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La géothermie, une énergie verte négligée

Hellisheidi_Geothermal_Power_Plant Wikimedia

Souterraine, renouvelable et non intermittente, la géothermie est pourtant une énergie négligée. Son potentiel est considérable, mais son exploitation demande des investissements importants qui sont difficiles à rentabiliser.
Article publié dans le numéro 5 du magazine Transitions & Energies.

Renouvelable, continue et relativement discrète, la géothermie fait figure d’Arlésienne au sein des énergies renouvelables. Malgré son potentiel considérable et ses indéniables qualités, sa contribution à la production d’électricité et de chaleur dépasse rarement l’épaisseur du trait dans les graphiques. Pour la développer, il faudrait multiplier les explorations pour découvrir de nouveaux sites géologiques favorables et améliorer les techniques de forage et d’exploitation.

Potentiellement, la géothermie pourrait très largement couvrir tous les besoins énergétiques de l’humanité. Elle ne représente pas moins de 100 milliards de fois la consommation annuelle mondiale d’énergie. Pourtant, l’exploitation de cette ressource naturelle se révèle délicate et rarement viable économiquement. En effet, tout le problème réside dans la faible quantité moyenne de chaleur qui parvient à la surface terrestre alors même que la température est estimée à 4 000 °C à environ 3 000 km de profondeur, soit près de la moitié de son rayon (6 371 km).

Enfoui sous nos pieds depuis la création de la Terre, l’héritage géothermique représente un flux de chaleur d’environ 47 TW (térawatts) provenant de la chaleur résiduelle du cœur de la Terre. L’énergie géothermique provient en effet du lent refroidissement du centre de la Terre. Celle-ci s’est formée il y a 4,5 milliards d’années sous la forme d’un magma dont la température est estimée à 2 000 °C. Les premières roches apparaissent il y a 4 milliards d’années et les continents se forment un milliard d’années plus tard. Depuis, la Terre ne cesse de se refroidir, ce qui exclut l’hypothèse selon laquelle le réchauffement climatique actuel proviendrait de l’énergie thermique intérieure.

Dans la croûte terrestre, épaisse de 35 km en moyenne, la roche et l’eau restent chauffées, parfois jusqu’à 370 °C, par la chaleur provenant à la fois du noyau par conduction et, de 40 à 90 % suivant les estimations, de la désintégration des éléments radioactifs (potassium, uranium, thorium) présents dans le manteau. Ainsi, le total de 47 TW se décompose en 21 TW issus de la conduction et 26 TW émis par la décroissance radioactive.

Souterraine, renouvelable et pas intermittente

Mais au total, cette énergie reste très faible si on la compare aux 173 000 TW fournis à la Terre par les radiations solaires. De ce fait, la géothermie ne représente que 0,03 % dans le bilan énergétique de la planète. Ce sont ainsi 70,9 mW/m2 qui parviennent à la surface émergée de la croûte terrestre. Soit une très faible fraction des 168 W/m2 provenant du soleil. De plus, cette chaleur est très inégalement répartie à la surface de la Terre. Ses valeurs les plus élevées (450 mW/m2) se concentrent autour des dorsales océaniques des plaques tectoniques. Sur les premiers mètres de profondeur, l’énergie solaire joue également un rôle, car elle est transformée en chaleur lorsqu’elle est absorbée par la Terre avant d’être réémise sous forme de rayonnement infrarouge.

Malgré sa faible intensité locale, la géothermie présente d’intéressantes qualités. Elle est inépuisable à l’échelle humaine et renouvelable sous certaines précautions. Continue tout au long de la journée et de l’année, elle est insensible aux variations saisonnières et météorologiques qui rendent intermittents le solaire et l’éolien. Essentiellement souterraine, la géothermie est peu visible en surface. Écologique car elle produit peu de CO2, elle souffre néanmoins de certains inconvénients liés aux techniques de forage des puits : des tremblements de terre de faible intensité engendrés par la fracturation hydraulique des roches et des risques de pollution des nappes phréatiques.

Pour extraire la chaleur géothermique, il faut creuser à l’intérieur de la croûte terrestre. On peut alors faire circuler de l’eau qui se charge en calories en fonction de la profondeur. Sur les premiers mètres, la chaleur provenant essentiellement du soleil peut être suffisante pour un chauffage individuel à basse température. On est alors proche du phénomène de la cave dont la température varie peu avec les saisons. Un réseau de tuyaux enterrés permet de faire circuler de l’eau dont la température est inférieure à celle de l’air ambiant en été et supérieure en hiver. Une pompe à chaleur alimente alors les radiateurs ou le plancher chauffant d’une maison.

Exploitée dans 70 pays

En creusant plus profond, la température des roches augmente. De 25 à 30 °C par rapport à l’air ambiant pour chaque kilomètre de profondeur. Soit environ 300 °C à 10 km. Parfois, des failles dans la croûte terrestre font remonter de l’eau chaude naturellement à la surface. Ce phénomène est exploité depuis le paléolithique pour les bains et pour les thermes et le chauffage depuis les Romains. Le plus ancien site de chauffage urbain géothermique, celui de Chaudes-Aigues en France, date du XVe siècle. Aujourd’hui, la géothermie est exploitée pour capter la chaleur souterraine. Dans 70 pays, elle alimente des systèmes de chauffage, individuels ou urbains. Dans 25 pays, elle sert à produire de l’électricité. Parfois une cogénération permet d’exploiter à la fois production d’électricité et production de chaleur.

Depuis le début du xxe siècle, la production d’électricité géothermique s’est développée lentement après la construction du premier générateur d’énergie géothermique par le prince Piero Ginori Conti en 1904 à Larderello. En 1916, la centrale produit 2 750 kW d’électricité distribués dans les villages environnants. Il faut attendre ensuite 1958 pour voir la construction d’une autre centrale géothermique, en Nouvelle-Zélande, dont la production atteint 594 MW en 2012.

En 2019, selon l’Agence internationale pour les énergies renouvelables (Irena), la capacité de production d’électricité géothermique installée dans le monde ne dépasse pas les 14 GWe, soit une fraction de la contribution des énergies renouvelables. Ces dernières ne représentant elles-mêmes, que 6 à 7 % de la consommation mondiale.

Un potentiel considérable

Parallèlement, le potentiel de l’ensemble électricité et chauffage géothermiques est estimé entre 3 et 5 % de la demande mondiale d’énergie en 2050. Un chiffre qui pourrait atteindre les 10 % en 2100 grâce à des incitations économiques. C’est dire si la marge de progression est considérable. Le département de l’énergie américain (DOE) évalue ainsi le potentiel technique mondial de la géothermie entre 50 et 200 GW. Dans son étude intitulée GeoVision, mise à jour en juin 2019, le DOE estime que les améliorations des outils, des technologies et des méthodes d’exploration et d’exploitation au cours des prochaines années pourraient multiplier par un facteur 26 la production d’électricité géothermique d’ici à 2050. Avec 60 GWe contre 2,5 GWe aujourd’hui, les États Unis pourraient obtenir 8,7 % de leur électricité avec la géothermie. Un tel développement passe également par une « optimisation » des autorisations, en les alignant sur celles du pétrole et du gaz, qui, à elle seule, permettrait d’atteindre 13 GWe en 2050 contre 6 GWe si de telles mesures ne sont pas prises. Côté thermique, les estimations de la capacité installée dans le monde varie de 17 GWth pour le DOE à 50 GWth pour le World Energy Council.

L’exemple de la France illustre la lenteur de la progression de la géothermie. Ainsi, en 1985, à Soultz-sous-Forêts, une commune de 3 000 habitants dans le Bas-Rhin, commence une expérimentation qui conduit, en 2008, à la production de premiers kilowattheures. En 2016, le site laboratoire est transformé par Électricité de Strasbourg (ÉS), filiale d’EDF, en une centrale de géothermie profonde. Avec une capacité de 1,7 MW, elle peut produire 12 000 MWh par an, soit la consommation électrique de 2 400 logements. Trente ans de développement pour obtenir ce résultat… modeste. Aupara-vant, en 1986, EDF avait mis en service une centrale géothermique de 5 MW à Bouillante, en Guadeloupe, à 15 km du volcan de la Soufrière. Rachetée par le BRGM en 1995, puis par le groupe américain Ormat Technologie en 2016, l’installation dispose d’une puissance de 15 MW qui doit être portée à 45 MW en 2023. Ces deux centrales restent les seules à produire de l’électricité à partir de forages profonds sur le territoire français.

Multiplier les installations dites basse énergie

Cela place la France en 20e position dans le classement des 25 pays qui produisent de l’électricité géothermique dans le monde. Les cinq premiers étant les États-Unis, les Philippines, l’Indonésie, le Mexique et l’Italie. Si, avec une capacité installée de 3 000 MW, les États-Unis concentrent près de 30 % de la production géothermique mondiale, cette source ne représente que 0,3 % de sa production totale d’électricité. En re-vanche, elle atteint les 30 % en Islande et 27 % aux Philippines.

Plus simple à mettre en œuvre, la géothermie de surface se contente d’une exploitation directe de la chaleur de la Terre sur une profondeur qui ne dépasse pas les 800 mètres et qui reste limitée, le plus souvent, à moins de 200 mètres. La température géothermale reste inférieure à 30 °C. Sa captation fait appel à différentes techniques : exploitation d’une nappe d’eau souter-raine, sondes géothermiques verticales, réseau de tuyau hori-zontal sur une profondeur d’environ un mètre… Adaptées au chauffage d’une maison via une pompe à chaleur, ces méthodes ne permettent pas d’alimenter une ville ou un quartier. Pour cela, il faut passer à la géothermie basse énergie qui exploite des températures comprises entre 30 et 90 °C. Le Bassin parisien fournit un très bon exemple dans ce domaine. Son sous-sol est formé de couches sédimentaires et d’aquifères datant de 150 millions d’années dont le Dogger qui s’étend sur 15 000 m2 à 1 700 mètres de profondeur. La température y varie entre 55 et 85 °C et son exploitation permet d’alimenter en chauffage environ 500 000 habitants grâce à des réseaux de chaleur. La ville de Cachan a fait partie des pionnières dès le début des an-nées 1980. Rénové en 2018, son réseau de chaleur géother-mique s’est renforcé avec deux nouveaux forages à 1 600 mètres de profondeur afin de faire passer le débit d’eau chaude de 300 à 450 m3/h. D’où une puissance installée de 15 MW.

Le gouvernement français considère que le potentiel de la géothermie reste « peu exploité à ce jour ». Fin 2016, il a accordé 17 permis exclusifs de recherche de « gîtes géothermiques » auxquels se sont ajoutées sept demandes de permis qui sont en cours d’instruction.

La course à l’énergie verte et discrète pourrait favoriser la géothermie au cours des prochaines décennies. Pour produire un GW d’électricité, une centrale géothermique occupe un terrain de 3,5 km2, contre 32 km2 pour une centrale au char-bon et 12 km2 pour une ferme éolienne de même capacité. Il reste toutefois à améliorer les techniques de forage afin de li-miter les séismes et les risques de pollution de l’eau. En faisant oublier l’association entre exploitation du gaz de schiste et géothermie en raison d’un même recours à la fracturation hydraulique. Si la production d’électricité se prête ainsi à la critique éco-logique, ce n’est pas le cas avec la géothermie de surface. Rien n’empêche la plupart des maisons individuelles de s’équiper d’un réseau de captation sous leur jardin. Il suffit de disposer d’une surface extérieure deux fois supérieure à celle de l’habi-tation. Un jardin de 200 m2 pour une maison de 100 m2, cela ne paraît pas inaccessible, d’autant que des aides de l’État ré-duisent sensiblement l’investissement initial. Ainsi, si discrète soit-elle aujourd’hui, l’exploitation de la chaleur de la Terre n’a peut-être pas dit son dernier mot…

Michel Alberganti

 

 

Une énergie renouvelable, jusqu’à un certain point et verte, malgré certains inconvénients

Contrairement à l’énergie solaire, la géothermie fournit une quantité de chaleur qui peut diminuer si son exploitation dépasse son potentiel de renouvellement. En effet, malgré l’énormité de l’énergie émise par le cœur de la Terre, la répartition de sa diffusion à la surface de la planète introduit un risque d’un épuisement local. Cela se produit lorsqu’une exploitation géothermique extrait trop de chaleur et d’eau par rapport à la capacité de renouvellement de cette énergie.

Les plus anciens sites, Lardarello en Italie (1913), Wairakei en Nouvelle-Zélande (1958) et Les Geysers en Californie (1960) ont montré qu’une réduction de l’intensité de captation de l’énergie géothermique ou le forage de puits additionnels permettait de reconstituer son potentiel. Ainsi, la centrale électrique de Wairakei a atteint un pic de 173 MW en 1965 avant de tomber à 150 MW au début du XXIe siècle. Sur le plan écologique, la géothermie n’émet que 122 kg de CO2 par MWh d’électricité contre 777 kg avec le pétrole et 986 kg avec le charbon. En revanche, les gaz émis par la Terre sont également chargés en sulfure d’hydrogène, en méthane et en ammoniac. L’eau chaude récupérée peut également contenir du mercure, de l’arsenic, du bore et de l’antimoine. La réinjection dans le sol évite la dispersion de ces polluants. La production d’électricité par géothermie consomme peu d’eau, 20 litres par MWh contre plus de 1 000 litres avec le nucléaire, le charbon ou le pétrole. Enfin, la fracturation hydraulique utilisée pour les forages engendre des séismes dont la plupart ne dépassent pas 2 sur l’échelle de Richter.

Néanmoins, un projet de centrale à Bâle, en Suisse, a été interrompu en 2006 en raison d’un séisme de magnitude 3,6 lors du forage à 5 km de profondeur. Fermé définitivement en 2011, le puits a continué à provoquer des séismes et il a été rouvert en 2017 pour faire baisser la pression. Au Canada, en août 2014, un séisme de magnitude 4,4 sur l’échelle de Richter a été attribué à la fracturation hydraulique pratiquée par une installation géothermique de Progress Energy, filiale de Petronas. Un phénomène également présent, avec la même intensité, près de San Francisco.

 

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