Terre, source d’énergies durables, Géosciences n°16, mars 2013. Lecture en ligne gratuite sur le site brgm.fr
- L’énergie à découvert - collectif scientifique sous la direction de R. Mosseri et C. Jeandel, CNRS éditions, mars 2013.
- Représenter et fédérer les acteurs français de la géothermie, Association Française des professionnels de la Géothermie. http://www.afpg.asso.fr/resources/Communication/AFPG_plaquette_2012.pdf
- La géothermie en France – étude du marché en 2011, Association française des professionnels de la géothermie (AFPG)
- Le savoir-faire français dans le domaine de la géothermie, Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie (ADEME), 2012, http://www2.ademe.fr/servlet/getDoc?sort=1&cid=96&m=3&id=84912&ref=&nocache=yes&p1=111
- site de l’Association Française des Professionnels de la Géothermie : http://www.afpg.asso.fr
- site géothermie - perspectives ADEME - BRGM : http://www.geothermie-perspectives.fr/