SCHEMA REGIONAL DE DEVELOPPEMENT ECONOMIQUE. Rapport de la mission d enquête sur la géothermie en Nord-Pas de Calais

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1 SCHEMA REGIONAL DE DEVELOPPEMENT ECONOMIQUE Rapport de la mission d enquête sur la géothermie en Nord-Pas de Calais 1 er décembre 2014

2 SYNTHESE L exploitation thermique du sous-sol peut être classée en trois principales catégories selon la température du fluide extrait. Ces trois catégories ont chacune leurs spécificités techniques et permettent des usages différents : La géothermie «très basse énergie» pour laquelle le fluide géothermal exploité présente une température inférieure à 30 C. Ce type de géothermie nécessite des forages peu profonds (inférieurs à 200 mètres) qui sont des forages d eau ou des sondes géothermiques verticales. Cette géothermie est adaptée à la production de chaleur assistée par une pompe à chaleur pour des émetteurs de basse température (bâtiment récent ou rénové) et de froid (assistés ou non par une machine thermodynamique). Ce type de solution est adapté à l échelle de l habitat individuel, du bâtiment collectif de logements ou tertiaire ou de petits aménagements urbains ; La géothermie «basse énergie» où le fluide exploité présente une température comprise entre 30 et 100 C. Ce type de géothermie nécessite des forages profonds ( m) exploités généralement en doublets (un forage de pompage et un d injection). Ces forages sont destinés à produire directement (sans énergie intermédiaire) de la chaleur pour alimenter un réseau développé à l échelle de grands aménagements. Ce type de géothermie peut fonctionner pour de l habitat ancien ou récent si la température du fluide prélevé est suffisamment élevée. Des usages industriels sont envisageables également ; La géothermie «moyenne et haute énergie» où le fluide exploité est à une température d au moins 100 C pour la moyenne énergie et 200 C pour la haute énergie. Ce type de géothermie permet la production d électricité directement (haute énergie) ou par l intermédiaire d un fluide secondaire (cycle ORC). Dans le Nord-Pas de Calais, seule la géothermie moyenne énergie est éventuellement envisageable. La géothermie en France est spécifiquement encadrée par des procédures du Code de l Environnement et/ou du Code Minier destinées entre autres à s assurer du respect de la préservation de l environnement. Par ailleurs, l expérience en France de l utilisation des ressources thermiques profondes du sous-sol, et particulièrement en Ile-de-France, indique que les techniques de forage utilisées en géothermie sont maîtrisées. La géothermie est une ressource énergétique renouvelable qui présente l avantage d être disponible en continu indépendamment des saisons. Les différentes expériences de géothermie «très basse» ou «basse énergie» qui ont été examinées lors de cette mission montrent que la géothermie, de par ses caractéristiques, conduit à penser la production d énergie thermique autrement en imaginant les bâtiments non pas comme de simples consommateurs mais également comme des producteurs. Cette conception, rendue possible par la mise en place d une boucle d eau entre besoins complémentaires, permet de solliciter au minimum la ressource et ce pour assurer une performance optimale de l installation à l échelle de l aménagement couvert par un réseau. Le contexte géologique de la région Nord-Pas de Calais est plutôt favorable au développement de solutions de géothermie. Concernant la géothermie «très basse énergie», la région présente des aquifères superficiels très productifs et étendus sur le territoire. Le potentiel thermique des aquifères superficiels est bien connu et a déjà fait l objet d une cartographie de potentiel par le BRGM. Les anciennes galeries minières sont également potentiellement exploitables, essentiellement comme réserve d eau à usage de «stockage thermique» à l image de ce qui a été développé sur la commune de Heerlen. La réalisation de réseaux «intelligents» fonctionnant à basse température permette d envisager cette exploitation : le réseau n est plus constitué d un point de production et de points multiple de consommation mais chaque bâtiment peut être successivement un consommateur et un producteur d énergie. Le potentiel de géothermie «basse énergie» de l aquifère du dinantien n est pas encore prouvé par des forages sur le territoire de la région mais les études menées par l université de Mons sur le territoire belge montrent que les conditions géothermiques favorables de ce réservoir seraient également extrapolables sur le territoire de la région Nord-Pas de Calais. En effet, l aquifère visé est transfrontalier et s étend vers le Valenciennois et le Douaisis avec les mêmes caractéristiques que du côté belge où il est exploité pour alimenter des réseaux de chaleur. Ainsi, à des profondeurs de à m, des températures inférieures à 100 C peuvent être attendues et rendre possible l utilisation du fluide géothermique pour la production directe de chaleur. 01/12/14 Page : 2/53

3 Concernant la géothermie moyenne énergie, les études engagées par le gouvernement Wallon semblent indiquer une ressource potentiellement exploitable dans les calcaires givétiens situés vers m de profondeur. Le potentiel de cette ressource est qualifié de «probable» dans le secteur frontalier avec la France. Une exploitation de cette ressource serait donc éventuellement envisageable. Par ailleurs, la région Nord-Pas de Calais est dense et fortement peuplée. Les secteurs principaux de localisation de la population coïncident plutôt bien avec les secteurs géologiques favorables. Ainsi, la région présente un potentiel intéressant en termes adéquation besoin-ressource qui est favorable au développement des différents types de géothermie. Les perspectives de développement de la géothermie actuellement proposées dans le SRCAE sont cohérentes avec les objectifs nationaux du développement de la géothermie issus du Grenelle de l environnement. L examen sommaire des caractéristiques du territoire montre en tout cas que l adéquation besoin-ressource n est pas un frein au développement de la géothermie. Si on ajoute un développement de réseau de chaleur tous les 5 ans aux perspectives de développement de la géothermie basse énergie on peut imaginer atteindre les taux de production d énergie géothermie suivants : 720 GWh/an en 2020, soit une multiplication par 6 de la production géothermique actuelle, l équivalent de l énergie fournie par tonnes de pétrole (avec le ratio 1 tep = KWh), la réduction de tonnes d équivalents CO2 1 ; GWh/an en 2050 soit une multiplication par 28 de la production géothermique actuelle, l équivalent de l énergie fournie par tonnes de pétrole, ou encore la réduction de tonnes d équivalents CO2. Du point de vue économique et afin de fixer des ordres de grandeur, l installation de systèmes de géothermie «très basse énergie» pour des projets assez conséquents est susceptible de coûter entre à euros HT/kW installés (forages + connections + PAC). Pour un projet pilote de réseau de chaleur géothermique «basse énergie», l investissement en travaux est estimé à 40 M HT environ pour une durée de montage du projet de l ordre de 5-6 ans. Ainsi, en prenant en compte ces ratios, les développements prévus aux points précédents pour la géothermie en Nord-Pas de Calais représentent des investissements : Géothermie très basse température o 330 M HT à 825 M HT en 2020, o M HT à M HT en Géothermie basse température : o 35 à 45 M HT en 2020, o 245 à 315 M HT en Les perspectives de développement de la géothermie dans la région pourraient conduire de manière indicative à la création entre 2020 et 2050 d environ 600 à 750 équivalents temps plein de manière pérenne. Ces postes seraient pour une bonne partie des emplois locaux qualifiés 1 Sur la base du ratio d émissions par unité d énergie consommée dans le secteur résidentiel 01/12/14 Page : 3/53

4 SOMMAIRE 1. INTRODUCTION INTRODUCTION A LA GEOTHERMIE La géothermie et ses différentes filières Principales caractéristiques de la géothermie au regard des autres énergies La géothermie très basse énergie La géothermie basse énergie La géothermie moyenne et haute énergie Etat de développement de la géothermie en France et dans le Monde Aspects environnementaux et réglementaire Gestion des risques Dispositions réglementaires propres à l exploitation du sous-sol à usage géothermique Dispositifs réglementaires propres à la géothermie «très basse énergie» considérée «de minime importance» Dispositifs réglementaires propres à la géothermie «basse énergie» LA RESSOURCE ET LES BESOINS Caractérisation du potentiel La géothermie très basse énergie La géothermie sur eaux de mines La basse énergie La haute et moyenne énergie Caractérisation des besoins Synthèse : mise en perspective ressources et besoins CONDITIONS TECHNICO-ECONOMIQUES DU DEVELOPPEMENT DE SOLUTIONS DE GEOTHERMIE Etapes clés et planning de montage d une opération de géothermie Données économiques et contractuelles Géothermie très basse énergie Géothermie basse énergie Financements : aides mobilisables La couverture du risque géologique Activités et emplois RETOURS D EXPERIENCES SUR DES PROJETS EUROPEENS Exploitation des eaux de mines et réseau de chaleur «intelligent» : l exemple de Heerlen Géothermie basse température : les exemples de Mons et de l Ile de France La géothermie profonde en Ile-de-France : l exemple du réseau de la SEMHACH Exemples wallons Géothermie haute température : l exemple du projet à Mol CONCLUSIONS Synthèse des conditions à réunir pour permettre l exploitation de la géothermie Propositions de pistes d action pour les différentes filières ANNEXES... ERREUR! SIGNET NON DEFINI. 01/12/14 Page : 4/53

5 TABLEAUX Tableau 1 : les différents types de géothermie et leurs usages Tableau 2 : risques géothermique et moyens de prévention Tableau 3 : durées indicatives nécessaires au montage d un projet de géothermie très basse énergie et de basse énergie Tableau 4 : chiffre d affaire et emplois directs géothermie en France /12/14 Page : 5/53

6 FIGURES Figure 1 : gradient géothermique moyen Figure 2 : les différents types de géothermie et leurs moyens d exploitation Figure 3 : schéma de principe de la boucle froide Figure 4 : puissance thermique installée par région pour la géothermie assistée par PAC (très basse énergie) en Figure 5 : tubage cimenté pour un forage en Ile-de-France Figure 6 : cartographie du potentiel géothermique de très basse énergie en région Nord-Pas de Calais Figure 7 : bassin minier du Nord-Pas de Calais et compagnies minières Figure 8 : piézométrie calculée dans le houiller en Figure 9 : indices de perméabilité des roches source : service de géologie fondamentale et appliquée de l Université de Mons Figure 10 : gradient géothermique à Saint Ghislain source : service de géologie fondamentale et appliquée de l Université de Mons Figure 11 : modélisation de boucles de convection dans une couche inclinée perméable source : service de géologie fondamentale et appliquée de l Université de Mons Figure 12 : température de l eau de l aquifère Dinantien sub-affleurant source : service de géologie fondamentale et appliquée de l Université de Mons Figure 13 : carte des zones d intérêts géothermique en Wallonie pour la grande profondeur ( m) Figure 14 : répartition des consommations d énergie source : SRCAE Nord-Pas de Calais Figure 15 : consommations d énergie pour le chauffage dans le secteur résidentiel pour le département du Pas de Calais source : Equitée Figure 16 : consommations d énergie pour le chauffage dans le secteur résidentiel pour le département du Nord source : Equitée Figure 17 : performance énergétique des logements dans les départements du Pas de Calais et du Nord source Equitée Figure 18 : densité de population en Nord-Pas de Calais Figure 19 : bassins possibles de développement des différents types de géothermie sur le Nord-Pas de Calais en fonction des ressources et des besoins Figure 20 : modèle d écoulement du réservoir dans la première version du projet Minewater à Heerlen Figure 21 : des réseaux de chaleur géothermiques en Ile-de-France et des zones au potentiel intéressants 48 Figure 22 : carte du réseau actuel de la SEMHACH /12/14 Page : 6/53

7 Liste des acronymes utilisés dans le rapport : SRDE : schéma régional de développement économique SRCAE : schéma régional climat air énergie SRADDT : schéma régional d aménagement et de développement durable du territoire EnR (&R) : énergies renouvelables (et de récupération) PAC : pompe à chaleur COP : coefficient de performance GES : gaz à effet de serre SRCAE : schéma régional du climat, de l air et de l énergie ORC : organic Rankin cycle HDR : hot dry rock EGS : enhanced geothermal system AFPG : association française des professionnels de la géothermie ICPE : installation classées pour la protection de l environnement SGV : sonde géothermique verticale DRIEE : direction régionale et interdépartementale de l'environnement et de l'énergie AFNOR : association française de normalisation CODERST : conseil de l environnement et des risques sanitaires et technologiques RT 2012 : réglementation thermique 2012 VRD : voirie et réseaux divers 01/12/14 Page : 7/53

8 1. INTRODUCTION Ce document présente une synthèse de la mission d enquête sur la géothermie en Nord-Pas de Calais réalisée entre mai et juillet 2014 et de ses enseignements. Cette mission s inscrit dans le cadre du Schéma Régional de Développement Economique (SRDE) de la région pour appuyer la stratégie de lutte et d adaptation face au changement climatique. En effet, les objectifs déclinés dans le Schéma Régional Climat Air Energie (SRCAE) et dans la stratégie régionale pour le climat adossée au Schéma Régional d Aménagement et de Développement Durable du Territoire (SRADDT) ne pourront être atteints qu en permettant le développement des énergies renouvelables locales. L exploitation du gisement géothermique de la région est l un des axes de se développement. Cette mission avait pour objectifs de : faire l état des lieux des connaissances actuelles sur la géothermie et notamment des informations existantes sur le potentiel géothermique régional ; permettre de repérer les territoires à fort potentiel de développement de projets de géothermie et les enjeux qui y sont associés ; identifier les conditions d expressions économiques qui permettraient l exploitation de la ressource géothermique ; présenter des expériences européennes extrapolables au territoire régional ; et, enfin, identifier les conditions à réunir pour une exploitation de la ressource géothermique en Nord- Pas de Calais. Pour les atteindre, la mission s est organisée autour : d une réunion d introduction à la géothermie et du contexte géologique local ; de quatre réunions thématiques qui ont balayé les enjeux : o du forage superficiel (i.e. inférieur à m) et profond : techniques de forages, gestion des risques et activité économique associée, avec les interventions de M lle Maëlle Jourden, ingénieur commerciale, et M. Didier Sainte-Marie, responsable commercial, de l entreprise COFOR et de M. Gratien Dieudonné, ingénieur au sein de l entreprise Pontignac ; o de la géothermie sur eaux de mines : présentations de la méthodologie de dimensionnement du potentiel et du projet de Heerlen, avec les interventions de M me Virginie Harcouët-Menou chercheuse senior sur l énergie géothermique du bureau d étude VITO NV et M. René Verhoeven manager technique de l entreprise Minewater BV ; o de la réglementation, de la couverture du risque géologique et d un exemple d exploitation sous la forme d un réseau très basse température à Valenciennes, avec les interventions de MM. Clément Mayot, chargé de mission géothermie à la DRIEE, Guillaume Perrin ingénieur énergie au sein de l ADEME et Jean-François Nicq, directeur aménagement et infrastructures de Valenciennes Métropole ; o du potentiel de la géothermie basse température avec la présentation du retour d expérience wallon, avec les interventions de Mmes Sonia Chaoui, responsable des énergies renouvelables et des aides à l'investissement au sein du gouvernement Wallon et Luciane Licour chercheuse au Service de Géologie Fondamentale et Appliquée de l Université de Mons ; de la visite en Ile-de-France d une centrale géothermique du réseau de chaleur de la SEMHACH et d un futur site de forage dans le cadre de l extension de ce réseau, accompagnés par M. Michel Andrès Directeur Général de la SEMHACH. Cette mission a été présidée par M. Emmanuel Cau, vice-président de la Région Nord-Pas de Calais, et de M. Marc Roquette, administrateur de Roquette Frères, qui en a assuré la vice-présidence. Le rôle du bureau d étude BURGEAP a été d assister le comité de pilotage de cette mission dans : 01/12/14 Page : 8/53

9 la définition des thèmes à aborder lors des réunions de la mission d enquête ; l identification d interlocuteurs compétents sur ces thèmes, de la prise de contact avec ceux-ci et du cadrage de leur intervention aux réunions de la mission d enquête ; la proposition de sites de visite potentiels et l organisation de celle-ci ; la rédaction du présent rapport de synthèse établi sur la base des éléments issus des présentations et des entretiens réalisés au cours de la mission complétés par des éléments issus de la bibliographie. 01/12/14 Page : 9/53

10 2. INTRODUCTION A LA GEOTHERMIE 2.1 LA GÉOTHERMIE ET SES DIFFÉRENTES FILIÈRES La géothermie est définie de manière «législative» comme l énergie emmagasinée sous forme de chaleur sous la surface de la Terre solide. Cette chaleur, suivant ses formes et le type de solutions mises en œuvre, peut être utilisée pour produire du chaud, directement ou indirectement, de l électricité mais également du froid. Dans ce dernier cas, la production de froid est assurée par injection de chaleur dans le sous-sol. Bien que seule l exploitation de chaleur soit considérée comme une production géothermique dans le cadre législatif actuel, nous considérerons ici que la production de froid est une technique géothermique à part entière. L énergie thermique contenue dans le sous-sol provient, d une part, du Soleil qui alimente la surface de la Terre. Cela permet d avoir, dès quelques mètres sous la surface, une température constante quelle que soit la saison. D autre part, elle provient également de la décroissance naturelle d éléments radioactifs des couches profondes du globe. En pratique, on observe en moyenne un gradient thermique de 3 C par 100 m de profondeur passées les premières centaines de mètres. La figure suivante illustre ce phénomène. Figure 1 : gradient géothermique moyen Ce gradient de température n est pas uniforme sur Terre. Il existe des anomalies géothermiques qui entrainent un gradient supérieur, comme c est le cas en Alsace où il est de 10 C par 100 m. Ces anomalies représentent un potentiel intéressant puisqu à une profondeur équivalente, la température atteinte est bien plus élevée. Les différents types de géothermies sont classés suivant la température de la ressource. Leur dénomination peut varier selon les acteurs, mais globalement on retrouve les catégories synthétisées dans le Tableau 1 suivant. 01/12/14 Page : 10/53

11 Tableau 1 : les différents types de géothermie et leurs usages TYPE DE GÉOTHERMIE CARACTÉRISTIQUES DU «RÉSERVOIR» UTILISATIONS TRÈS BASSE ENERGIE Exploitation du gradient thermique à moins de 100 ou 200 m. 0 < Température < 30 C Chauffage & Rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur (PAC) ou sans pour le rafraichissement direct ou geocooling BASSE ENERGIE 30 C < Température < 150 C Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie, production d électricité avec cycle ORC, cogénération HAUTE ÉNERGIE 150 C < Température < 350 C Production d électricité, cogénération La géothermie de très basse énergie est exploitée la plupart du temps avec des machines thermodynamiques (pompes à chaleur) pour permettre le chauffage de locaux. Pour des températures plus basses (inférieures à 15 C), elle peut également être utilisée directement pour des besoins de froid. Cette géothermie puise la chaleur soit dans la nappe présente dans le sous-sol soit par échange avec le sol avec des sondes géothermiques (verticales ou horizontales). La géothermie de basse énergie, peut être exploitée directement pour des besoins de chaleur, comme c est le cas en Ile-de-France avec la nappe du Dogger (température naturelle située autour de C permettant une utilisation directe de la chaleur sans machine thermodynamique). Le fluide géothermique cède sa chaleur à un fluide caloporteur au travers d un échangeur de chaleur puis circule dans les émetteurs. Cela est valable pour des températures comprises entre 50 C et 90 C. Au-delà, il est possible, en plus de l utilisation thermique, de produire de l électricité grâce à un cycle secondaire fonctionnant avec un fluide ayant la propriété de se vaporiser à relativement basse température ce qui permet de le faire transiter dans une turbine (cycle ORC, cf. paragraphe 2.2.3). Dans ce cas, c est le fluide géothermal qui permet la vaporisation du fluide secondaire. Cette technique peut permettre également une production simultanée d électricité et de chaleur. La géothermie de haute énergie présente la particularité d exploiter un fluide à une température suffisamment élevée pour produire directement de l électricité grâce au passage de la vapeur dans une turbine. Certains systèmes exploitent également la chaleur de la vapeur une fois passée dans la turbine pour couvrir des besoins de chaud. L exploitation de cette ressource géothermique est possible dans des contextes géologiques très particuliers pas ou peu présents en France métropolitaine. On la retrouve plutôt dans les régions volcaniques : Italie, Etats-Unis, Philippines, Indonésie, etc. Un système de géothermie de haute énergie est toutefois en fonctionnement en France sur l île de la Guadeloupe. La figure suivante synthétise ces informations. 01/12/14 Page : 11/53

12 Figure 2 : les différents types de géothermie et leurs moyens d exploitation source CREGE, Laboratoire Suisse de Géothermie 2.2 PRINCIPALES CARACTÉRISTIQUES DE LA GÉOTHERMIE AU REGARD DES AUTRES ÉNERGIES L exploitation de cette ressource nécessite l utilisation de techniques ou de moyens particuliers en fonction du type de géothermie considéré. Les paragraphes qui suivent présentent ceux-ci LA GEOTHERMIE TRES BASSE ENERGIE On distingue deux techniques pour exploiter la géothermie basse énergie : La géothermie sur nappe : elle repose sur l exploitation des aquifères peu profonds dont les températures sont généralement comprises entre 10 C et 30 C. L exploitation nécessite la mise en place d un puits de pompage de l eau de nappe dont on extrait ou injecte des calories suivant les besoins (saisons) grâce à une machine thermodynamique puis cette eau est réinjectée dans la nappe grâce à un second puits dit de réinjection ou rejetée dans un cours d eau. Les deux puits doivent être suffisamment espacés pour éviter que l eau réinjectée ne retourne au puits de pompage qui serait alors susceptible de présenter une dérive non souhaitée de température. La réinjection de l eau prélevée dans la même nappe est fortement encouragée par les procédures administratives en France notamment pour maintenir un bilan quantitatif équilibrée de la ressource. On notera que le système est conçu pour qu il n y ait pas de contact direct entre l eau de nappe et le fluide du circuit secondaire qui circule dans la PAC ; La géothermie sur sonde verticale : le principe est de réaliser un échange de chaleur par diffusion entre le sous-sol et fluide fonctionnant en circuit fermé dans une sonde. Il n y a donc ni prélèvement ni rejet d une ressource d eau souterraine. La sonde, d une longueur pouvant aller jusqu à 300 ou 400 m, est équipée d un ou deux tubes en U dans le(s)quel(s) circule un fluide caloporteur (eau glycolée ou eau pure). Ce dernier échange de l énergie avec le sol ce qui lui permet de se réchauffer ou de se refroidir. Cette technologie présente l avantage de ne pas nécessiter la présence d un aquifère et est donc exploitable sur tout le territoire, excepté en contexte géologique particulier. Cette dernière technique est parfois intégrée directement à la structure d un bâtiment : il s agit d équiper les pieux de fondation du bâtiment de tubes échangeurs géothermiques. On parle alors de «géostructure» qui a deux rôles : un rôle mécanique de fondation et un rôle d échangeur de chaleur avec le sous-sol. Cette technique 01/12/14 Page : 12/53

13 présente l avantage d exploiter des forages réalisés pour les besoins de fondation comme source d énergie à coût limité comparée à la réalisation de sondes classiques. Cependant, le potentiel énergétique exploitable est contraint par les caractéristiques géométriques des fondations. La géothermie de très basse énergie peut également regrouper : La récupération de chaleur sur les eaux usées : on réalise un échange de chaleur avec les eaux usées ; l inclusion de cette technologie à la géothermie est discutable puisqu il ne s agit pas d exploiter la chaleur du sol mais celle des eaux usées ; La géothermie sur les eaux de mines : il s agit d exploiter l eau présente dans les anciennes galeries minières sur le même principe que la géothermie sur nappe. Plusieurs conditions doivent être remplies (température de l eau, états des galeries, bonne communication de l eau dans les galeries, etc.), ce qui fait que le potentiel d un site doit être étudié au cas par cas. Une installation de ce type est en fonctionnement à Heerlen aux Pays-Bas et des projets ont été étudiés en Lorraine sans donner suite à ce jour ; L exploitation de la température de l eau de mer ou de l eau superficielle. On parle aussi d aquathermie. Pour la production de chaud, ces différentes techniques nécessitent la présence d une machine thermodynamique appelée pompe à chaleur. Cette machine a la particularité de permettre la production de chaleur à partir d une ressource plus froide que la température à fournir. Par exemple, une PAC permet de produire de la chaleur en prélevant des calories à une nappe entre 10 C et 15 C et de restituer cette chaleur au bâtiment à 40 C par exemple. Pour ce faire, la machine dispose de différents organes dont l évaporateur, le condenseur et le compresseur. Ces éléments permettent de vaporiser et condenser cycliquement un fluide secondaire qui échange de la chaleur avec l eau géothermale au travers un échangeur mais sans contact direct. Toutefois, cette transmission d énergie de la ressource vers les bâtiments n est possible qu avec l apport d une énergie complémentaire qui est généralement l électricité. Plus la différence entre la température de la ressource et la température à diffuser est faible, plus le coefficient de performance (COP) de l installation est bon. A titre indicatif, un système géothermique peut présenter un COP de l ordre de 4 avec des émetteurs de basse température. En d autres termes, un kwh d électricité permet de diffuser 4 kwh de chauffage dans le bâtiment. Ce rendement est bien meilleur que ce qu il est possible d obtenir avec une PAC fonctionnant avec l air extérieur car la température du sous-sol ne varie pas avec la saison. Pour l ensemble de ces technologies, les températures qu il est possible de fournir à la sortie de la PAC avec une bonne performance (maximum C) nécessitent de disposer d une surface d échange importante pour la diffusion de la chaleur dans les bâtiments (diffuseurs de type plancher ou murs chauffants par exemple). Cette contrainte fait que ce type de géothermie n est pas toujours adapté à des opérations de réhabilitation pour lesquelles les émetteurs ne sont pas changés et restent des émetteurs à haute température. Un axe majeur de développement optimisé de ce type de géothermie est la mise en place d une boucle froide. Le principe est assez proche d un réseau de chaleur mais la température est très inférieure. Le réseau permet de mutualiser les besoins de plusieurs bâtiments sur un même dispositif alimenté par un ou plusieurs types de sources (géothermie sur nappe, sur sonde, géostructures, etc.). L avantage de cette technique, outre sa température de fonctionnement, est de mutualiser des besoins variés : de chaud pour des habitations et de froid au même instant pour des bureaux. C est donc une solution adaptée à l échelle d un quartier dont les bâtiments ont des usages variés. La figure suivante illustre cette technique. 01/12/14 Page : 13/53

14 Figure 3 : schéma de principe de la boucle froide Ce recours à des sources multiples désynchronisées impose de munir le réseau d une instrumentation importante afin que la boucle régule automatiquement sa production en fonction de la consommation des bâtiments raccordés. Ce «réseau intelligent» devrait néanmoins permettre d augmenter la part des énergies renouvelables dans le mix énergétique. Le grand intérêt de ce concept de boucle d eau tempérée est de créer un réseau permettant d abord un échange d énergie entre différents usages complémentaires avant de solliciter la ressource du sous-sol qui peut être limitée suivant le contexte. La production d énergie est alors décentralisée au droit de chaque bâtiment ou petit ensemble, et le réseau est le vecteur d échange. Comme nous le verrons plus en détail au paragraphe 5.1., c est ce système qui a été développé de manière poussée sur le site de géothermie minière de Heerlen suite au constat d insuffisance de la ressource pour une production centralisée. Le réseau de galeries minières est exploité uniquement pour sa capacité de stockage d énergie saisonnière et le prélèvement brut d énergie sur la ressource est limité à son minimum ce qui optimise grandement le potentiel local. Cet exemple illustre comment la géothermie de par ses caractéristiques conduit à penser la production d énergie thermique autrement en imaginant les bâtiments non pas comme de simples consommateurs mais également comme des producteurs. Cette conception que permet la mise en place d une boucle d eau tempérée permet de solliciter la ressource au minimum et ce pour assurer une performance optimale de l installation à l échelle de l aménagement couvert par le réseau. En effet, il s agit là d une différence fondamentale entre la géothermie et les autres sources d énergie traditionnelles, la ressource exploitable est limitée soit par la température et le débit exploitable soit par la taille du réservoir. Il ne suffit donc pas de consommer de plus grandes quantités de gaz ou de fioul pour s approvisionner en chaleur mais de faire avec ce qu il y a de disponible. Dans ces réseaux, des appoints doivent donc être prévus et la mutualisation de besoins variés (chaud et froid concomitants ou non) avec des moyens de stockage en font partie. 01/12/14 Page : 14/53

15 2.2.2 LA GEOTHERMIE BASSE ENERGIE Ce type de géothermie peut permettre de la «production de chaleur à usage direct» car la chaleur est exploitée sans énergie complémentaire pour des besoins de chaud dans des logements ou dans un process industriel. Ce n est possible qu à partir d une température d environ 60 C à 70 C de la ressource. La géothermie de basse énergie fonctionne également généralement avec deux puits : un de pompage et un d injection. La profondeur des ressources exploitées permet la réalisation de forages déviés. Les têtes de puits des deux ouvrages sont relativement proches, par contre les fonds des ouvrages sont distants de plusieurs centaines de mètres et orientés dans des directions opposées. Le dimensionnement de ces forages, et surtout de cet éloignement, est fait de façon à éviter le recyclage thermique entre l eau chaude pompée (de la nappe) et l eau froide réinjectée. Lorsque que le dispositif d exploitation est constitué d un doublet pompage et injection, le bilan quantitatif pour la ressource est nul, l eau pompée étant réinjectée. La modification se fait alors uniquement au niveau de la température de cette eau réinjectée, qui est plus froide. Celle-ci est fonction des besoins à couvrir mais également des caractéristiques physico-chimiques de l eau pompée. Aux profondeurs atteintes (entre et m pour le Dogger en Ile-de-France), les eaux peuvent être plus ou moins chargées en minéraux ou autres substances. Il est donc nécessaire de conserver le fluide géothermal à une température minimale (environ 30 C pour la nappe du Dogger) pour éviter la précipitation de ces éléments qui entrainerait un encrassement du forage. Dans certains contextes hydrogéologiques, où la qualité de l eau souterraine profonde est satisfaisante, l eau exploitée après son passage dans l échangeur, et donc son refroidissement, est rejetée dans une eau de surface (cours d eau par exemple). Ce type d installation existe dans le sud-ouest de la France et également en Belgique. Ces systèmes présentent les avantages : de ne nécessiter qu un seul forage de production ; de ne pas présenter de contraintes liées aux conditions d injection ; et de ne pas risquer de phénomènes de recyclage thermique. En revanche, le bilan pour l aquifère profond n est plus équilibré. Dès lors, il faut s assurer que la ressource ne risque pas de se «tarir» (baisse de la pression du réservoir) et que l exploitation géothermique ne risque pas d entrainer des impacts quantitatifs préjudiciables avec d autres usages existants ou futurs comme l eau potable par exemple. Dans le cas particulier du Nord-Pas de Calais, et dans la perspective du développement de ce type de géothermie, nous considérerons plutôt l approche de l exploitation en doublets afin de préserver quantitativement la ressource. On notera que cette géothermie est principalement développée en Ile-de-France avec l exploitation de la nappe du Dogger. Les températures et débits accessibles font de cette exploitation un moyen adapté au développement de réseaux de chaleur à des températures classiques pouvant approvisionner des logements aux émetteurs à hautes températures tout comme des logements modernes plus performants et disposant d émetteurs à plus basses températures. Elle est aussi présente en région Wallonne et est exploitée sur un réseau de chaleur à Saint- Ghislain. Un projet de réseau est en cours de développement à Mons et ce potentiel pourrait se retrouver sur le territoire de la Région Nord-Pas de Calais (cf. paragraphe 3.1). Ces exemples seront abordés plus en détail au paragraphe LA GEOTHERMIE MOYENNE ET HAUTE ENERGIE Ce denier type de géothermie permet de produire de la chaleur mais également de l électricité. Lorsque la température de la ressource est «intermédiaire», environ 150 C, il est nécessaire de disposer d un fluide secondaire dont la température de vaporisation est plus faible que l eau. Ce fluide, une fois sous forme vapeur après contact indirect avec le fluide géothermique chaud par l intermédiaire d un échangeur, passe dans une 01/12/14 Page : 15/53

16 turbine pour générer de l électricité. La chaleur restante peut ensuite être utilisée dans un réseau de chaleur pour optimiser le rendement du système. Cette technique est appelée Organic Rankine Cycle (ORC). Elle devrait être utilisée à terme dans le projet d installation géothermique à Mol en Belgique comme nous le verrons au paragraphe 5.3. Lorsque la température de la ressource est plus élevée, à partir d environ 200 C, la vapeur est passée directement dans une turbine pour produire de l électricité puis condensée pour être réinjectée. Ce type de procédé dépend fortement du contexte géologique local et se rencontre majoritairement dans les régions volcaniques. En France, la Guadeloupe dispose d une unité de production de ce type sur le site de Bouillante. Ce type de géothermie n est a priori pas disponible sur le territoire de la région, nous ne le développerons donc pas dans les chapitres qui suivent. D autres techniques peuvent également être mises en œuvre pour la production d électricité dans le cas où le sous-sol est chaud mais ne contient pas d eau : Hot Dry Rock (HDR) : la roche chaude présente déjà des fissures dans lesquelles on injecte de l eau qui va se réchauffer. Cette eau chaude est alors pompée puis exploitée de la même façon que celle décrite précédemment pour produire de l électricité ; Enhanced Geothermal System (EGS) : la roche chaude ne présente pas de fissures suffisantes. Elle est alors «stimulée» de façon hydraulique et/ou chimique pour les développer puis y faire circuler de l eau comme pour le HDR. C est le principe de fonctionnement du site de Soultz-sous-Forêt en France. On notera donc que la «stimulation hydraulique» est réservée à des projets pilotes de géothermie très particuliers. Ce type de technique n est pas nécessaire et n est pas utilisée pour l exploitation des aquifères sédimentaires comme les roches carbonatées que l on rencontre en Île-de-France ou en Belgique pour la géothermie «basse énergie». C est ce type de réservoirs qui est potentiellement exploitable sur le territoire de la région. Les techniques de développement qui y sont pratiquées restent des techniques classiques mises en œuvre en forage d eau. 2.3 ETAT DE DÉVELOPPEMENT DE LA GÉOTHERMIE EN FRANCE ET DANS LE MONDE En France, l usage principal de la géothermie résulte de l exploitation de la géothermie très basse énergie avec des PAC. Au total, environ MWth thermiques sont installés en France pour ce type d énergie, 55% sur nappe, 45% sur sonde. La figure suivante illustre la répartition de la puissance installée en 2011 pour la géothermie assistée par PAC selon les régions de France. On peut noter que la Région Nord-Pas de Calais semble présenter un des développements les plus faibles alors qu un potentiel intéressant a été mis en lumière par le BRGM (cf. paragraphe 3.1). 01/12/14 Page : 16/53

17 Figure 4 : puissance thermique installée par région pour la géothermie assistée par PAC (très basse énergie) en 2011 source AFPG La géothermie à usage direct est moins développée avec 400 MW thermiques installés principalement en Ile-de- France (34 opérations en fonctionnement) qui présente un contexte géologique adapté avec un aquifère très productif, le Dogger, identifié dès les années 1960 entre et m de profondeur. D autres territoires sont également prometteurs vis-à-vis de ce type de géothermie, la Gironde et l Alsace notamment. Enfin, l usage direct industriel pour le chaud ou la production d électricité reste marginal avec le site de Bouillante en Guadeloupe qui couvre environ 8% de la consommation de l ile ainsi que le projet porté par la société Roquette Frère en Alsace. Dans le monde, ces chiffres pour l usage direct de la géothermie (basse ou moyenne énergie) placent la France entre la 10 ème et la 15 ème position, assez loin derrière des pays comme les Etats-Unis ou la Suède. En Europe, et en considérant l ensemble des usages, la France se classe en meilleure position (4 ème ). Enfin, les enjeux liés à la géothermie doivent également être examinés à la lumière des engagements français pris notamment dans le cadre du Grenelle de l Environnement. Ils prévoient que la géothermie passe de 3,5% à 12% dans la contribution des énergies renouvelables pour la production de chaleur soit en 2020 : environ GWth en géothermie sur PAC ; plus de GWth en géothermie sur aquifère profond en 2020 contre environ GWth en 2006 ; et 80 MW de puissance installée pour la production d électricité. 2.4 ASPECTS ENVIRONNEMENTAUX ET RÉGLEMENTAIRE GESTION DES RISQUES Une exploitation géothermique va potentiellement traverser ou concerner directement des ressources qui sont exploitées par d autres usages comme l alimentation en eau potable ou l irrigation par exemple. Dès lors, il convient de d assurer qu un projet de géothermie soit conçu et exploité de sorte à ne pas générer d incidences préjudiciables pour d autres usagers ou pour la ressource en générale. 01/12/14 Page : 17/53

18 Les principaux risques que l on peut identifier et leurs moyens de prévention sont résumés dans le tableau suivant. Tableau 2 : risques géothermiques et moyens de prévention Risques Risques environnementaux Prévention Mise en communication de 2 aquifères Transfert artificiel d une ressource vers une autre, contamination, pollution des ressources Détermination fine de la coupe hydrogéologique, technique de forage adaptée et isolation ciblée des terrains à protéger Impacts sur la ressource en eau Effets cumulés de plusieurs installations de géothermie Mauvaise isolation des terrains traversés par un forage Inondation Sismicité induite (EGS) Inadéquation entre la ressource et le besoin Pérennité de la ressource dans le temps Perturbation thermique d une nappe, dégradation de la capacité de production d usages voisins Perturbation globale de la température d une ressource et pertes de performance sur une installation voisine Risques géotechniques Mouvements de sol induits par une hydratation artificielle de terrains sensibles : dissolution, tassement ou gonflement de terrains Elévation locale du niveau d eau entrainant une inondation Création de microséismes induit par les opérations de stimulation hydraulique ou d exploitation des réservoirs profonds Risques techniques et financiers Ne pas trouver la ressource escomptée en termes de débit, de température ou de qualité Dégradation de la qualité ou quantité de la ressource dans le temps ou recyclage hydrothermique non anticipé entre pompage et injection Etude d'impacts (recensement et calcul des effets de l installation), injection dans la même ressource de l eau prélevée, adaptation des conditions d exploitation, conformité administrative de l installation Recensement des installations, mise en place d outils de gestion locaux, conformité administrative des installations, adaptations des conditions d exploitation Détermination fine de la coupe hydrogéologique, technique de forage adaptée et isolation ciblée des terrains à protéger, étude d impact préalable pour les secteurs sensibles Etude impact (recensement et calcul des effets de l installation), recensement des infrastructures potentiellement concernés Choix des techniques adaptées au contexte, monitoring Etudes préalables complètes, assurance spécifique Etudes initiales complètes, assurances spécifiques, suivi de l exploitation DISPOSITIONS REGLEMENTAIRES PROPRES A L EXPLOITATION DU SOUS-SOL A USAGE GEOTHERMIQUE Les exploitations géothermiques en France sont encadrées spécifiquement par des procédures du Code Minier ou du Code de l Environnement selon la nature de l exploitation. Les principaux objectifs de ces procédures administratives sont de permettre à l administration de s assurer que les projets : sont réalisés conformément aux règles de l art, qu ils n engendrent pas d incidences non maîtrisées sur la ressource et les usages connus et 01/12/14 Page : 18/53

19 d informer le public. Selon les procédures, des suivis des installations et des contrôles par les services instructeurs sont prévus. D après le Code Minier «sont considérés comme mines ( ), les gîtes renfermés dans le sein de la terre, dits gîtes géothermiques, dont on peut extraire de l'énergie sous forme thermique, notamment par l'intermédiaire des eaux chaudes et vapeurs souterraines qu'ils contiennent». Au sens du Code Minier, la géothermie concerne une exploitation de chaleur. De plus, les gîtes géothermiques sont classés en deux catégories (décret du n du 28 mars 1978 modifié) : gîtes géothermiques à haute température : température des eaux, mesurée en surface au cours des essais, supérieure à 150 C ; l exploitation nécessite une concession minière (délivrée par décret en Conseil d Etat). Ce type de géothermie n est pas concerné ici ; gîtes géothermiques à basse température : température des eaux, mesurée en surface au cours des essais, inférieure ou égale à 150 C ; ce type de gîte nécessite un permis d exploitation minier (accordé par le préfet après enquête publique). Néanmoins, le Code Minier prévoit une dérogation pour les exploitations géothermiques à basse température dîtes de minime importance. Un gîte géothermique est considéré comme de minime importance si son exploitation de chaleur souterraine satisfait aux conditions suivantes : la température de la nappe est inférieure à 150 C ; la profondeur des forages est inférieure à 100 mètres ; le débit calorifique maximal possible calculé par référence à une température de 20 C est inférieur à 200 thermies par heure (soit 230 kw environ). Dans ce cas de figure, il n est pas nécessaire de disposer d un permis d exploitation minier. Une simple déclaration au titre de l article 131 du Code Minier suffit (il s agit juste de déclarer l ouvrage et sa coupe géologique pour alimenter la banque de données du sous-sol, il n y a pas d instruction). Si ces critères sont remplis, le Code de l Environnement s applique. Si non, un permis d exploitation doit être obtenu. Ainsi, aujourd hui, la géothermie «très basse énergie» est plutôt concernée par le Code de l Environnement (sauf puissance ou profondeur importante), tandis que la géothermie «basse énergie» est concernée par une procédure de type «Code Minier» DISPOSITIFS REGLEMENTAIRES PROPRES A LA GEOTHERMIE «TRES BASSE ENERGIE» CONSIDEREE «DE MINIME IMPORTANCE» Le prélèvement, d une part, et le rejet, d autre part, peuvent être soumis à Déclaration ou à Autorisation au titre de la loi sur l eau (Article R214-1 du Code de l Environnement). En effet, l article R214-1 du Code de l Environnement précise, en application des articles L214-1 à L214-3, pour les différentes opérations susceptibles d avoir un impact sur le milieu aquatique et la ressource en eau, le type de procédure (Autorisation ou Déclaration) à laquelle doit se conformer celui ou celle qui souhaite la réaliser. Aujourd hui, les principaux critères qui sont retenus limitant la procédure de déclaration et d autorisation sont les suivants : prélèvement inférieur à m 3 /an déclaration, au-delà autorisation ; réinjection inférieure à 80 m 3 /h déclaration, au-delà autorisation. D autres seuils peuvent s appliquer suivant le contexte géologique (prélèvement en nappe d accompagnement ou en zone de répartition des eaux par exemple). Par ailleurs, si l installation (de par les caractéristiques de la PAC) est soumise à la nomenclature ICPE la procédure sera instruite par le service ICPE mais le projet devra respecter les objectifs de préservation de la ressource en eau traduit dans la nomenclature eau. 01/12/14 Page : 19/53

20 En général, une procédure de déclaration demande deux mois d instruction. Une procédure d autorisation nécessite au moins une année d instruction. Elle comprend une enquête publique. On notera que des conflits d interprétation existent entre le Code Minier et le Code de l Environnement existent notamment sur les limites d application de ces deux codes. C est l une des raisons pour lesquelles, les dispositifs réglementaires prévus pour la géothermie de minime importance sont en cours de réforme. Une nouvelle procédure devrait être applicable courant L objectif de la réforme est de définitivement classer la majeure partie des opérations de géothermie «très basse énergie» sous le Code Minier. Comme aujourd hui, il est prévu de distinguer les «opérations de minime importance» relevant d une procédure administrative simple de déclaration, des opérations de plus grande ampleur nécessitant un permis d exploitation. Principe général La clarification de la définition de la géothermie de minime importance est un point essentiel. La nouvelle réforme comprendra : un décret qui définira les limites de la minime importance et les procédures applicables ; un arrêté de prescriptions générales définissant les conditions de réalisation et de dimensionnement des ouvrages de minime importance ; un arrêté définissant les modalités d intervention et de nomination d experts devant instruire les dossiers de minime importance dans certains cas de figure ; un arrêté définissant des zones cartographiques de plus ou moins grande sensibilité vis-à-vis de la géothermie de minime importance (d abord à l échelle nationale puis locale) ; un arrêté définissant les modalités d agrément des entreprises pouvant réaliser des forages de géothermie ; un site internet qui sera dédié à la procédure minime importance. Pour les opérations de minime importance, cette réforme prévoit que le territoire soit divisé en trois zones (verte, orange, ou rouge) : pour les opérations de minime importance situées en zone verte une simple déclaration en ligne suffira avec un dossier type à fournir. L arrêté de prescriptions générales s appliquera mais il n y aura pas d instruction administrative ; pour les opérations situées en zone orange, le dossier devra faire l objet de l avis d un expert agréé. Cet expert remplacera en quelque-sorte le service instructeur ; les opérations situées en zone rouge seront d office soumises à une procédure de permis d exploitation minier. Dans tous les cas, les travaux de forage de géothermie seront, à terme, réservés à des entreprises de forage faisant l objet d un agrément officiel. Nouvelles limites de la géothermie de minime importance : la profondeur des forages (sondes ou nappe) de minime importance passerait de 100 à 200 mètres ; la puissance installée pour un système en nappe ou un système sur SGV serait de 500 kw avec un maximum de 80 m³/h ; le pompage et la réinjection devront être réalisés dans la même nappe ; la température de prélèvement ne devra pas être supérieure à 25 C. 01/12/14 Page : 20/53