Géothermie, la chaleur de la Terre
En grec ancien, “Géo” signifie “la Terre” et “Thermos” “la chaleur”.Capter la chaleur de la Terre pour se chauffer ou produire de l’électricité, c’est le principe de la géothermie.
Et ça ne date pas d’hier ! On retrouve des traces de son utilisation dès le Paléolithique. La Rome antique s’en servait pour chauffer les thermes. Les sites profitant de la géothermie se situaient alors dans les lieux de geysers et sources chaudes.
Mais concrètement, quel est le principe de la géothermie ?
La géothermie consiste à exploiter la chaleur naturelle du sous-sol de la Terre, plus précisément de la croûte terrestre.
La croûte terrestre fait en moyenne 30 kms d’épaisseur sous les continents. Plus on descend, plus la température augmente. C’est ce que l’on appelle le gradient géothermique.
D’où provient la chaleur de la croute terrestre ?
Pour l’essentiel, la chaleur provient des éléments radioactifs présents à l’état naturel dans les roches de la croûte terrestre et le manteau supérieur de la Terre. En se désagrégeant, ces éléments radioactifs libèrent de la chaleur. Ce phénomène est à l’origine de 90% de la chaleur interne du sous-sol.
En petite partie, elle provient aussi du centre de la Terre, son noyau interne. Cette chaleur du noyau rayonne jusqu’à la croûte terrestre.
La chaleur de la croûte terrestre varie en fonction des régions du globe.
Différents types de géothermie dans différentes régions du globe
Basse énergie ou haute énergie, il existe différents types de géothermie.
La géothermie basse énergie permet de générer de la chaleur (pour le chauffage et/ou l’eau chaude sanitaire) et la haute énergie* de l’électricité.
La géothermie haute énergie se développe beaucoup en Afrique. Le Kenya notamment est un bon exemple de conquête de son autonomie énergétique par l’intermédiaire de cette technologie. En Amérique centrale, on peut également citer le Costa Rica pour lequel la géothermie est la principale source d’énergie renouvelable.
Autre pays emblématique de la géothermie : la Suède. Ce pays mène une politique très incitative auprès des particuliers pour qu’ils installent dans leurs habitations des systèmes de production d’énergie renouvelable. La Suède a ainsi promu à grande échelle la géothermie très basse énergie. Cette géothermie qualifiée techniquement de superficielle consiste à capter la chaleur dans les premiers 100 mètres du sous-sol.
* Elle fait appel à des ressources en eau qui ont des températures supérieures à 100°C. On utilise dans ce cas la vapeur d’eau pour faire tourner une turbine et produire de l’électricité.
Et en France ?
La France développe essentiellement la géothermie basse énergie.
3 régions concentrent la majeure partie des installations du pays.
- L’Ile de France est la région leader de la géothermie.
- L’Aquitaine ensuite avec une vingtaine d’installations.
- L’Alsace enfin avec des sources plus profondes et plus chaudes qui permettent de produire aussi de l’électricité.
Penchons-nous sur l’Ile de France dont la future centrale de la Communauté d’Agglomération de Paris-Vallée de la Marne va bénéficier, via Lumo, du financement par investissement participatif.
Le bassin parisien dans son ensemble bénéficie de conditions favorables pour la géothermie. Son sous-sol est composé de roches poreuses calcaires gorgées d’eau chaude et qui constituent des aquifères. Entre 1500 et 2000 mètres de profondeur, on trouve l’aquifère du Dogger*. La température du Dogger varie entre 55°C et 85°C. C’est essentiellement cet aquifère profond qui est exploité en Ile de France et permet de chauffer maisons et immeubles.
Plus de 40 centrales de géothermie alimentent environ 350 000 logements.
*Précision géologique sur l’aquifère du Dogger : il ne faut pas se le représenter comme une poche d’eau en profondeur mais bien comme une formation rocheuse dans laquelle l’eau circule.
Géothermie et réseaux de chaleur, comment ça marche ?
Les puits
On creuse d’abord un 1er forage, c’est le puits de production par lequel on va puiser l’eau géothermale. A cette profondeur, l’eau est sous pression, elle remonte donc naturellement. Pour avoir plus de débit, on rajoute une pompe.
Une fois en surface, cette eau est à environ 70°C et arrive dans la centrale géothermique où elle passe dans un échangeur thermique qui va permettre de récupérer et transmettre sa chaleur à un 2ème réseau d’eau qui est le réseau de distribution.
Après avoir cédé sa chaleur, l’eau géothermale est réinjectée par un autre puits dans l’aquifère du Dogger.
Cette eau des profondeurs circule donc en circuit fermé. C’est ce que l’on appelle la technique du doublet géothermique.
L’échangeur
L’échangeur thermique permet de transmettre la chaleur au réseau de distribution urbain associé à la centrale.
Ce réseau de distribution est composé de tubes isolés et enterrées qui passent dans la ville. Aux pieds de chaque immeuble, des sous-stations équipées elles aussi d’échangeurs thermiques échangent à leur tour la chaleur avec les circuits de chauffage et d’eau chaude sanitaire de chaque immeuble.
Il est important de préciser qu’en géothermie basse énergie, l’eau chaude qui est captée par le puits de forage n’est pas celle qui circule dans le réseau de chaleur. C’est l’échangeur thermique qui transfère les calories de l’eau du forage vers l’eau de ville qui circule dans le réseau de chaleur.
Les renforts
En hiver, lorsque la production de chaleur géothermique n’est pas suffisante, on utilise en renfort des moyens de production supplémentaire. Une pompe à chaleur par exemple.
Elle fonctionne en complément de la centrale. La pompe à chaleur va absorber une partie de la chaleur résiduelle du réseau qui revient à la centrale pour la concentrer et la restituer au réseau qui part de la centrale. Ainsi, au lieu de produire de l’eau à 70°C, on la produit à 80°C.
On peut également utiliser des centrales de cogénération. Ce sont des centrales alimentées au gaz naturel. Grâce à une turbine, elles produisent à la fois de l’électricité et de la chaleur. La chaleur des gaz d’échappement de la turbine est récupérée et vient compléter la chaleur produite par géothermie.
Le réseau peut aussi être équipé de chaufferies d’appoint elles aussi alimentées au gaz. Elles se mettent en marche par période de grand froid quand les centrales de géothermie et de cogénération sont insuffisantes. Elles sont aussi utilisées en cas d’incident ou de travaux sur le réseau.
Tout cela c’est ce que l’on appelle un mix énergétique.
Une énergie peu émettrice de CO2
En phase de fonctionnement, les émissions de CO2 d’une centrale géothermique sont réduites à néant lorsque l’installation réinjecte les liquides géothermaux dans leurs réserves souterraines, ce qui est souvent le cas pour les installations modernes.
Ces installations nécessitent néanmoins une excellente surveillance et une bonne maintenance tant préventive que curative.
Au sujet de la maintenance, on peut citer la nature des eaux utilisées. Il y a des variations de salinité et chaque type d’eau nécessite des conditions d’exploitation différentes. Une eau très salée engendre notamment des problématiques de corrosion.
La surveillance de l’aquifère requiert quant à elle une compétence spécifique. En France, c’est le rôle du BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières). En effet, la pérennité de la centrale dépend de la pérennité de la ressource géothermale. Il est primordial de ne pas la surexploiter. Il faut également anticiper la survenue de la percée (décroissance) géothermique. Le fait de réinjecter une eau plus froide que celle de l’aquifère a pour conséquence la création de “bulles froides” entrainant un refroidissement progressif de la ressource pouvant remettre en cause son exploitation.
Une géothermie bien gérée peut atteindre une durée de vie de 50 ans.