Géothermie
La géothermie, du grec Géo (la terre) et thermie
(la chaleur), est la science qui étudie les
phénomènes thermiques internes du globe terrestre
et la technique qui vise à l'exploiter. Par extension, la
géothermie désigne aussi l'énergie
géothermique issue de l'énergie de la Terre qui
est convertie en chaleur.
On distingue trois types de géothermie :
* la géothermie peu profonde
à basse température ;
* la géothermie profonde
à haute température ;
* la géothermie
très profonde à très haute
température.
Ces trois types de géothermie
prélèvent 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 (Le Bureau de
recherches géologiques et minières) a avec
l'ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de
l'énergie), 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.
Origine de la Géothermie
La plus grande partie de la chaleur interne de la Terre (87%), est
produite par la radioactivité des roches qui constituent le
manteau et la croûte terrestre : Radioactivité
naturelle produite par la désintégration de
l'uranium, du thorium et du potassium. Depuis l'aube de
l'humanité, l'homme a toujours su tirer parti de cette
énergie. Mais la découverte d'énergie
plus facilement accessible n'a guère encouragé
son développement.
Principe de la Géothermie
La géothermie peu profonde à basse
température
Il s'agit principalement d'extraire la chaleur contenue dans le
sous-sol afin de l'utiliser pour les besoins en chauffage. Les
transferts thermiques peuvent aussi dans certains cas être
inversés pour les besoins d'une climatisation.
Les procédés d'extraction de l'énergie
diffèrent suivant les solutions retenues par les
constructeurs. La méthode utilisée pour assurer
les transferts thermiques influe beaucoup sur le rendement de
l'ensemble. Comme véhicule thermique on utilise de l'eau ou
de l'eau avec un glycol ou directement le gaz frigorigène.
La géothermie peu profonde et basse température
utilisera donc de plus en plus la chaleur de la terre dans le sol. La
profondeur des forages est de 30 à 80 mètres. La
profondeur du forage est en fonction du type de géothermie.
Dans le cas de la géothermie d'eau, ou aquathermie,
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
o doublet non réversible : chaque forage fonctionne toujours
en pompage ou en injection
o 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).
Dans les autres cas de géothermie verticale il n'y a pas de
contraintes particulières.
La géothermie profonde à haute
température
Les forages sont dans ce cas plus profonds. La profondeur de forage est
en fonction de la température désirée
et du gradient thermique local qui peut varier sensiblement d'un site
à l'autre. (en moyenne 4 °C par 100 m de
profondeur). La méthode utilisée pour les
transferts thermiques est plus simple (échangeur de
température à contre courant) et ne
nécessite pas de fluide caloporteur comme cela est le cas
avec la géothermie peu profonde basse température.
La géothermie très profonde
à très haute température
Plus 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 / 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 :
* 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 utilisée pour
produire de l'électricité. Elle est parfois
subdivisée en deux sous-catégories :
o 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.
o 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.
* 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.
* 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 therme barbare
électro-thermodynamique, appelés plus
communément « pompes à chaleurs
aérothermiques » (puisant dans l'air
extérieur) et « pompe à chaleur
géothermique »
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 80 ans en moyenne).
Dès 1973, B. Lindal avait synthétisé
dans un tableau les applications possibles de la géothermie.
B. Lindal : les différentes applications de la
géothermie (version francisée)
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 150
°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 XXe
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).
Méthodes d’exploration avant
forage
* Gravimétrie : Les mesures
gravimétriques permettent d’identifier des corps
lourds, liés à des stockages magmatiques
à « faible profondeur ». Ces stockages
peuvent constituer des sources potentielles de chaleur qui sont
nécessaires au développement d’un
réservoir géothermique.
* Magnétotellurie : Elle
permet de déterminer la structure
géoélectrique des zones prospectées
entre terrains conducteurs et isolants, en particulier les couches
imperméables susceptibles de constituer système
géothermique convectif (couvercle d'eau chaude).
* Polarisation Spontanée : La
polarisation spontanée (PS) détecte les
circulations de fluides sous la surface.
* Analyse chimique des eaux et des gaz :
La présence d'anomalies en He, CO2, H2S, CH4 et radon
permettent de mettre en évidence d'éventuelles
contaminations par des gaz d'origine magmatique.
Installations dans le monde
| Capacité
géothermique installée (2002) |
| Région
du monde |
MWe |
| Asie |
3 220 |
| Amérique
du Nord |
2
971 |
| Union
européenne |
883 |
| Océanie |
441 |
| Amériques
centrale et du Sud |
416 |
| Autres
pays d'Europe |
297 |
| Afrique |
128 |
| Total
mondial |
8
536 |
| Source : EurObserv'ER,
août 2003 |
La géothermie est la source d'énergie principale
de l'Islande, mais ce sont les Philippines qui en sont le plus gros
consommateur, 28% de l'électricité
générée y étant produite
par la géothermie. 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. Il s'agit d'un ensemble 21
centrales électriques qui utilisent la vapeur de plus de 350
puits. La Calpine Corporation gère et possède 19
des 21 installations. 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.
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) 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, l'Indonésie, le Japon, le Kenya 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 °C 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 de source chaude du fait de son inertie et de
sa mauvaise conductivité 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.
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.
Un système thermodynamique (ou pompe à 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
à 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 compresseur .
Fonctionnement
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 gainé 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
gazeux. 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 trois sortes de 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. À -26 °C (sa
température d'ébullition) à pression
atmosphérique sa chaleur latente est de 216 kJ/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 tous les autres
véritables moyens écologiques (solaire actif,
bois énergie, mais avant tout les architectures climatique
et bioclimatique).
La pompe à chaleur gagnerait probablement 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 besoin
d'être détartrées. Pour cela, on
injecte 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.
Géothermie et politiques publiques
En Islande ou aux Philippines, la géothermie est largement
exploitée.
En France, où la prioritées a
été donné au nucléaire, la
sociétée Géochaleur
créée par la Délégation aux
énergies nouvelles du Ministère de
l’Industrie en 1978 et de l’UNHLM pour assister les
maîtres d’ouvrage en géothermie, a
finalement rapidement disparu faute de soutien budgétaire et
politique, ainsi que l’IMRG (Institut Mixte de Recherche sur
la Géothermie) créé plus tard
à l’initiative du BRGM et de l’AFME,
mais l’obligation d’économie
d’énergie qui accompagne la souplesse des
échanges de certificats pourrait redonner un
intérêt à la Géothermie,
considérée comme déjà
rentable par la Commission Énergie,
présidée par Jean Syrota dans ce pays.
Néanmoins pour augmenter leur part
d’énergie renouvelable dans leur bouquet
énergétique, de grandes collectivités
se réintéressent à la
géothermie, dont l'Île-de-France qui avec l'Ademe
à ouvert en 2009 un nouveau forage (dans la nappe du Dogger
(57° C), à un point situé au nord-est de
Paris, près de la porte d’Aubervilliers) qui doit
chauffer plus d’un million de m2 de logements, bureaux et
commerces. 54 forages avaient déjà
été réalisés dans les
années 1980, dont 34 étant encore actifs en 2009.
D'autres devraient être ceusés à 1.800
mètres. La CPCU et l’Agence nationale de la
recherche travaillent à une projet Géostocal de
stockage de l’excédent
énergétique estival pour
«recharger» la nappe et en faire une
réserve de calorie pour l'hiver, avec un rendement
espéré de 80%. (Source :
Journal de l'environnement ;
L’Ile-de-France entend relancer la géothermie
05/05/2009 10:05)
Source : article de Wikipédia, l'encyclopédie
libre.