F. Berguerand Café-Sciences 13 février 2012 BESSANCOURT

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1 F. Berguerand Café-Sciences 13 février 2012 BESSANCOURT

2 DÉFINITIONS LE PRINCIPE GÉOTHERMIQUE "GÉO" = "GÊ" / "GAIA" notre Terre "THERMIE" = "THERMOS" la chaleur Une énorme centrale nucléaire sans danger pour l homme La chaleur dégagée par notre globe n'a pas pour principal responsable le refroidissement de son noyau, mais la désintégration des éléments radioactifs dans ses roches ( uranium, thorium, potassium, etc. ) En effet 90% de l'énergie dissipée provient de ce mécanisme.

3 DÉFINITIONS LE GRADIENT GÉOTHERMIQUE LA CHALEUR EST SOUS NOS PIEDS Le gradient géothermique est en moyenne, sur la planète, de 3,3 C par 100 mètres, le flux d'énergie thermique à l origine de ce gradient étant de l'ordre de 60 mw/m2. Mais ces valeurs peuvent être nettement supérieures dans certaines zones instables du globe, et même varier de façon importante dans les zones continentales stables. Tsol C Zone de forage pour notre utilisation humaine Tsol été Tsol hiver 0 0, Profondeur en mètres Ainsi, le gradient géothermique est en moyenne de 4 C tous les 100 m en France, et varie de 10 C/100 m dans le nord de l'alsace à seulement 2 C/100 m au pied des Pyrénées. Les scientifiques sont relativement certains des températures en deux points : à 670 km de profondeur (1 600 C), et à km de profondeur (limite noyau-graine) (5 000 K). Entre ces deux points d'ancrage du géotherme, il ne peut s'agir que d'estimations. Expérimenté concrètement par des générations de mineurs de fond l'accroissement de la température en fonction de la profondeur appelé "gradient géothermique" est le support de l utilisation géothermique par l homme

4 DÉFINITIONS? LA GÉOTHERMIE ÉNERGIE RENOUVELABLE?? ET GRATUITE? Contrairement à ce qui est écrit et dit dans presque tous les médias, chez nombre de Politiques et nombre d Ecologistes La géothermie (chaleur de la Terre) n est pas une énergie renouvelable au sens pur Elle est épuisable à très long terme mais quasi renouvelable puisque partie de la chaleur résiduelle profonde vient pour un temps remplacer celle prélevée C est une énergie disponible sur une très très longue durée (des millions voire milliards d années) Qui plus est 24h/24 et 7j/7 tout au long des années Et c est un don de TERRE-GAIA La géothermie ne peut que décroître avec le temps puisqu elle dépend de la radioactivité des sols et du refroidissement du cœur de la planète mais sur un très très long terme Quant à l énergie solaire rayonnante frappant et chauffant le sol terrestre elle n est que pseudo géothermie superficielle et variable

5 DÉFINITIONS? LA GÉOTHERMIE ÉNERGIE PROPRE?? POLLUTIONS ET RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE? Emissions de CO2 en g/ kwh électrique (analyse du cycle de vie) Source : EDF, cité in La Jaune et La Rouge de Mai 2000 Charbon et fioul 800 à 1050 suivant technologie cycle combiné à gaz 430 solaire photovoltaïque 60 à 150 (*) éolien 3 à 22 (*) nucléaire 6 hydraulique 4 (*) (*) Hors appoint par centrales fossiles géothermie (source BRGM) < 55 (estimation sur 73% du parc mondial) Une exploitation géothermique produit peu de rejets La quantité moyenne de CO2 émise est de 55 g/kwh dans le monde Une centrale au gaz naturel en produit 8 fois plus, au charbon 20 fois plus? Pourquoi en parle-t-on si peu? Un peu d Histoire pour mieux comprendre

6 Les premières traces d'utilisation de la géothermie par l'homme sont "thermales" et remontent à près de ans mais la géothermie existe depuis la naissance de la Terre UN PEU D'HISTOIRE DU BAIN DE BOUE À LA TURBINE LES PREMIERS USAGES DE LA GÉOTHERMIE De nombreuses civilisations ont développé la pratique des bains thermaux.. C est notamment le cas des étrusques, des Ottomans, des Chinois et, bien sûr, des Romains qui l ont largement perfectionnée.

7 Usages particuliers mais déjà lavage de laines et de peaux au XIV e siècle. Extraction d'eau chaude saumâtre avec vapeur à plus de 100 C pour l'extraction du sel, du soufre, du vitriol et de l'alun durant le XVIII e puis d eaux boriquées (antiseptique) au XIX e. La Révolution Industrielle booste la valorisation de la géothermie UN PEU D'HISTOIRE PREMIÈRES INDUSTRIES DU XIV e AU XIX e SIÈCLE En France, la ville de Chaudes-Aigues (aigues venant de aqua, l eau en latin) possède la source thermominérale la plus chaude d Europe (82 C). Des archives historiques révèlent que dès 1330 un réseau distribuait l eau géothermale à quelques maisons moyennant une rétribution versée au seigneur et que l eau chaude servait aussi à des usages industriels (lavage de la laine, ) ou pour la cuisine. Dans la région de Volterra, en Toscane, des petits bassins d eau chaude saumâtre qui servaient déjà du temps des étrusques (fabrication des émaux), étaient toujours exploités au XVIIIe siècle pour le soufre, le vitriol et l alun qu ils contenaient. En 1818, un Français, François Larderel, a l idée de faire sortir la vapeur à une pression suffisante pour alimenter des chaudières d évaporation et pomper les eaux boriquées par la technique des «lagoni couverts».

8 Français et Italiens ont largement contribué à développer la géothermie Les applications chaleur se multiplient mais par vapeur débute aussi la génération d électricité (20 kw) dès 1904 à Lardarello en Italie UN PEU D'HISTOIRE CHALEUR ET ÉLECTRICITÉ AU XX e SIÈCLE Par la suite, le prince de Conti poursuit les travaux de Larderel et réussit, en 1904, À faire fonctionner des ampoules électriques via une dynamo entraînée par une turbine À vapeur géothermique Ces expériences marquent le début du développement des applications industrielles de la géothermie. C est d ailleurs à Larderello (du nom même de Larderel) que commence dès 1913 l exploitation de la géothermie haute énergie.

9 LES TEMPS MODERNES LE PREMIER RÉSEAU DE CHAUFFAGE URBAIN Premier réseau moderne de chauffage urbain alimenté grâce à la géothermie à Reykjavik (Islande) en Aujourd'hui 95% des habitations de l'île sont chauffées au moyen de 700 km de conduites isolées qui transportent l'eau chaude. Dès lors, des réseaux de chaleur utilisant la géothermie vont voir le jour en France (dès 1960 des réseaux urbains comme le CPCU à Paris), en Italie, Hongrie, Roumanie, URSS, Turquie, Géorgie, Chine, Etats-Unis...

10 Les chocs pétroliers ont été un déclencheur de la filière française Hélas dès 1981 les difficultés financières en ont sonné le glas temporaire Mais en 2006 le BRGM organisme public français de Géologie et des Mines a créé avec l'ademe un département géothermie pour recenser les réserves nationales et piloter les nouveaux projets En France, le premier forage, en nappe aquifère, est le "puits artésien" de Grenelle à Paris, réalisé sur huit années entre 1833 et 1841, pour capter la nappe à 30 C des sables albiens, à 548 m de profondeur. Création du BRGM en 1959 Le chauffage par géothermie commence véritablement à se développer dans les années 1960, pour les réseaux urbains de chaleur mais aussi pour le chauffage de serres agricoles et pour la pisciculture. LES TEMPS MODERNES GÉOTHERMIE EN FRANCE Dès 1963, une opération pionnière est menée à la Maison de la Radio, dans le XVIe arrondissement de Paris. La première expérience significative démarre en 1969, avec la mise au point de la technique dite du doublet, permettant d exploiter un des aquifères profonds du bassin de Paris. De 1980 à 1986 une cinquantaine d opérations donneront naissance à une filière française spécifique de réseaux de chaleur géothermique.

11 LES TEMPS MODERNES PREMIÈRES CENTRALES D ÉLECTRICITÉ GÉOTHERMIQUE Crises pétrolières obligent, les pays se sont retournés vers leurs ressources nationales Production mondiale d'électricité significative à partir des années 1970 La puissance électrique installée dans le monde est ainsi passée de 400 MW en 1960 à MW à la fin du XX e siècle grâce à la vapeur géothermique.? Vu l intérêt géothermique qu en est-il de son statut actuel?

12 En 2011 : 3 % STATUT ACTUEL "ENR" ET GÉOTHERMIE EN FRANCE Filières thermiques % du total ENR % du total produit par filière par filière Bois et déchets de bois 78% 3,90% Déchets urbains solides (UIOM) 15% 0,75% Biogaz de décharge et méthanisation 5% 0,25% Géothermie et pompes à chaleur géothermiques 2% 0,10% Solaire thermique 0,05% 0,00% % du total ENR % du total produit Filières électriques par filière par filière Hydraulique 94,88% 5,69% Déchets urbains solides (UIOM) 2,57% 0,15% Bois et déchets de bois 1,93% 0,12% Biogaz de décharge et méthanisation 0,44% 0,03% Eolien 0,15% 0,01% Géothermie 0,03% 0,00% Solaire photovoltaïque 0,00% 0,00% % des EnR % du total Cumul des principales filières produit Hydraulique 51,75% 5,69% Bois et déchets bois 36,50% 4,02% Déchets urbains solides (UIOM) 8,22% 0,90% Biogaz de décharge et méthanisation 2,51% 0,28% Géothermie 0,92% 0,10% Eolien 0,08% 0,01% Solaire 0,02% 0,00% De 11% en 2001 les EnR françaises sont passées à 16,5% en 2011 La part de la géothermie y est encore très faible à ce jour : environ 3% de nos EnR en France, soit moins de 0,5% de nos consommations 5% 6% 11% en 2001

13 STATUT ACTUEL PRINCIPAUX BESOINS NIVEAUX D ÉNERGIE Source BRGM Basé sur le paradigme actuel de la géothermie eau-vapeur : La zone des basses énergies est celle des besoins de l Habitat, du Tertiaire et de l Alimentaire surtout si on y joint une PAC La grande partie des besoins industriels se situe dans la zone moyenne énergie? Et pour une électricité rentable il faudrait donc passer en haute énergie?

14 STATUT ACTUEL PRINCIPALES POSSIBILITÉS ACTUELLES 200 C À ce jour récupérations et valorisations surtout sur les basses énergies essentiellement dans l'habitat, l'agriculture et l'alimentaire. Quasi inexistantes sont les valorisations en moyenne et haute énergie pour les besoins de l'industrie et pour la génération d'électricité.

15 STATUT ACTUEL RESSOURCES MONDIALES Zones propices a développement de la géothermie haute énergie (Régions tectoniques et volcaniques actives émergées) Zones favorables à la géothermie basse énergie (bassins sédimentaires) Zones de socle cristallin réservées pour la très basse énergie On associe la géothermie aux nappes d eaux souterraines et poches vapeur Certaines zones (en rouge) sont bien nanties Mais tous les territoires n ont pas forcément une géothermie facile A ce jour seule la haute ( C) voire très haute énergie (> 200 C) est appliquée à la génération d électricité

16 STATUT ACTUEL RESSOURCES EN FRANCE Notre Hexagone n est pas le mieux nanti en hautes énergies Ses ressources n ont jusqu à ce jour concerné que les zones aquifères Mais nos îles d outre-mer ont de la vapeur géothermique Or la technique s améliore et commence à concerner les territoires à sec

17 STATUT ACTUEL FORAGES GÉOTHERMIQUES BASSIN DE PARIS 30 C 60 C 100 C Pour trouver de plus en plus de chaleur et de la vapeur il faut creuser profond Cependant passé 2000 mètres il n y a plus de nappes ou de poches d eau mais des poches de pétrole ou de gaz et finalement la roche sèche

18 C est surtout le domaine du chauffage et de la climatisation de l habitat et un peu du chauffage dans le commerce voire l industrie surtout avec adjonction d une pompe à chaleur géothermique pour rehausser le niveau de température ou ventilation double-flux? QUELS DÉVELOPPEMENTS FRANCE? TRÈS BASSE ET BASSE ÉNERGIE De 10 C à 30 C De quelques mètres à quelques dizaines de mètres de profondeur Eau ou air type puits canadien ou ardéchois ou provençal De 30 C à 90 C De quelques cent mètres à environ 1000 mètres de profondeur et en métropole parfois 2000 mètres Il a fallu attendre les années 2000 pour relancer la géothermie

19 ? QUELS DÉVELOPPEMENTS FRANCE? MOYENNE ÉNERGIE C est à ce jour exclusivement le domaine du chauffage des grands centres et de l industrie Mais un nouveau brevet permettra bientôt de bien plus importantes valorisations dont la génération d électricité et la cogénération

20 ? QUELS DÉVELOPPEMENTS FRANCE? HAUTE ÉNERGIE C est l énergie géothermique dont rêvent tous les pays Mais dont peu sont nantis (Islande, USA, Asie => zones volcaniques) En France seuls nos territoires d outremer sont favorisés en commençant par la centrale vapeur de Bouillante en Guadeloupe Ailleurs il faut creuser plus profond et injecter de l eau

21 5000 m GÉOTHERMIE DU FUTUR TRÈS HAUTE ÉNERGIE EAU/VAPEUR Dilatation de tuyau = 8 m 30 % 70 % Selon le BRGM : «le potentiel français d électricité par géothermie pourrait remplacer une dizaine de nos centrales nucléaires pendant plusieurs décennies avec seulement 3% de la surface de l Alsace» et pourrait même atteindre les MWe sur l Hexagone c'està-dire presque deux fois plus que le nucléaire tel qu installé en SOULTZ en chiffres : 22 années de recherche, à partir des premières études jusqu à la mise en route de la centrale électrique en millions d Euros dont 30 millions investis dans le projet par la Communauté européenne, 25 Millions par l Allemagne et 25 millions par la France 15 laboratoires de recherche impliqués et plusieurs centaines d entreprises sous-traitantes 3 forages à 5000 m ( mètres forés, m3 d eau injectés en 6 grandes phases de stimulation des fractures) En 1997, lors de la boucle réalisée pendant 4 mois, m3 d eau ont produit en surface MWh thermiques.. À Soultz-sous-Forêts (Alsace) : R&D par consortium européen depuis 1987 Procédé en roches fracturées très chaudes à 5000 m de profondeur Circuit primaire d eau importée + circuit binaire de vaporisation frigorigène non sans difficultés et problèmes

22 GÉOTHERMIE DU FUTUR CYCLE BINAIRE ORC : ORGANIC RANKINE CYCLE Prélèvement Vapeur L eau/vapeur géothermique transmet sa chaleur à un cycle secondaire avant d être réinjectée dans le sol Le cycle secondaire contient un fluide frigorigène (fréon, Ammoniac, comme dans les réfrigérateurs) qui fait fonctionner un turboalternateur générant de l électricité Ce fluide est refroidi par une source froide extérieure eau ou air

23 GÉOTHERMIE DU FUTUR BREVET GESEC MOYENNE ÉNERGIE À SEC Brevet GESEC publié au BOPI du 6 janvier 2012 Circuit primaire et secondaire ne font plus qu un = un ORC simplifié Le fluide frigorigène en circuit fermé étanche permet de valoriser des forages de moyenne profondeur / énergie / température Pour générer de l électricité sur une grande partie des continents

24 A Soultz : ± 200 C à ± 5000 m de profondeur dans les roches fracturées chaudes et dures 3 forages profonds = 1 extraction ; pertes de chaleur Récupération binaire et complexe en surface Très grosse conso en eau propre ; microséismes GESEC : ± 100 C à ± 2000 m de profondeur dans des sols faciles à forer 1 forage aisé = 1 extraction Récupération simplifiée en 1 seul circuit Pas ou très peu de conso en eau GÉOTHERMIE DU FUTUR SOULTZ-SOUS-FORETS GESEC

25 FIN

26 Deux types de capteurs pour récupérer la basse énergie des sols 1. Géothermie à capteurs verticaux A partir de 20 m de profondeur, la température du sous-sol est constante et ne dépend plus du jour ou de la nuit, ni même des saisons. On estime alors que la température augmente de 1 c tous les 33 mètres. Cette ressource géothermique convient bien pour les installations de chauffage décentralisées telle les maisons familiales, groupe de villas, petits immeubles, maisons, Mairies, écoles et salles polyvalentes. 2. Géothermie à capteurs horizontaux La croûte terrestre réchauffée en permanence par le soleil, le vent et la pluie accumule un stock de chaleur sous forme de calories. Le capteur horizontal enfoui à environ 80 cm de profondeur récupère cette chaleur par l'intermédiaire d'une circulation d'eau glycolée et d'une thermopompe. La restitution à l'intérieur du logement est assurée par un plancher chauffant ou par ventilo-convecteurs. La surface de captage varie de 1,5 à 2 fois la surface de la maison. Cette technique est utilisée avec succès depuis plusieurs décennies en France.