Géothermie : de l’énergie juste sous nos pieds

Géothermie : de l’énergie juste sous nos pieds

La géothermie permet d’utiliser la chaleur du sous-sol pour produire de l’électricité ou alimenter les systèmes de chauffage. Renouvelable et décarbonée, cette source d’énergie apparaît comme une excellente alternative aux énergies fossiles. Quelle place occupe-t-elle aujourd’hui dans le monde ? Quel est son intérêt par rapport aux autres sources d’énergie ? Quelles sont ses limites et ses perspectives de développement ? Petit tour d’horizon.

L’exploitation de la chaleur naturellement présente dans le sous-sol est une pratique connue depuis des millénaires. L’utilisation des sources d’eaux chaudes date du Paléolithique, les plus anciens systèmes de chauffage urbain datent du XVe siècle (France) et la première utilisation industrielle de la chaleur par une usine chimique date de 1827 (Italie). Mais c’est dans la deuxième moitié du XXe siècle que les techniques modernes de géothermie se sont réellement développées.

Aujourd’hui on désigne par géothermie les techniques consistant à faire circuler dans le sous-sol un fluide — naturellement présent dans la roche ou injecté sous pression —, et à récupérer l’énergie thermique qu’il a emmagasinée pour alimenter des réseaux de chauffage ou fabriquer de l’électricité.

D’où vient la chaleur du sous-sol ?

La chaleur utilisée en géothermie provient en partie du manteau terrestre, mais l’essentiel (87 %) est issu de la croûte, plus précisément
de la désintégration radioactive des atomes d’uranium, de thorium et de potassium. C’est ainsi qu’en moyenne la température augmente d’environ 30 °C chaque fois que l’on s’enfonce de 1 000 mètres dans le sol. Mais ce gradient de température est généralement plus important dans les zones volcaniques.

Il existe trois grandes classes de géothermie:

  • La géothermie très basse énergie est généralement utilisée pour le chauffage et la climatisation de locaux. Il s’agit d’utiliser une ressource à faible température (10-20 °C) — celle des aquifères (roches abritant de l’eau) situés à moins de 200 mètres de profondeur — avec une pompe à chaleur (PAC) comme amplificateur.
  •       La géothermie à basse et moyenne énergie est utilisée plutôt sur du chauffage urbain dans des réseaux de chaleur, mais aussi dans des applications industrielles, du thermalisme, etc. Dans ce type de système, on utilise la chaleur directement, sans PAC, en allant chercher un aquifère à 80 °C pour l’utiliser directement dans les circuits de chaleur. Ce type d’aquifère se situe jusqu’à 1500 m de profondeur. 
  •        La géothermie à haute énergie est destinée principalement à produire de l’électricité, voire de la chaleur complémentaire. Elle concerne des fluides à des températures comprises entre 150 et 350 °C situés à des profondeurs supérieures à 2000 m. Il y a deux types de géothermie à haute énergie :

- La géothermie conventionnelle où l’on cherche à exploiter l’énergie directement à partir d’un fluide à une température de l’ordre de 200 °C ;

-  La géothermie non conventionnelle ou EGS (Enhanced Geothermal Systems) dans laquelle on modifie (on parle de « stimulation ») les réservoirs pour améliorer la perméabilité naturelle qui n’est pas toujours suffisante.

   

Une technologie encore peu développée dans le monde

Production d’électricité

Centrales géothermiques de production d’électricité dans le monde en 2020
(source : ThinkGeoEnergy.com)

 

L’électricité issue de la géothermie reste minoritaire dans le mix énergétique mondial puisqu’une trentaine de pays seulement l’utilisent. En 2020, elle ne représentait que 0,3 % de la production d’électricité mondiale avec, en tête des pays producteurs, les États-Unis, l’Indonésie et les Philippines. Cependant, cette production connaît une croissance continue depuis 2010. La capacité totale installée a en effet augmenté de 50 % entre 2010 et 2020 et devrait atteindre 19 300 mégawatts électriques (MWe) en 2025. La Turquie, l'Indonésie et le Kenya sont les trois pays à avoir vu leur puissance de production d'électricité géothermique augmenter le plus fortement ces dernières années. 


Le Top 10 des nations ayant la plus grande puissance électrique géothermique en 2020
(source : Huttrer Gerald W.)


Production d’énergie thermique

La géothermie destinée à la production de chaleur est actuellement utilisée dans 88 pays (seulement 28 pays en 1995). Aujourd’hui, la puissance thermique installée totale est de 110 000 mégawatts thermiques (MWt), ce qui correspond à une croissance de près de 9 % par an depuis 2015, et l’énergie thermique utilisée est de 283 000 GWh/an (croissance de 11,5 %/an depuis 2015). Les trois principaux usages de l’énergie thermique sont les pompes à chaleur géothermiques (58,8 %), le chauffage des bains et des piscines (18 %), le chauffage des locaux (16 %, dont 14,5 % pour du chauffage urbain), mais aussi le chauffage des serres et des bassins d’aquaculture, et les usages industriels et agricoles.

Même si elle est appelée à se développer, cette production d’énergie thermique permet déjà d’éviter chaque année le rejet dans l’atmosphère de plus de 250 millions de tonnes de CO(à titre de comparaison, un Américain rejette 16 tonnes de COpar an).

De nombreux avantages…

La géothermie a largement de quoi séduire :

·        C’est une source d’énergie renouvelable, décarbonée et locale (elle ne nécessite pas de transport puisqu’elle est produite sur place) ;

·        À la différence de l’éolien et du photovoltaïque, elle est continue, car indépendante des conditions météorologiques ;

·        Elle possède un potentiel de développement important puisqu’il existe sur terre de nombreuses sources de chaleur encore inexploitées ;

·        Grâce à sa faible emprise au sol et son implantation en sous-sol, elle engendre peu de pollution visuelle ;

·        Une fois l’infrastructure mise en place, ses frais de fonctionnement sont relativement bas ;

·    C’est enfin une source d’emplois locaux, qui, dans le cadre de la transition vers des énergies moins carbonées, permettrait aux professionnels travaillant dans le pétrole et le gaz de mettre à profit leurs compétences.

On peut donc se demander pourquoi la géothermie n’est pas aussi populaire que l’éolien et le photovoltaïque, et pourquoi elle n’est pas plus développée. Plusieurs raisons l’expliquent.

Des limites technologiques à franchir

Malgré ses multiples avantages et un potentiel considérable, la géothermie reste un investissement coûteux. C’est notamment le cas de la géothermie à haute énergie destinée à la production d’électricité. Quand elle est située hors des régions volcaniques et/ou tectoniques actives, elle implique des forages profonds, or les forages comptent pour plus de la moitié des coûts d’investissement d’une centrale électrique géothermique.

Il existe également un risque quand on fore : celui de ne pas parvenir à accéder à la ressource de chaleur recherchée. Le taux d’échec serait d’environ 20 %. Pour augmenter les chances de tomber sur un système productif, il faut bien connaître le potentiel du sous-sol afin d’être sûr d’avoir un fluide (eaux chaudes), mais aussi une structure rocheuse poreuse présentant des fractures de taille suffisante pour la circulation de ce fluide.

Certaines zones du monde ont des sous-sols bien caractérisés sur le plan géologique, mais ce n’est pas le cas pour de vastes régions. Et pour vraiment connaître le sous-sol et son potentiel géothermique, il faut souvent… forer, ce qui augmente les coûts des projets !

Les deux axes de recherche actuels visent donc à améliorer le développement de matériaux des technologies de forage et celui des outils visant à mieux connaître les sous-sols.

Développer des systèmes géothermiques « améliorés »

Pour avoir une meilleure productivité et une meilleure rentabilité, il est possible d’avoir recours à des techniques dites « non conventionnelles ». Celles-ci permettent d’accéder à des profondeurs plus importantes (au-delà de 2000 m) et à des températures plus élevées, mais qui correspondent souvent à des roches peu perméables. La technologie EGS (pour Enhanced Geothermal System) consiste à améliorer ces réservoirs peu poreux en injectant de l’eau à haute pression pour ouvrir les fractures existantes et ainsi créer une plus grande surface d’échange de chaleur entre l’eau et la roche.


Cette approche, qui permet de produire davantage d’électricité, doit encore être optimisée ; elle est en effet susceptible d’entraîner une accumulation de contraintes et de générer des tremblements de terre, problème qu’il faut absolument apprendre à mieux maîtriser.

Associer la géothermie à l’exploration d’autres ressources

Une nouvelle opportunité pour le secteur de la géothermie est la découverte de lithium dans certaines nappes souterraines exploitées par des centrales géothermiques. Ce minéral, aujourd’hui devenu indispensable dans de nombreuses applications, notamment la fabrication des batteries lithium-ion des véhicules électriques, n’est produit que dans un nombre restreint de pays. La covalorisation du lithium pourrait constituer un atout pour la géothermie en offrant des perspectives de revenus supplémentaires et en attirant de nouveaux investisseurs.

Pour diminuer les coûts de la géothermie, il pourrait également être possible de contourner l’étape forage en utilisant des puits déjà existants dans les bassins sédimentaires, comme ceux de l’industrie pétrolière et gazière. Il s’agirait soit de convertir les réservoirs pétroliers abandonnés, soit de coproduire du pétrole et de la chaleur géothermale. Cette option permettrait également une meilleure acceptation sociale des projets puisqu’ils se situeraient sur des zones déjà exploitées.

Pour conclure, si la géothermie ne peut, aujourd’hui, être considérée comme une solution unique aux enjeux de la transition énergétique, elle reste — par son potentiel de développement et ses caractéristiques — une alternative très intéressante aux énergies fossiles. Elle devrait donc trouver une place de choix dans le mix énergétique mondial des prochaines décennies.

Véronique Molénat

Sources

Capturing the energy beneath our feet, IEA, 22 october 2021

Les différents types de géothermie et leur maturité, Jean Schmittbuhl (CNRS), UVED 2016

Geothermal Power Generation in the World 2015-2020Huttrer, Gerald W. Update Report. Proceedings World Geothermal Congress. Reykjavik, April 26 – May 2, 2020

Direct Utilization of Geothermal Energy 2020 Worldwide Review, John W. Lund and Aniko N. Toth Proceedings World Geothermal Congress 2020+1, Reykjavik, Iceland, April - October 2021

Why unconventional resources are key expanding geothermal energy use, Horizon, European Commission, 6 may 2021

How can we do geothermal from oil wells, MEET – Multi-site EGS Demonstration

Geothermal energy production utilizing abandoned oil and gas wells, Xianbiao Bu, Weibin Ma,Huashan Li, Renewable Energy, Volume 41, May 2012, Pages 80-85.

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