Les énergies renouvelables. Partie 3 : la géothermie

lundi 2 novembre 2020.
 

Même si la géothermie ne compte que pour environ 2 % des énergies renouvelables, faute d’un développement suffisant, sa production est en croissance depuis plus de 10 ans. La France dispose d’un potentiel géothermique important qui reste encore à développer en raison du caractère relativement non polluant de la production de cette énergie.

Le mot géothermie désigne ici l’énergie géothermique, c’est-à-dire la chaleur produite par la Terre. Source : Wikipédia https://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%...

1–Origines de l’énergie géothermique.

Rappelons d’abord quelques éléments de base sur la formation de notre planète Terre.

La Terre s’est formée il y a environ 4,5 milliards d’années en même temps que les autres planètes du système solaire et peu de temps après la formation de notre étoile, le soleil. Elle s’est formée à partir d’agglomérations de poussière cosmique et de planètissimeaux puis par bombardement de météorites. À l’origine, c’était donc une masse confusion qui s’est refroidie progressivement. Certains météorites contenaient de l’eau (glace) : ils sont à l’origine de la formation des océans selon les dernières hypothèses actuelles.

La Terre dont le rayon est de 6370 km est constitué de plusieurs couches. En allant de la surface vers le centre, on trouve d’abord l’écorce ou croûte terrestre d’une épaisseur de 30 à 65 km l’écorce océanique est beaucoup moins épaisse que la gauche continentale Puis l’on trouve le manteau diviser en deux parties : le manteau supérieur épaisseur de 2900 km et le manteau interne épaisseur de 2200 km environ. Puis l’on trouve le noyau d’un rayon de 215 km constitués de deux parties : à Noyon externes solides et un noyau interne liquide contenant essentiellement du faire et du nickel. Notre planète un corps céleste de masse chaude.

Pour plus de détails voir Wikipédia : structure de la Terre. https://fr.wikipedia.org/wiki/Struc...

La chaleur interne de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches par désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium10. Les études estiment que la contribution de la radioactivité crustale et mantellique représente approximativement la moitié de l’énergie totale dégagée, celle de la chaleur primordiale transmise du noyau de la Terre vers le manteau étant évaluée à 10 et jusqu’à 20 %11.

Globalement, la température s’élève avec la proximité au centre de la Terre. À titre indicatif, elle varie d’entre 1100 °C à la base de la croûte continentale à probablement 5100 °C dans le noyau. Les températures ne peuvent être mesurées rigoureusement : elles sont approximatives, la marge d’erreur grandissant avec la profondeur. La température du noyau varie entre 3800° et 5500°C.

À partir de 2 900 km de profondeur, là où la pression commence à dépasser 1 million d’atmosphères, soit 100 Gigapascals, la chaleur interne joue au moins deux rôles majeurs : En entretenant ou modifiant les mouvements convectifs du manteau, qui explique la tectonique des plaques et la dérive des continents. En entretenant le champ magnétique terres

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 du manteau terrestre (87 %) est produite par la radioactivité des roches qui constituent la croûte terrestre (désintégration naturelle de l’uranium, du thorium et du potassium).

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 degrés K par 100 mètres de profondeur.

La centrale géothermique de Palinpinon (Philippines), le plus profond puits est de 3 800 m. 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 attendre considérée. Il peut varier de 3 °C/100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 1 000 °C/100 m (régions volcaniques, zones de rift

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).

2–L’exploitation de l’énergie géothermique.

C’est une Une énergie abondante de faible intensité.

Cette source d’énergie est considérée comme inépuisable (dans certaines limites), car elle dépend : pour la géothermie profonde, des sources de chaleur internes de la Terre, dont la durée de vie se chiffre en milliards d’années ; pour la géothermie de surface, des apports solaires.

Elle est en général diffuse et rarement concentrée, avec un flux moyen de 0,1 MW/km2 (0,1 W/m2)14 et un niveau de température faible. La puissance exploitable économiquement est donc en règle générale réduite. Il arrive cependant qu’elle soit plus concentrée à proximité des failles tectoniques entre plaques terrestres, en particulier des formations volcaniques ou encore dans des formations géologiques favorables, comme dans le Bassin parisien. C’est pourquoi il faut distinguer plusieurs types d’utilisation de la géothermie suivant ses caractéristiques locales : –la géothermie de surface à basse température : 5-10 °C ; –la géothermie profonde : 50-95 °C, jusqu’à 2 000 m de profondeur ; la géothermie très profonde à haute et très haute température, jusqu’à 10 000 m ; –la géothermie volcanique de type geyser.

Son exploitation durable implique un débit d’extraction d’énergie limité au flux de chaleur alimentant la ressource, à défaut de l’épuiser pour une certaine période. Même si certains sites géothermiques peuvent atteindre jusqu’à 0,2 W/m2, le rythme d’exploitation de la géothermie peut être supérieur au rythme de renouvellement naturel de la chaleur, ce qui peut entraîner un épuisement de la ressource à terme. Son caractère « inépuisable » dépend donc des conditions d’utilisation : en moyenne à la surface de la Terre, de l’ordre de 60 mW pour chaque mètre carré (0,06 W/m2) de terrain exploité, à comparer à la densité de puissance solaire moyenne reçue par la Terre, environ 6 000 fois plus importante (340 W/m2).

Le renouvellement de la chaleur prélevée trop vite (plus que les très faibles 60 mW/m2 du flux thermique des profondeurs terrestres) se fait en général par diffusivité thermique (sauf circulation d’eaux naturelles) à partir du pourtour non refroidi, ce qui dépend de la dimension L du volume prélevé ou refroidi, avec un temps de retour de la chaleur ou de la température, croissant comme le carré de cette dimension L, donnant pour 6 à 10 m un an environ, pour 12 à 20 m 4 ans, pour 24 à 40 m 16 ans, de fait, égal grossièrement au temps passé à le prélever trop vite.

Aussi, cela ne peut fonctionner que si des eaux chaudes circulent facilement ou fortement, dans des zones volcaniques, en espérant que leur source aquifère est assez grande pour ne jamais s’épuiser.

Une solution est de recharger les puits avec de la chaleur solaire venant de capteurs solaires en surface. La géothermie solaire sert alors à stocker cette chaleur solaire du jour pour la nuit, de l’été pour l’hiver, rendant l’énergie solaire utilisable 24 h sur 24 et 365 jours par an, sans interruption. Cela a été utilisé pour le chauffage intersaison, de l’été pour l’hiver, comme à la Communauté solaire de Drake Landing. 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.

La profondeur d’intervention détermine différents types d’exploitation. –la géothermie peu profonde (moins de 1 500 m1) 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 décolmater :_ ; *géothermie des roches naturellement fracturées ou Hot Fractured Rock (HFR) ; *géothermie stimulée EGS (Enhanced Geothermal System2), imaginée aux États-Unis en 19701 et mise en œuvre à Soultz-sous-Forêts en France dans le cadre d’un projet-pilote européen et franco-allemand Géothermie Soultz2 ; la géothermie très profonde à très haute température.

Examinons plus précisément ces différents types d’exploitation.

Les différents types d’exploitation de la géothermie

1) La géothermie peu profonde à bass température.

Il s’agit principalement d’extraire la chaleur contenue dans la croûte terrestre afin de l’utiliser avec une pompe à chaleur pour les besoins en chauffage en refroidissant la terre. Les transferts thermiques peuvent aussi dans certains cas être inversés pour les besoins d’une climatisation. On l’utilise pour chauffer le sol d’une maison à basse température, pour les radiateurs et par le sol mais par échauffement d’eau.

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 de la pompe à chaleur on utilise de l’eau ou de l’eau avec un glycol ou directement le fluide frigorigène. La géothermie peu profonde et basse température utilisera donc de plus en plus la chaleur de la terre dans le sol venant du soleil en surface. De 4,50 m à 10 m de profondeur, la température du sol est constante tout au long de l’année avec une température moyenne de 12 °C (cette valeur en France dépend du très faible flux géothermique et surtout de la température moyenne annuelle moyennée par diffusivité, avec la température atmosphérique qui prend un an pour descendre à 4,5 ou 10 m de profondeur. Pour une profondeur 10 fois plus grande - 45 à 100 m - elle prend 100 fois plus longtemps soit 100 ans avec le flux géothermique vrai des profondeurs augmentant la température d’environ 3 K à 100 m par rapport à la moyenne annuelle).

De fait cette chaleur qualifiée de géothermie peu profonde, est une chaleur d’origine solaire, avec le soleil qui chauffe l’atmosphère, chaleur stockée sur plus d’un an à plus de 4,5 m de profondeur. Dans les régions arctiques froides avec le sol gelé en profondeur, cette géothermie n’existe pas.

La profondeur du forage est fonction du type de géothermie : en détente directe (utilisation d’un fluide frigorigène dans les sondes géothermiques avec pompe à chaleur), elle sera en moyenne de 30 mètres, pour les sondes à eau glycolée entre 80 et 120 m selon les installations.

Dans le cas de la géothermie d’eau (aquathermie ou hydrothermie), plusieurs schémas d’installation existent : forage unique : un ou plusieurs forages de pompage sans forage de réinjection ; forage en doublet18 : 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 rentabilité et la durée de vie de l’exploitation thermique de la nappe phréatique. Le principe est de faire (ou réutiliser) 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 (en surface) de quelques mètres mais avec des forages obliques (toujours dans le but d’éloigner les points de ponction et de réinjection de l’eau).

2) La géothermie profonde à haute température.

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’autr la e). La méthode de transfert thermique est plus simple (échangeur de chaleur à contre-courant), sans le fluide caloporteur nécessaire aux basses températures.

3–Les capteurs et générateurs utilisés pour chauffer une habitation par géothermie ou produire de l’électricité. Aspects concrets d’une installation Source : où en est la géothermie aujourd’hui ? https://total.direct-energie.com/pa...

A) Des capteurs différents pour des fonctionnements différents

Dans tous les cas, la géothermie nécessite l’installation d’un générateur de chaleur, qui pourra chauffer votre maison et votre eau chaude sanitaire.

Il existe plusieurs sortes de capteurs :

•l’horizontal  ; •le vertical  ; •le captage par nappe phréatique.

Tous ont la même finalité, à savoir absorber la chaleur grâce à un fluide qui circule en circuit fermé pour la restituer. Cependant, ils ont chacun leurs spécificités dépendant notamment de la surface disponible du terrain concerné.

Dans le cadre d’une installation classique d’énergie renouvelable pour une maison individuelle, le capteur horizontal est le plus conseillé et le plus fréquemment utilisé. Enterré à une profondeur de 0,6 à 1,8 mètre, il vous permet de récupérer une puissance moyenne de 35 W par m² de terrain. Son succès s’explique par des coûts de mise en œuvre moins élevés que pour les deux autres techniques, grâce à un travail effectué en faible profondeur et qui peut ensuite être recouvert d’une pelouse ou d’un jardin (attention, sans arbres pour ne pas que les racines abîment les tubes).

En revanche, pour mettre en place de la géothermie, assurez-vous de disposer d’une surface de terrain importante (1,5 à 2 fois la surface à chauffer). Aussi, l’installation de ce genre de capteur est soumise à une demande de travaux en mairie et doit suivre les arrêtés municipaux et préfectoraux.

De son côté, le captage vertical, plus performant, mais aussi plus coûteux, requiert du matériel de forage conséquent, pour enfouir des sondes à une profondeur de 15 à 100 mètres, en garantissant alors une source de chaleur plus stable qu’à la proximité de la surface. Par exemple, pour chauffer une maison de 120 m², deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur suffisent. Ce genre de capteur a besoin d’une surface de terrain plus faible que les capteurs horizontaux.

Enfin, le captage sur nappe phréatique s’impose comme étant la technique la plus rentable en termes de consommation de la géothermie, avec une température d’eau constante et élevée toute l’année (entre 8 °C et 12 °C) et un coût d’exploitation très avantageux. Particulièrement adapté aux petits terrains, il peut être fait de deux manières, soit par deux forages de 30 à 200 m de profondeur, soit par un puits unique dont on rejette postérieurement l’eau puisée dans une rivière ou un lac.

En pratique toutefois, la qualité et le débit de l’eau puisée posent souvent des difficultés techniques qui font que ce captage reste réservé à peu de constructions. Par ailleurs, la recherche et l’accessibilité de la nappe phréatique se révèlent irréalisables dans de nombreux cas.

B) La géothermie et ses différentes productions d’énergie

a) La production de chaleur

Globalement, un système géothermique se compose d’une thermopompe et d’un circuit souterrain de tuyaux dans lesquels circule un fluide qui passe de l’état liquide à l’état gazeux au contact du sol chaud. Ce transfert d’énergie de l’extérieur vers l’intérieur est assuré par deux échangeurs (évaporateur et condenseur) et un générateur de type pompe à chaleur. C’est ce dernier qui permet de chauffer (jusqu’à 75° si nécessaire), de fournir de l’eau chaude sanitaire et du rafraîchissement à des maisons individuelles comme à diverses installations collectives.

Comme tout appareil de chauffage géothermique par le sol, le générateur, qui profite d’une durée de vie de 20 à 50 ans selon le modèle, doit faire l’objet d’un contrôle régulier.

En revanche, dans le cas du plancher chauffant, un système de chauffage de plus en plus tendance, sachez que celui-ci ne demande pas d’entretien spécifique puisqu’il fonctionne en circuit fermé.

b) La production d’électricité

Pur produire de l’électricité grâce au fonctionnement de la géothermie, il existe deux méthodes principales :

•la géothermie naturelle à haute énergie  ; •le système géothermique stimulé.

La première technique de la géothermie est réalisable dans les zones volcaniques, à la frontière des plaques lithosphériques, où les températures du sol peuvent avoisiner les 200 °C et réchauffer naturellement de gigantesques poches d’eau. Cette eau, présente sous forme de liquide ou de vapeur dans les sous-sols, va permettre de faire tourner une turbine, qui, couplée à un alternateur, produira de l’électricité.

Pour la seconde méthode, il s’agit de produire de l’électricité à partir de roches sèches, en injectant de façon artificielle de l’eau chaude dans le sous-sol (en creusant un puits, comme un puits canadien par exemple) pour qu’elle y soit réchauffée. Celle-ci s’infiltre en profondeur et augmente en température au contact de la roche, avant de céder sa chaleur à un fluide une fois en surface (via un échangeur), qui se transforme ensuite en vapeur, entraînant alors la turbine qui produit de l’électricité. Un cycle qui se répète encore et encore.

En 2016, la France dispose de deux centrales électriques : •une installation de 16 MW de puissance à Bouillante en Guadeloupe exploitée depuis plus de 20 ans par la société Géothermie Bouillante sur une concession de la commune de Bouillante octroyée par décret du 17 juin 2009 (JORF du 19/06/2009). •la centrale de Soultz-sous-Forêts exploitée par le (G.E.I.E.) « Exploitation minière de la chaleur est en capacité de produire 12 000 MWh d’électricité par an, correspondant à la consommation électrique d’environ 2400 logements. Cette concession est la première exploitation géothermique en Métropole, elle a été attribuée par décret du 22 septembre 2015 publié au JORF du 24/09/2015. En France métropolitaine, le potentiel de la géothermie pour la production d’électricité est ainsi peu exploité à ce jour.

C) L’attractivité de la géothermie

Ce qui séduit les nouveaux adeptes de la géothermie, c’est indéniablement l’avantage financier apporté par cette énergie renouvelable. Si le coût d’investissement est au départ supérieur de 50 % environ à celui d’un chauffage classique équipé d’une chaudière, le forage étant plus coûteux, les frais de fonctionnement sont beaucoup plus faibles.

Le prix de l’énergie issue de la géothermie se révèle ainsi très avantageux pour les particuliers désireux de chauffer leur habitation à moindre coût. Les pompes à chaleur permettent de diviser leurs factures par 3 ou 4 sur le long terme, avec un prix du kilowattheure très compétitif. Sans compter le peu d’entretien nécessaire et l’absence de combustible à acheter.

Un des autres avantages de la géothermie est le fait qu’il s’agisse d’une ressource écologique propre, dans le sens où une exploitation géothermique ne stocke aucun déchet et ne dégage que peu de gaz à effet de serre. La quantité moyenne de CO2 émise dans l’atmosphère par les centrales géo-thermo-électriques dans le monde serait ainsi 10 fois inférieure à une centrale au gaz naturel. Cela vaut donc également pour les habitations.

Enfin, l’ultime avantage de la pompe à chaleur dans un logement qui profite de la géothermie, c’est le fait qu’elle est réversible : elle peut aussi climatiser un logement et le rafraîchir, en faisant circuler les fluides entre l’habitation et le sous-sol. C’est l’effet géocooling ou freecooling.

4–Quelques réalisations en France

La France serait au 14e rang de l’Union européenne pour cette ressource, réputée la plus intéressante en termes de coûts/bénéfices en Aquitaine et en Île-de-France (La géothermie profonde est déjà la 1re source d’énergie renouvelable d’Île-de-France). On y trouve un réseau de chaleur qui a été le plus grand réseau de chauffage géothermique d’Europe, à Chevilly-Larue. Là, une eau pompée à 2 km de profondeur et à 74 °C21, chauffe depuis 1985 21 000 logements (chauffage et eau chaude sanitaire) ainsi que des équipements publics : bassins et douches d’une piscine. Cela permet le remplacement d’une centaine de grosses chaufferies et environ 30 % d’économies. Chaque année, ce sont 30 000 t de CO2 non émises et 10 000 t de pétrole d’économisées21. À Maison-Alfort depuis 20 ans, l’habitat et une piscine bénéficient de calories prélevées à 1 800 m sous terre (dans une eau de mer fossile à 73 °C).

À la suite des premiers chocs pétroliers, les forages se sont multipliés en région parisienne dans les années 1980 avec 800 000 logements chauffés par ce moyen envisagés à l’époque. Mais le prix du pétrole a ensuite diminué, et il a fallu gérer des problèmes de corrosion ou de colmatage, ce qui explique une stabilisation. Cent cinquante mille logements de franciliens l’utilisent encore22. Le double serait possible dans cette région22. Des améliorations techniques y sont apportés au début du XXIe siècle, notamment via l’usage de technologies de l’industrie pétrolière, par exemple à la Centrale géothermique de Cachan23.

Plus à l’est, à Soultz-sous-Forêts en Alsace, un projet, présenté comme « le plus avancé au monde »1 vise depuis 1987, via 20 km de forage24 et une boucle d’eau géothermale de 11 km de long à exploiter 35 litres d’eau par seconde24 à 175 °C24, circulant jusqu’à 5 000 m de profondeur dans un granit fracturé, via un groupement européen d’intérêt économique (GEIE), dans le cadre d’un projet européen25 associant le bureau de recherches géologiques et minières et d’autres acteurs autour de trois forages de 5 000 m de profondeur26 et une « centrale pilote de production d’électricité » mise en route comme prévu en 200825.

Plus de 22 ans de recherche et 80 millions d’euros (30 millions venant de l’Union européenne, 25 de l’Allemagne et 25 de France) ont permis de produire les premiers kilowattheures à l’été 2008 via une « centrale de conversion d’énergie géothermique/électrique de type ORC (Organic Rankine Cycle) » fonctionnant avec un fluide organique (isobutane) pour son cycle thermodynamique. La capacité de la centrale est de 13 MW de chaleur extraits, soit 2,1 MW de production électrique brute, dont 0,6 MW utilisés en autoconsommation pour faire fonctionner les installations et 1,5 MW de production nette. La productivité du puits doit peu à peu augmenter, au fur et à mesure que le sous sol se réchauffera autour de la colonne montante qui n’est pas isolée thermiquement (ce qui fait que 30 K sont perdus entre le fond et la surface par le fluide caloporteur2). Selon l’opérateur, début 2013 « le puits GPK2 remonte 30 l/s à 170 °C. Le puits GPK4 est à 12 l/s à 145 °C ». Potentiellement le débit peut atteindre 80 m3 par heure (environ 22 l/s), mais un débit plus lent permet à l’eau de mieux se réchauffer.

Le projet a notamment montré qu’il existe un risque sismique lié aux forages profonds et à l’injection d’eau à très grande profondeur via la technique HDR (Hot Dry Rock)25 ; 200 000 m3 d’eau ont dû être injectés24 pour « nettoyer » les fractures entre les roches et les opérations ont généré environ cinquante mille petits séismes et une grosse dizaine perceptibles par l’homme (d’une magnitude supérieure à deux sur l’échelle de Richter).

Ce forage a permis de valider plusieurs techniques nouvelles d’exploitation de la chaleur (utilisation des failles existantes dans le socle granitique, de l’eau souterraine, etc.) et le développement d’un nouveau concept appelé EGS pour « Enhanced Geothermal System ». Cette expérience s’est appuyée sur quinze laboratoires de recherche et sur le tissu industriel local avec deux principaux employeurs, Gunther Tools/Walter et CEFA, et un réseau d’une centaine de PME et artisans.

Le projet ECOGI27 (Exploitation de la Chaleur d’Origine Géothermale pour l’Industrie dit Roquette-Frères28) et porté par le Groupe ÉS (40 % d’ECOGI), Roquette Frères (40 %) et la Caisse des Dépôts (20 %), vise à ouvrir en 2015 à Rittershoffen un réseau de chaleur interne (24 MW utiles pour 90 MW de puissance énergétique nécessaire) alimenté par un double forage à 2 500 mètres de profondeur relié à l’usine Roquette Frères de Beinheim via 15 km de tuyaux. Cela évitera à l’usine d’acheter 16 000 tep/an de combustible fossile et diminuera de 39 000 t/an ses émissions de CO228. Ce projet est soutenu par l’ADEME via le Fonds Chaleur à hauteur de 25 millions € sur un investissement total de 55 millions € et sera mis en service en avril 2016, complétant la chaudière biomasse qui couvre déjà 45 % des besoins en énergie du complexe. Électricité de Strasbourg espère alimenter d’autres clients avec la chaleur résiduelle à 70 °C en sortie du site Roquette, en particulier la plate-forme industrielle de Hatten et le réseau de chaleur de Betschdorf. ÉS a obtenu les autorisations pour lancer un forage exploratoire à Illkirch pour produire de l’électricité et alimenter plusieurs réseaux de chaleur dans les nouveaux écoquartiers et dans tout le périmètre du Parc d’innovation de cette commune de l’Eurométropole.

Des particuliers qui l’adoptent progressivement

Si à l’heure actuelle, seulement 10 % des habitations neuves en France sont équipées de pompes à chaleur, contre 35 % en Suisse et 90 % en Suède, des chiffres viennent quoi qu’il en soit certifier du dynamisme du secteur.

Ainsi, uniquement sur l’année 2015, pas moins de 2 525 pompes à chaleur géothermiques (PACg), ces installations qui utilisent l’énergie gratuite de la Terre pour assurer un chauffage et une production d’eau chaude, ont été installées chez les particuliers dans l’Hexagone. 30 % utilisent la géothermie horizontale, à savoir une installation en faible profondeur.

À titre de comparaison, pour les installations du domaine collectif, une croissance d’environ 13 % des ventes de PACg de puissance supérieure à 30 kW a été constatée entre 2014 et 2015, ce qui correspond à environ 1 174 PACg mises en place durant l’année.

puisque la localisation a un impact direct sur l’exploitation d’énergies renouvelables comme la géothermie, sachez qu’en 2015, les régions ayant installé le plus de kW géothermiques à partir de forages verticaux (plus performants, mais aussi plus contraignants en matière d’autorisation que les capteurs horizontaux) sont l’Île-de-France la Rhône-Alpes, les Midi-Pyrénées, la Bretagne, l’Alsace et surtout, les Pays de la Loire.

5–Les centrales géothermiques.

Source : Wikipédia les centrales géothermiques. https://fr.wikipedia.org/wiki/Centr...

Une centrale géothermique est un type de centrale électrique dont la source primaire est l’énergie géothermique. Les technologies utilisées comprennent les turbines à vapeur sèche, les centrales à condensation et les centrales à cycle combiné. La production d’électricité géothermique est utilisée dans 27 pays, alors que le chauffage géothermique est utilisé dans 70 pays. Les estimations du potentiel de production d’électricité de l’énergie géothermique varient de 35 à 2 000 GW. La puissance installée mondiale atteignait 13 931 MW en 2019, avec au premier rang les États-Unis (2 555 MW), suivis par l’Indonésie, les Philippines et la Turquie. En 2017, les centrales géothermiques produisent 0,44 % de l’électricité mondiale et six pays produisent plus de 10 % de leur électricité grâce à la géothermie, le record étant détenu par le Kenya, dont les centrales géothermiques produisent près de la moitié de l’électricité.

L’électricité géothermique est considérée comme durable car l’extraction de chaleur est faible comparée à l’enthalpie de la planète. Les émissions des centrales géothermiques existantes est en moyenne de 122 kg de CO2 par (MWh) d’électricité, environ un huitième de celles d’une centrale à charbon conventionnelle.

Pour plus d’informations voir l’article de Wikipédia dont le lien est indiqué ci-dessus.

6–Histoire de la géothermie : quelques éléments.

Source : http://sacha.delanoue.free.fr/tpe/h... [Remarque s’agit d’un travail de lycéens de classe terminale dans le cadre d’un TPE (travail personnel encadré). Comme pour Wikipédia, nous favorisons le travail d’information et de réflexion collectif et la mutualisation des connaissances.]

La première utilisation de la géothermie se situe dans une période d’il y a 15 à 20 000 ans, d’après des vestiges retrouvée à Niisato au Japon. Au premier millénaire après J.-C., les Romains développèrent les thermes en suivant le modèle des Étrusques. Puis, au second, ils se répandent dans le monde entier, en particulier dans les îles volcaniques.

Par exemple, en Auvergne, la station thermale des Chaudes-Aigues développe un réseau de distribution d’eau chaude dès 1330. Et en 1400, cette eau est employée de manière industrielle pour le dégraissage de la laine et la cuisine. A cette époque, en Italie, les lagoni sont exploité pour d’autres usage industriels comme l’extraction du souffre, du vitriol et des aluns.

Les usages industriels

C’est le 19e siècle qui marque le début de l’usage industriel de la géothermie. Cela est causé par : •Une meilleure connaissance de la composition du sous-sol grâce aux progrès scientifiques •Ces mêmes progrès scientifiques qui permettent le développement des techniques de forge et des nouveaux systèmes d’exploitation de l’énergie

Ainsi, au 18e siècle, on ne faisait qu’exploiter la chaleur qui arrivait en surface. Grâce aux progrès scientifiques, on peut étudier, explorer, creuser pour atteindre cette chaleur et mettre en place des dispositifs afin de pouvoir l’exploiter au mieux.

Ce n’est qu’en 1818 que François Larderel (dont la ville Larderello doit son nom), un immigré français, exploitera de manière industrielle l’acide borique déposé par les vapeurs et les eaux chaudes, et dont se servaient les Étrusques pour fabriquer des émaux. Neuf ans plus tard, il met au point la technique du lagoni ouvert pour recueillir la vapeur, la faire sortir à une pression suffisante pour alimenter les chaudières d’évaporation et pomper les eaux boriquées. C’est à cette époque que les premiers travaux de forage s’effectuent pour augmenter la vapeur qui, plus tard, servira à fabriquer de l’électricité.

Parmi ces premiers usages de la géothermie, on peut noter l’extraction du sel en Islande et en France, le premier forage géothermique est réalisé de 1833 à 1841 afin d’exploiter les sables albiens situés à une profondeur de 584 mètres, une nappe de 30°C.

L’époque des révoltions industrielles

De 1900 à 1980, on peut observer une période où les applications de la géothermie se développent, ces mêmes applications qui commençaient déjà à voir le jour au 19ème siècle. La production d’électricité à partir le géothermie haute énergie va connaître un grand essor. Mais si celle à basse énergie et les applications directement liées à la chaleur, vont en connaître un, il sera moins important et moins rapide. La géothermie se développe grâce à l’intérêt porté aux nouvelles énergies : les énergies renouvelables, et aux besoins en électricité de plus en plus importants.

La géothermie haute enthalpie, qui est l’autre nom de la géothermie haute énergie, voit cet essor commencer au début du siècle en Italie : suite à la réussite d’une expérience , le prince G. Conti fait construire, en 1905, la première centrale expérimentale de 20 kW à Larderello en Italie. La première véritable centrale géothermique commence à fonctionner en 1913 avec 0.25 MWe de puissance. En 1944, cette puissance est de 127 MWe mais malheureusement, elle fut en grande partie détruite par la Seconde Guerre Mondiale.

Ailleurs dans le monde, les phases d’exploration débutent. Ainsi, de 1900 à 1960, 23 pays seront ainsi explorés, 23 champs Haute énergie découverts et presque 400 MWe installés, dont 280 pour l’Italie seulement.

La production d’électricité géothermique commence ainsi à rapidement augmenter (17.5 % de croissance), et on passe de 400 MWe au début du siècle, à 2500 MWe en 1980, et enfin à 8 536 MWe installés de nos jours. Ceci est la conséquence des crises pétrolières du début des années 1970 qui ont poussé les gouvernements à chercher de nouvelles alternatives énergétiques moins chères, comme déjà expliqué plus tôt.

Le tableau ci-dessous montre les date de découverte des premiers sites destinés à produire de l’électricité avec la géothermie.

Voir Début d’exploration dans différents pays du monde sur le site

Des réseaux de chaleur aussi importants sont développés plus tard en France, Italie, Roumanie, URSS, Turquie, Chine, États-Unis... Ils permettent le chauffage urbain, bien entendu mais aussi le chauffage des serres agricoles et la pisciculture.

Période contemporaine.

En France, la première expérience commence en 1969 en mettant au point la technique du doublet, qui permet d’exploiter un des aquifères profonds du bassin de Paris. Dans ce cas également, les chocs pétroliers sont la cause principale de la mise au point de ce projet. Entre 1980 et 1986, une cinquantaine de pareils projets sont mis en oeuvre ainsi, ce qui donnera naissance à une filière française spécifique de réseaux de chaleur alimentés par géothermie. Fin de l’article du TPE

Suite de cet exposé avec Wikipédia Les techniques modernes de forage ont permis d’atteindre des eaux chaudes jusqu’à 12 262 m de profondeur avec le forage sg3. 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 géothermie3 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 géotechniquement par le BRGM (qui a fin 2006 créé en son sein un département spécifiquement consacré à la géothermie, et qui tient à jour avec l’Ademe un site d’information4), 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 France5, 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 Services6 (services et ingénierie spécialisée) et Géothermie Bouillante7 (qui exploite la centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe), sont impliquées dans la géothermie8. 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 20109 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 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 géothermique10). Six cent mille logements pourraient être équipés de 2010 à 202010. 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.

7–Perspectives pour la filière géothermique en France. Source : https://www.ecologique-solidaire.go...

Les objectifs de la programmation pluriannuelle de l’énergie PPE pour la France métropolitaine sont : • Pour la géothermie électrique, en termes de puissance totale installée :

Échéance

Puissance installée

31 décembre 2018

8 MW

31 décembre 2023

53 MW

•Pour la géothermie de basse et moyenne énergie :

Échéance

Production d’énergie

31 décembre 2018

200 ktep

31 décembre 2023

Option basse : 400 ktep

Option haute : 500 ktep

8–Impact environnemental de l’exploitation géothermique

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 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 pré-existantes 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 hydrochimique » 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 vannes2. 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.

Hervé Debonrivage

Les


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