La géothermie et les techniques d’exploitation

1. La géothermie c’est quoi ?

La géothermie désigne à la fois, la science qui étude les phénomènes d’échanges thermiques au sein de la Terre, et les technologies industrielles d’exploitation de l’énergie du sous-sol à des fins de production de chaleur et/ou d’électricité. La géothermie fait ainsi appel à des ressources renouvelables : les calories du sous-sol.

La géothermie permet de produire une énergie renouvelable qui n’engendre que peu de gaz à effet de serre. Cette énergie est locale et disponible quelles que soient les conditions météorologiques. Elle est relativement discrète, avec un forage peu visible une fois terminé, et peu d’installations de surface (Sauf dans le cas d’une centrale géothermique).

Plusieurs terminologies existent dans l’état de l’art pour caractériser la géothermie, selon la technologie utilisée, la profondeur de la ressource et l’usage. On trouvera ainsi dans la littérature, la notion de :

• Géothermie de surface, qui concernera les puits d’une profondeur inférieure à 200 m, de température de la ressource inférieure à 30 °C avec un usage principalement pour le chauffage et/ou la climatisation de bâtiments. Dans cette catégorie, on pourra également parler de géothermie très basse énergie.
• Géothermie profonde, qui concernera les puits d’une profondeur supérieure à 200 m, de température de la ressource supérieure à 30 °C. Jusqu’à 90 °C, l’usage sera lié à l’alimentation de réseau de chaleur, dans l’utilisation d’un process industriel ou la production d’eau chaude sanitaire. À partir de 150 °C, elle pourra permettre la production d’électricité (géothermie électrogène). Dans cette catégorie, on pourra également parler de géothermie basse énergie ou haute énergie.

L’énergie exploitable est fonction du gradient géothermique qui est l’évolution de la température dans le sous-sol en fonction de la profondeur. Dans le Massif Central ou en Limagne, ce gradient peut atteindre 5 °C par tranche de 100 m de terrain. Ainsi, à 1000 m de profondeur la température des horizons sera d’environ 60 °C, à 3 000 m elle sera de l’ordre à plus de 150 °C.

Les différents contextes géologiques de la région Auvergne-Rhône-Alpes présentent des potentiels à valoriser en fonction des besoins correspondants en surface, notamment en zone urbaine. Ainsi, la géothermie de surface est présente dans les zones alluviales et continue de se développer, notamment dans les secteurs métropolitains lyonnais et grenoblois. La géothermie profonde présente un potentiel important, notamment dans le massif central.

La Guadeloupe et l’Alsace sont deux régions françaises disposant d’installations de production d’électricité à partir de l’énergie du sous-sol (usine de Bouillante, site expérimental de Soultz-sous-Forêts, installation industrielle de Rittershoffen).

2. Les techniques d’exploitation

Il existe principalement deux techniques d’exploitation de la ressource :

• Via des échangeurs fermés : c’est la géothermie sur sonde. Il s’agit d’un circuit fermé qui permet un échange de calories avec le sol et un fluide dans des sondes verticales ou inclinées.

• Via des échangeurs ouverts : c’est la géothermie sur nappe. Il s’agit d’un circuit ouvert, dans lequel l’eau de la nappe est pompée dans un ouvrage de captage, puis rejetée dans la même nappe par un ouvrage de rejet. L’eau pompée circule dans un circuit séparé, où elle cédera ses calories à un autre fluide caloporteur présent dans un second circuit.

En général, pour les besoins de chauffage et/ou de climatisation de bâtiments (tertiaires ou résidentiels), il sera nécessaire de faire appel à des pompes à chaleurs (PAC) ou thermofrigopompes (TFP), capables d’élever ou abaisser les calories prélevées dans la ressource. Ces PAC ou TFP requièrent de l’énergie électrique pour leurs fonctionnements. Par exemple, 1 kW électrique est suffisant pour produire 4 kW thermiques (chaleur). C’est le coefficient de performance (COP) de ces dispositifs, qui varie d’un appareil à un autre (paramètre constructeur).

Dans certains cas, le fluide caloporteur, après échange thermique, circule directement dans le réseau du bâtiment, sans passer par une PAC ou une TFP. Cette technique est utilisée notamment en intersaison, pour du rafraîchissement de bâtiment. C’est le principe de « géocooling ».