Géothermie

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La géothermie est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre. C'est aussi l'ensemble des applications techniques qui permettent d'exploiter les sources d'énergie géothermique. Dans le langage courant, la géothermie désigne parfois abusivement la technologie de pompe à chaleur géothermique, qui utilise la chaleur contenue dans le sol pour chauffer une habitation

L'énergie géothermique est exploitée dans des réseaux de chauffage et d'eau chaude depuis des milliers d'années en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin méditerranéen. Actuellement, la géothermie est soit directement exploitée comme source de chaleur, soit elle sert indirectement à la production d'électricité.

Sommaire

1 Le principe de la géothermie
2 Géothermie haute énergie
- 2.1 Description
- 2.2 Installations dans le monde
3 Géothermie basse énergie
4 Géothermie très basse énergie
5 Voir Aussi
- 5.1 Liens internes
- 5.2 Liens externes

[modifier] Le principe de la géothermie

Le principe consiste à extraire l’énergie géothermique contenue dans le sol pour l’utiliser sous forme de chauffage ou pour la transformer en électricité. Il existe un flux géothermique naturel à la surface du globe, mais il est si faible qu'il ne peut être directement capté. En réalité on exploite la chaleur accumulée, stockée dans certaines parties du sous-sol (nappes d'eau) en faisant un ou plusieurs forages, plus ou moins profond(s) selon la température désirée ou le gradient thermique local.

[modifier] Le gradient thermique :

Plus l'on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l'augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Il peut varier de 3 °C par 100 m (régions sédimentaires) jusqu’à 15°C ou même 30°C (régions volcaniques, zones de rift comme en Islande ou en Nouvelle-Zélande). La plus grande partie de la chaleur de la Terre est produite par la radioactivité naturelle des roches qui constituent la croûte terrestre : c'est l'énergie nucléaire produite par la désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium.

[modifier] Les 3 types de géothermie :

On distingue classiquement trois types de géothermie selon le niveau de température disponible à l'exploitation :

la géothermie privilégiée avec des sources hydrothermales très chaudes, ou forage très profond. Principale utilisation : la production d'électricité.
la géothermie de basse énergie : géothermie des nappes profondes (entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres) aux températures situées entre 30 et 100°C. Principale utilisation : les réseaux de chauffage urbain.
la géothermie de très basse énergie : géothermie des faibles profondeurs aux niveaux de température compris entre 10 et 30°C. Principales utilisations : le chauffage et la climatisation individuelle par dispositifs thermodynamiques généralement fonctionnant à l'électricité , d'où le terme barbare électro-thermodynamique, appelés plus communément Pompes à chaleurs Aérothermique (puisant dans l'air extérieur) et pompe à chaleur géothermique (puisant dans la terre ou l'eau à faible profondeur) beaucoup plus performantes que les premières.

Par rapport à d’autres énergies renouvelables, la géothermie de profondeur (haute et basse énergie), présente l’avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent). C’est donc une source d'énergie quasi-continue car elle est interrompue uniquement par des opérations de maintenance sur la centrale géothermique ou le réseau de distribution de l'énergie. Les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs dizaines d'années (30 à 50 ans en moyenne).

Dès 1973, B. Lindal avait synthétisé dans un tableau les applications possibles de la géothermie. En voici une version francisée.

B. Lindal les différentes application de la géothermie

[modifier] Le « doublet géothermique » :

Plusieurs schémas d’installation existent :

forage unique : un ou plusieurs forages de pompage sans forage de réinjection
doublet : un ou plusieurs forages de pompage et un ou plusieurs forages de réinjection
- doublet non réversible : chaque forage fonctionne toujours en pompage ou en injection
- doublet réversible : chaque forage fonctionne alternativement en pompage et en injection

En général le principe du « doublet géothermique » est retenu pour augmenter la durée de vie de l'exploitation de la nappe phréatique dans laquelle on puise l'eau chaude. Le principe est de faire deux forages : le premier pour puiser l'eau, le second pour la réinjecter dans la nappe. Les forages peuvent être éloignés l'un de l'autre (un à chaque extrémité de la nappe pour induire un mouvement de circulation d'eau dans la nappe, mais ce n'est pas pratique d'un point de vue de l'entretien) ou rapprochés de quelques mètres mais avec des forages obliques (toujours dans le but d'éloigner les points de ponction et de réinjection de l'eau).

[modifier] Géothermie haute énergie

[modifier] Description

Champ d'essais géothermiques au Tibet

La géothermie haute énergie, ou géothermie profonde, appelée plus rarement géothermie haute température, ou géothermie haute enthalpie, est une source d'énergie contenue dans des réservoirs localisés à plus de 1500 mètres de profondeur et dont la température est supérieure à 80°C. Grâce aux températures élevées, il est possible de produire de l'électricité et de faire de la cogénération (production conjointe d'électricité grâce à des turbines à vapeur et de chaleur avec la récupération des condensats de la vapeur).

Centrale géothermique en Islande

Plus l'on fore profond dans la croûte terrestre, plus la température augmente. En moyenne, l'augmentation de température atteint 20 à 30 degrés par kilomètre. Ce gradient thermique dépend beaucoup de la région du globe considérée. Les zones où les températures sont beaucoup plus fortes, appelées anomalies de température, peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés pour de faibles profondeurs. Ces anomalies sont observées le plus souvent dans les régions volcaniques. En géothermie, elles sont désignées comme des gisements de haute enthalpie, et utilisées pour fournir de l'énergie, la température élevée du gisement (entre 80°C et 300°C) permettant la production d'électricité.

L'exploitation de la chaleur provenant de la géothermie haute énergie est ancienne. Les bains dans des sources chaudes étaient déjà pratiqués dans l'Antiquité dans de nombreuses régions du monde. C'est au début du siècle qu'une centrale géothermique de production d'électricité a été pour la première fois réalisée à Larderello (Italie). La géothermie haute température connaît actuellement un renouveau important, notamment parce que la protection contre la corrosion et les techniques de forage se sont fortement améliorées.

De nouvelles applications technologiques sont envisageables pour récupérer la chaleur de la Terre. La cogénération permet déjà de combiner la production de chaleur et d'électricité sur une même unité, et augmente ainsi le rendement de l'installation. Un projet européen de géothermie profonde à Soultz-sous-Forêts vise à produire de l’électricité grâce au potentiel énergétique des roches chaudes fissurées (en anglais Hot Dry Rock).[1]

[modifier] Installations dans le monde

Capacité géothermique installée (2002)
Région du monde	MWe
Asie	3 220
Amérique du Nord	2 971
Union européenne	883
Océanie	441
Amériques centrale et du Sud	416
Autres pays d'Europe	297
Afrique	128

Total mondial	8 536
Source : EurObserv'ER, août 2003

La géothermie est la source d'énergie principale de l'Islande. Il existe trois centrales électriques importantes qui fournissent environ 17% (2004) de la production d'électricité du pays. De plus, la chaleur géothermique fournit le chauffage et l'eau chaude d'environ 87% des habitants de l'île.

L'une des sources géothermiques les plus importantes est située aux États-Unis. The Geysers, à environ 145 km au nord de San Francisco, démarra la production en 1960 et dispose d'une puissance de 2000 mégawatt électrique. Au sud de la Californie, près de Niland et Calipatria, une quinzaine de centrales électriques produisent environ 570 mégawatt électrique.

La géothermie est particulièrement rentable dans la zone du Rift en Afrique. Trois centrales ont récemment été construites au Kenya, respectivement de 45 MW, 65 MW et 48 MW. La planification prévoit d'augmenter la production de 576 MW en 2017, couvrant 25% des besoin du Kenya, et réduisant ainsi la dépendance du pays aux importations de pétrole.

En Guadeloupe, la seule référence française en matière de géothermie haute température se situe à Bouillante, non loin du volcan guadeloupéen de la Soufrière. Il a été réalisé en 1984 un premier forage d’une profondeur de 300 m sur la base duquel l’installation d’une centrale de 5 MW a été décidée. Très proches de ce site, trois nouveaux puits de production plus profonds (1 km en moyenne) ont été mis en service en 2001 et une centrale, construite en 2003 (Bouillante 2), a permis de mettre en production, à fin 2004, 11 MW supplémentaires. Ce nouvel apport d'énergie couvre environ 10% des besoins annuels en électricité de l'île.

En France métropolitaine, on fore actuellement à grande profondeur (de l'ordre de 5 000 m à Soultz-sous-Forêts [2] ) dans des « roches chaudes sèches » où de l'eau est injectée ; on crée ainsi un échangeur thermique.

En Allemagne, une centrale utilisant la géothermie de 3,4 Mégawatt, devrait fonctionner à Unterhaching près de Munich à partir de 2007, et produire en cogénération de la chaleur et de l'électricité. Le forage a atteint 3350 mètres de profondeur, et 150 litres d'eau jaillissent par seconde à une température de 122 °C. [3]

L'électricité est produite à partir de la géothermie dans plus de 20 pays dans le monde : la Chine, l'Islande, les États-Unis, l'Italie, la France, l'Allemagne, la Nouvelle-Zélande, le Mexique, le Nicaragua, le Costa Rica, la Russie, les Philippines, l'Indonésie, le Japon et le Canada.

[modifier] Géothermie basse énergie

On parle de « géothermie basse énergie » lorsque le forage permet d'atteindre une température de l'eau entre 30°C et 100°C dans des gisements situés entre 1500 et 2500 m de profondeur. Cette technologie est utilisée principalement pour le chauffage urbain collectif par réseau de chaleur, et certaines applications industrielles.

En France, un réseau de chauffage urbain situé en région parisienne utilise la géothermie basse énergie. Les installations de pompes à chaleur sur nappe continuent à se développer en région parisienne car elles correspondent à des techniques de chauffage et de refroidissement particulièrement bien adaptées aux secteurs tertiaire et résidentiel.

Une centrale géothermique fonctionnant sur le principe du doublet a été mise en service en 1994 à Riehen en Suisse, pour le chauffage des immeubles locaux. Depuis décembre 2000, une partie de la chaleur produite est exportée en Allemagne et approvisionne ainsi un quartier de la ville voisine de Lörrach. L'agrandissement a provoqué un mini tremblement de terre en décembre 2006.

La production de chaleur au moyen d’une PAC sur nappe, repose sur le prélèvement et le transfert de calories contenues dans l’eau souterraine vers les locaux à chauffer. Par ailleurs, une PAC peut assurer simultanément et/ou successivement des besoins en chauffage et/ou climatisation / rafraîchissement. cette catégorie est tout de même , d'un point de vue technicien et d'investissement financier plus de la famille des géothermies de très basse énergie.

[modifier] Géothermie très basse énergie

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La géothermie très basse énergie est une géothermie au niveau des températures comprises entre 10 et 30°C. Dans ce cas, la chaleur provient non pas des profondeurs de la croûte terrestre, mais du soleil et du ruissellement de l'eau de pluie, le sol du terrain jouant un rôle d'inertie thermique. Cette technologie est appliquée à :

la climatisation passive avec par exemple le système du puits provençal,
le chauffage et la climatisation avec la pompe à chaleur géothermique

Ces systèmes permettent, de faire actuellement des économies financières très importantes sur des habitations individuelles, et ce, tant que les prix de l'électricité restent relativement bas. Ce qui ne semble pas a priori, aller dans la logique actuelle de dérégularisation totale du marché de l'électricité. L'ouverture totale du marché de l'électricité, dans tous les pays l'ayant mise en application, semble s'être toujours soldée d'une forte augmentation du prix de l'électricité tant au niveau des gros consommateurs industriels (en France, depuis l'ouverture du marché de l'électricité pour les entreprises en juillet 2004, les prix ont augmentés près de 36 % en deux ans et inquiète désormais les gros consommateurs d’électricité industriels qui ont exercé leur éligibilité, par exemple dans les secteurs de la métallurgie ou de la chimie, source : ministère de l'industrie, DGEMP, 22/06/2004) qu'au niveau des particuliers.

Dans certains cas une pompe à chaleur couplée avec une isolation par l'extérieur (bien plus performante que par l'intérieur) permet de diviser la facture de chauffage par dix au lieu de trois. Ce qui démontre bien l'utilité de bien isoler et concevoir l'orientation de votre maison en premier lieu, ou le cas échéant de l'améliorer, afin de pouvoir mieux recadrer la question et le choix du mode de chauffage à faire. Et c'est seulement après une démarche de réduction du besoin (dite Négawatt) que vous aurez le plus d'éléments de jugements.

Du point de vue du budget d'investissement, les pompes à chaleur, installées à plus de 90% dans du neuf (sources : Ademe , Sofath ) n'entrent pas en concurrence avec le chauffage électrique par effets joules (résistance électrique), mais plutôt avec tout les autres véritables moyens éconologiques (solaire actif, bois énergie, mais avant tout les architectures climatique et bioclimatique).

Ceci fait que la quasi totalité des nouvelles PAC installées, génère de nouveaux besoins saisonniers en électricité, qui à leur tour, face au manque de réactivité des centrales nucléaires (et au seuil de rentabilité de ces dernières), mais aussi à l'incapacité de développer d'avantage l'énergie hydraulique qui est à quasi saturation, ne peuvent être couverts que par de nouvelles centrales thermiques (fioul , gaz, et charbon dans certains pays).

De leur coté les nouveaux et bienvenus parcs éolien ou photo-voltaïque ayant quant à eux la malchance de produire de manière aléatoire, ne peuvent pas dispenser les organismes régulateurs de la distribution d'électricité (RTE pour la France) de planifier inexorablement les nouvelles centrales électrique thermiques. D'ailleurs ils sont encore tellement peu représentatifs à ce jour qu'ils ne devraient être qu'exclusivement consacrés aux usages dits "spécifiques" de l'électricité (c'est à dire, auxquels on ne peut répondre qu'avec de l'électricité) et dont le chauffage, la production d'eau chaude, la cuisson, le rafraîchissement ne font absolument pas partie.

Il ne faut pas perdre de vue que l'augmentation du nombre de moyens de production est un facteur incitant d'avantage à la sur-consommation et aux gaspillages.

Les nouveaux besoins saisonniers liés aux PAC qui ne peuvent donc que dépendre de plus en plus d'une production d'électricité d'origine thermique (fossile), dépendent aussi de centrales de productions d'électricité et d'un réseau de distribution dont le rendement global varie entre 25% et 30%. Ce qui fait qu'un kW/h d'électricité pour alimenter une PAC qui à son tour générera entre 2 et 4 kW/h de chauffage (selon le niveau de performance du modèle et la saison), engendre 3 à 4 kW/h de consommation d'énergie non renouvelable et polluante en amont de la centrale. Soit au final quelque chose de guère plus performant qu'une chaudière à combustible fossile mais au coût d'investissement comparable ou supérieur à d'autres systèmes de production de chaleur réellement éconologique.

La relative excellente performance des pompes à chaleur se retrouve donc fortement amputée par la totale inefficacité de tout ce qui se trouve en amont du compteur électrique de l'utilisateur.

On peut donc dans l'état actuel des choses, parler de déplacement du problème, tant géographiquement que chronologiquement.

La pompe à chaleur devrait probablement chercher à muter vers un fonctionnement à partir de moteur thermique, pouvant utiliser des combustibles issus de la biomasse (biogaz par exemple), et ce évidemment pour des raisons d'économie d'échelle, dans des grands ensembles, permettant ainsi de localiser la production proche des lieu d'utilisation et d'augmenter les potentiels de production d'énergies renouvelables locales tout en évitant d'amplifier les problèmes actuels en amont du compteur électrique.

Par ailleurs, l'habitat individuel fourmille de bon nombre d'alternatives au chauffage, des alternatives de bon sens oubliés depuis l'époque bientôt révolue des énergies polluantes bon marché, des alternatives perfectionnées depuis par bon nombre de consom'acteurs passionnés.