La géothermie ou l'énergie de la Terre

Géothermie : définition

La géothermie ou « chaleur de la terre » couvre l’ensemble des applications permettant de récupérer la chaleur contenue dans le sous-sol ou dans les nappes d’eau souterraines (la température de la terre et de l’eau souterraine est d’autant plus élevée que l’on se rapproche du centre de la terre). En fonction de l’application, les calories ainsi récupérées servent à la production de chaleur et/ou de froid ou à la production d’électricité.

L'essentiel de la chaleur dégagée par la Terre provient de la radioactivité. Il s'agit de l'énergie nucléaire produite par la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium.
Ce flux géothermique est si faible à la surface du globe qu'il ne peut être directement capté. En fait, on exploite la chaleur accumulée, stockée dans certaines parties du sous-sol. Cette chaleur est captée captée au moyen de puits de forages où sont installés des canalisations. On véhicule ainsi la chaleur emmagasinée vers la surface.

Le flux géothermique est particulièrement intense sur toute la côte ouest de l'Amérique, sur la côte est de l'Asie, ainsi que sur la "ceinture de feu" qui borde l'océan pacifique.

Les caractéristiques du fluide géothermique extrait (température, composition) dépendent de celles de la formation géologique. Il en résulte une multiplicité de techniques et de modes de valorisation. C'est pourquoi on distingue plusieurs types de géothermie et deux filières en fonction des technologies utilisées et de leurs applications.

Les principaux usages de la géothermie en fonction de la température des couches géologiques
Crédits : BRGM / EDF

La géothermie pour produire de l'électricité

Cette filière concerne la géothermie haute énergie. La production d'électricité géothermique consiste à convertir la chaleur des nappes aquifères à haute température (de 150 à 350°C) à l'aide de turboalternateurs.
La première centrale géothermique a été construite en 1904 sur le site de Larderello en Italie.

La technologie du cycle binaire

Mis au point au début des années 80, le principe de production binaire d'électricité géothermique repose sur l'utilisation de l'eau des nappes aquifères pour chauffer un fluide intermédiaire (isobutane, isopentane, ammoniac) dont la propriété est de se vaporiser à une température inférieure à celle de la nappe. Il est donc possible de produire de l'électricité via cette vapeur pour des températures d'eau avoisinant les 100°C. Cette technologie devient l'un des systèmes les plus diffusés dans le monde.

La géothermie basse énergie

Les ressources géothermales dites de "basse énergie" se caractérisent par une température comprise entre 30 et 150 °C.

Elles se rencontrent normalement à une profondeur moyenne de 1 000 à 2 500 m dans des formations rocheuses et perméables remplies d'eau, situées principalement dans des bassins sédimentaires de très grandes dimensions. C'est le cas de l'aquifère du "Dogger" présent à 1 700 m sous le bassin parisien, qui présente une température variant entre 60 et 85°C.

D'autres nappes sont situées à moins de 100 mètres de profondeur mais leur température n'excède alors guère 30°C. Dans ce cas, l'eau chaude peut être envoyée directement dans les radiateurs lorsqu'elle est suffisamment pure et à des conditions de températures adéquates, sinon on utilise des pompes à chaleur géothermales (PACG).

On distingue également :

• la géothermie sur nappe, avec deux forages sur une nappe phréatique à 8-10 m de profondeur
• le système rateau : des câbles sont enterrés horizontalement à faible profondeur (0,6 à 1,2 m) pour capter le rayonnement solaire qui chauffe le sol. On estime la surface nécessaire de 1,5 à 2 fois la surface habitable pour chauffer sa maison individuelle, ce qui implique donc un grand terrain.

Enfin, les coûts de fonctionnement sont extrêmement bas : de 0,3 à 0,6 centimes d'euros le kw par heure.

Schéma d'une installation-type de géothermie

Cette installation comprend :

• un puits de pompage,
• un puits de réinjection,
• des échangeurs pour prélever les calories
• un réseau de distribution.

Domaines d'applications

Chauffage de logements, de bâtiments (60 à 80°C), serres (30°C), piscicultures (30°C), élevages d'animaux, séchage de produis agricoles, mise hors gel des routes (serpentins d'eau chaude sous le bitume à 30°C), climatisation ou réfrigération... Plus de deux millions de pompes à chaleur géothermale sont utilisées dans 30 pays pour le chauffage et la climatisation de bâtiments.

La géothermie moyenne énergie

Elle exploite des gisements d'eau chaude sous pression dont la température est comprise entre 90° et 180°C. Ces gisements peuvent se trouver dans des contextes géologiques propres à des profondeurs inférieures à 1000 m ou bien dans les bassins sédimentaires entre 2000 et 4000 m.

Centrale géothermique, Philippine
Crédit : Testut, A. (UNESCO)

La géothermie haute énergie

Elle exploite des gisements de vapeur sèche ou humide (mélange eau + vapeur) à des températures supérieures à 150 °C, en général à des profondeurs de 1500 m à 3000 m dans des zones de volcanisme ou de frontières de plaques où la géothermie est particulièrement intense. Cette ressource peut parfois se trouver à quelques centaines de mètres dans les zones anomaliques (limites de plaques).
Par exemple, l'usine de Bouillante en Guadeloupe pompe l'eau et la vapeur chauffée à 240°C par le Volcan de la Soufrière pour produire de l'électricité.

Son principe est de prélever des eaux chauffées à grande profondeur soit directement dans une nappe, soit au travers de réseaux de failles où elles circulent naturellement, sans créer de nouvelles fractures. Les eaux prélevées, une fois refroidies, sont ensuite réinjectées. Ces eaux peuvent être utilisées soit pour la production d'électricité dans des centrales géothermiques où elles entraînent des turbines, soit pour la production d'électricité et de chaleur en cogénération, soit uniquement pour l'alimentation en chaleur.

Géothermie et gaz à effet de serre

Les centrales géothermiques émettent en moyenne 55g de CO2 par kWh, c'est dix fois moins qu'une centrale thermique fonctionnant au gaz naturel.
De plus, les installations modernes réinjectent les liquides géothermaux dans leurs réserves souterraines, ce qui réduit à 0 les émissions de CO2.