Principes de fonctionnement et usages de la géothermie

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1 Principes de fonctionnement et usages de la géothermie (source : ADEME-BRGM) La géothermie désigne le processus permettant de capter en profondeur la chaleur terrestre, et l exploiter via un système de canalisations afin de l exploiter en surface sous forme d électricité ou de chaleur. Ce procédé est basé sur un système de tuyauterie creusé dans le sol, à l intérieur duquel circule en permanence un échange de courants chauds et froids. Les niveaux énergétiques correspondants sont adaptables afin de pouvoir alimenter des équipements très variés ; ces équipements géothermiques sont répartis en trois catégories distinctes. BIOS David WoodFall / STILL PICTURES Géothermie basse énergie : entre 30 et 150 C Géothermie et agriculture Le chauffage des serres par air ou par sol constitue un domaine important d application de la géothermie. Utiliser la chaleur du sous-sol représente le meilleur moyen de faire des économies tout en protégeant l environnement. Géothermie et dessalement Durant les années 90, une installation-pilote de dessalement dans l île de Kimolos (Grèce) a démontré la faisabilité technique de l utilisation de la géothermie basse-enthalpie (61 C) pour le dessalement d eau de mer, à partir d un forage profond de 188 m. Géothermie et «snow melting» Depuis une dizaine d années, dans les pays où l enneigement est fréquent, la géothermie est utilisée pour empêcher l accumulation de neige et de verglas. Ces systèmes utilisent des conduites de vapeur et d eau chaude géothermale disposées aux entrées des bâtiments, dans les trottoirs, les aires de stationnement, les rampes de garage, ou encore les pistes d aéroports ou les aiguillages de voies ferroviaires. Les différents types d usages de la géothermie Usages agricoles et industriels L eau géothermale peut-être utilisée pour le chauffage et la climatisation des serres agricoles, la pisciculture ou pour des usages de procédés industriels. Usages domestiques et tertiaires Les Pompes à Chaleur géothermiques sur aquifères superficiels permettent le chauffage et le refroidissement des petits immeubles et de centres tertiaires. Grâce à des capteurs horizontaux ou des sondes verticales associées à des Pompes à Chaleur, il est possible de chauffer des maisons individuelles et d en produire l eau chaude. Réseaux de chaleur Le niveau élevé de la température de l eau permet son utilisation directe pour alimenter les réseaux de chaleur. Systèmes géothermiques stimulés (EGS) La température des roches chaudes fracturées à grandes profondeur permet de produire de la chaleur et de l électricité. Production d électricité L eau est captée sous forme de vapeur pour la production d électricité. 0 m m m m m m m m m m - Terrains superficiels Calcaire Argile imperméable Grès Granite Roche volcanique Présence d eau

2 Géothermie haute énergie : températures > 150 C Géothermie et industrie La majorité des usages industriels directs nécessitent des températures comprises entre 100 et 200 C. Dans certains cas, il est possible de récupérer, outre la chaleur, certains sous-produits ou gaz dissous qui se trouvent dans l eau géothermale. Géothermie très basse énergie : température inférieure à 30 C (conditionne l utilisation de pompes à chaleur) EDF MEDIATHEQUE / ERANIAN PHILIPPE Géothermie et particuliers On assiste depuis quelques années à une très forte croissance de l utilisation de la chaleur du sol pour les maisons individuelles. A l heure actuelle, l installation de deux sondes géothermiques à 50 m de profondeur permet d alimenter en chauffage une maison de 120 m2 habitables. Qu est-ce qu une Pompe à Chaleur (PAC)? Circuit de chauffage de l habitation (5) Dans le condensateur, le fluide frigogène cède de la chaleur au fluide du circuit de chauffage (plancher chauffant, radiateurs, convecteurs : «source chaude»). La compression élève la température du fluide frigogène. vapeur haute pression vapeur basse pression CONDENSATEUR (4) ÉVAPORATEUR (3) liquide haute pression En se condensant, le fluide frigogène revient à l état liquide. COMPRESSEUR (2) DÉTENDEUR (6) Le détendeur Le compresseur abaisse la électrique pression du aspire le fluide liquide frigogène. frigogène Il amorce ainsi la rechauffé. vaporisation. liquide basse pression Dans l évaporateur, la chaleur prélevée dans le sol par les capteurs «source froide» est transférée au fluide frigogène qui se vaporise. Circuit de captage dans le sol (1) Une PAC est une machine thermodynamique qui puise la chaleur d un milieu naturel appelé «source froide»(1) (eau, air, sol) dont la température est inférieure à celle du local à chauffer. Elle transfère ensuite cette énergie au fluide caloporteur afin d assurer le chauffage et souvent aussi la production d eau chaude sanitaire. Pour les applications géothermiques, on utilise généralement des PAC à compression qui comportent un compresseur électrique (2). La chaleur prélevée au niveau de la «source froide» est captée par le fluide caloporteur au niveau de l évaporateur (3). Le fluide change d état et se transforme en vapeur. Le compresseur comprime cette vapeur, augmentant ainsi sa température. C est au niveau du condensateur (4) que la vapeur en se condensant transmet sa chaleur au milieu à chauffer (5). Puis la température du fluide s abaisse fortement dans un détendeur (6) le rendant prêt pour une nouvelle absorption de chaleur, le cycle peut recommencer. Il existe aujourd hui des pompes à chaleur dites réversibles qui permettent de produire du chaud et/ou du froid. Le fonctionnement d une PAC est comparable à celui d un réfrigérateur ménager : il assure le chauffage à partir d une source de chaleur externe (dont la température est inférieure à celle du local à chauffer). Syndicat des énergies renouvelables 48, boulevard des Batignolles Paris Tél. : Fax : delepine antony / Fotolia dernière mise à jour du document : novembre 2008

3 La géothermie, une source d énergie renouvelable et inépuisable À la différence des énergies fossiles, la géothermie est présente dans tous les sous-sols et sous tous les climats. Ses usages sont variés, car elle présente une large gamme de températures et de profondeurs. À faible profondeur, en tout point du globe, associée à une Pompe à Chaleur, elle sert au chauffage et au refroidissement des habitations. arch.bruzzone / Fotolia La géothermie : une énergie propre et durable La géothermie produit peu de rejets, c est une énergie propre qui ne participe pas à la dégradation du climat et qui ne nécessite pas de transport ni de stockage de substances polluantes ou dangereuses. En profondeur, la planète dispose d un stock de chaleur illimité à l échelle humaine et, à sa surface, le sol est réchauffé par le rayonnement solaire et la migration des eaux de pluie. Une énergie renouvelable Les quantités d eau chaude contenues dans les réserves souterraines ne vont pas disparaître à cause des exploitations géothermiques. Au contraire, les quantités d eau vont se renouveler grâce au ruissellement naturel ; quant à la chaleur, celle-ci provient à 90 % du gisement minéral. La chaleur de la Terre source : ADEME-BRGM Notre planète est constituée de quatre couches internes concentriques : au centre, le noyau solide, situé à km en-dessous de la surface, abrite des températures qui s élèvent jusqu à C ; autour du noyau solide, le noyau liquide avoisine les C et se situe à km sous nos pieds ; le manteau constitue la troisième couche, à km sous le sol, a une température de C ; la croûte terrestre constitue la couche extérieure à C et se situe à km de profondeur. La géothermie permet de valoriser cet exceptionnel gisement de chaleur renouvelable.

4 Une énergie peu émettrice de CO₂ Les centrales géothermiques émettent en moyenne 55 g de CO₂ par kwh, soit environ 10 fois moins qu une centrale thermique fonctionnant au gaz naturel. Ces émissions peuvent être réduites à néant lorsque l installation réinjecte les liquides géothermaux dans leurs réserves souterraines, ce qui est souvent le cas pour les installations modernes. Une disponibilité planétaire Tanguy de Saint Cyr / Fotolia La chaleur présente dans les profondeurs vient du centre même de la Terre, et est ainsi répartie également sur l ensemble de sa surface. Ainsi, il n existe pas de bon ou mauvais site géothermique, la chaleur naturelle étant tout simplement disponible partout sous nos pieds. La seule variable déterminant le choix d un site reposera sur la facilité d accès à cette ressource (composition du sous-sol, situation en surface, etc.). LA CHALEUR DU PROCHE SOUS-SOL. Le rayonnement solaire et les conditions climatiques ont une influence sur la température terrestre des premiers mètres du sous-sol. Au-delà, l énergie géothermale provient de la chaleur stockée depuis des millions d années dans l écorce terrestre. La quantité moyenne d énergie des roches de la croûte terrestre par km 3 représente environ 15 millions de tep. Objectifs du Grenelle de l Environnement pour 2012 et 2020 source : SER ktep Géothermie profonde (ktep) Géothermie intermédiaire (ktep) PAC individuelles (ktep) Géothermie électrique (MW) ktep 160 MW ktep logements 140 MW ktep ktep 120 MW ktep 100 MW logements 90 MW 800 ktep 80 MW 600 ktep 60 MW logements 500 ktep 400 ktep 40 MW 200 ktep 0 ktep 130 ktep 250 ktep 200 ktep 195 ktep 20 MW 9 MW 100 ktep 50 ktep Situation 2006 Objectif au 31/12/2012 Objectif MW 0 MW Syndicat des énergies renouvelables 48, boulevard des Batignolles Paris Tél. : Fax : delepine antony / Fotolia dernière mise à jour du document : novembre 2008

5 La géothermie en France La France se situe au 3 ème rang européen en termes de capacité géothermique installée. Trois principales filières sont concernées : celle des pompes à chaleur pour les usages domestiques et le tertiaire, celle des réseaux de chaleur destinés au chauffage collectif et celle de la production électrique, principalement dans les DOM. Le Grenelle de l Environnement prévoit que la géothermie contribuera en 2020 au mix énergétique français à hauteur de plus de 1,3 million de tonnes équivalent pétrole. EDF MEDIATHEQUE / MORCEAU MARC Un gisement favorable La France a joué un rôle de pionnier dans le développement de la géothermie avec la valorisation du Bassin parisien (aquifère du Dogger) qui présente la plus grande densité au monde d opérations de géothermie basse énergie en fonctionnement. Sur l ensemble de son sous-sol, notre pays recèle un potentiel géothermique très important, dont seule une infime partie est aujourd hui exploitée, que se soit par la géothermie basse énergie ou par les pompes à chaleur (géothermie très basse énergie). En Ile-de-France, la géothermie peut être considérée comme la première énergie renouvelable : en effet, la région compte à ce jour 34 centrales géothermiques en fonctionnement, dont 16 dans le seul département du Val-de-Marne qui représente 40 % de la géothermie française. Le gisement géothermique français source : BRGM Bassins sédimentaires profonds (aquifères continus) Aquifères continus profonds, ressources prouvées ou probables (température > 70 C) Source thermale 25 C < T < 80 C Calais Lille HAINAUT Le Havre Amiens Rouen Reims Paris Metz Rennes Nancy Le Mans BASSIN DE PARIS Strasbourg FOSSÉ Nantes Orléans RHÉNAN Dijon Mulhouse Tours Nevers LIMAGNE Besançon La Rochelle Montluçon BRESSE Limoges Clermont- Ferrand Bergerac Bordeaux BASSIN AQUITAIN Dax Toulouse Tarbes Grenoble COULOIR RHODANIEN Nîmes Montpellier MIDI Marseille MÉDITERRANÉEN Perpignan Monaco Le chauffage urbain La France dispose de 65 installations dédiées au chauffage urbain, réalisées pour l essentiel dans les années Elles assurent la couverture des besoins de près de équivalent-logements, dont en région parisienne. Après une quinzaine d années de pause, liée aux cours relativement bas des énergies fossiles, la géothermie connaît un regain, et de nouvelles opérations voient le jour. La Région francilienne a relancé la géothermie en investissant avec l ADEME, sur la période , 22 millions d euros dans la création de six puits et la remise en état de six autres. Cette opération permettra, d ici 2013, de chauffer logements nouveaux. EDF MEDIATHEQUE / MORCEAU MARC

6 Les Pompes à Chaleur pour particuliers La géothermie avec usage de Pompes à Chaleur sur aquifères superficiels, sur capteurs horizontaux ou sur sondes verticales connaît également un regain d intérêt depuis quelques années pour le chauffage et le refroidissement. La France participe au développement rapide et sans précédent de ce marché qui devient un des plus importants d Europe : En 2007, pompes à chaleur géothermiques ont été installées chez les particuliers. Le crédit d impôt accordé pour l acquisition de Pompes à Chaleur a joué un rôle important dans la croissance de ce marché. Le marché des Pompes à Chaleur de 2002 à 2007 en France source : AFPAC Sol / Sol et Sol / Eau Eau glycolée / Eau et Eau / Eau La production d électricité EDF MEDIATHEQUE / MORCEAU MARC Enfin, La France est forte d une expérience de production d électricité à partir de la géothermie au travers notamment de la centrale de Bouillante en Guadeloupe en service depuis plus de 20 ans. C est d ailleurs dans les départements d outre-mer que les perspectives de production d électricité sont les plus prometteuses ; en métropole, la production d électricité a commencé avec le projet de Soultz-sous-Forêts. Le déploiement de cette technologie est conditionné par le niveau de coût de production de l électricité, qui reste encore au-dessus des références économiques actuelles car elle nécessite des forages à grande profondeur dans un milieu encore mal connu. Si l on parvient à baisser les coûts en accompagnant le développement de la filière, cette énergie propre et locale pourra alors révéler pleinement son potentiel. Une filière qui se structure Afin de pérenniser le développement des pompes à chaleur, les professionnels ont lancé la démarche qualité PAC. Elle se compose de deux volets : le marquage «NF PAC» pour le matériel et l appellation qualité QualiPAC. La marque NF PAC garantit un niveau de qualité et de performance pour les pompes à chaleur et notamment un seuil minimal de coefficient de production d au moins 3.3 (soit 3.3 kwh restitués en chaleur pour 1 kwh électrique consommé). QualiPAC, le second volet de la démarche, repose sur la formation des installateurs. Concernant plus spécifiquement les PAC avec capteurs verticaux peu profonds, l ADEME, le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) et EDF ont mis en place une démarche d engagement qualité pour les entreprises de forage de sondes géothermiques, afin d améliorer la performance des installations. Syndicat des énergies renouvelables 48, boulevard des Batignolles Paris Tél. : Fax : delepine antony / Fotolia dernière mise à jour du document : novembre 2008

7 La géothermie en Europe et dans le monde En tout point de la planète, il est possible de capter et de transformer la chaleur emmagasinée dans les couches superficielles du sous-sol à quelques mètres de profondeur pour le chauffage des habitations. La géothermie basse et moyenne énergie ne se trouve en revanche que dans certaines zones particulières : bassins sédimentaires, régions volcaniques, etc. Laurence Gough / Fotolia La chaleur géothermique En 2005, plus de 70 pays utilisaient la géothermie pour produire de la chaleur. La puissance installée est estimée à l heure actuelle à MW (hors Pompes à Chaleur), ce qui correspond à une production annuelle supérieure à MWh. Les principaux pays producteurs sont le Japon, la Chine, la Russie, les pays d Europe de l est, centrale et orientale, et les Etats-Unis. La France a joué un rôle de pionnier dans le développement de la géothermie, en particulier dans le Bassin parisien qui présente la plus grande densité au monde d opérations de géothermie en fonctionnement, grâce à son très important gisement. Évolution des capacités de production de chaleur installées des 5 principaux pays en 2005 source : World Geothermal Council États-Unis MW Turquie 820 MW Chine MW Islande MW Suède 377 MW États-Unis MW Turquie MW Chine MW Islande MW Suède MW Les ressources mondiales de géothermie source : BRGM Zones propices au 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

8 L électricité géothermique On dénombre aujourd hui plus de 350 installations géothermiques haute et moyenne énergie dans le monde. La puissance totale de ces centrales électriques est d environ MW en 2007 (contre en 2000), soit 0,3 % de la puissance mondiale électrique installée sur la planète. En nombre de MWh produits, la géothermie constitue, avec la biomasse et l éolien, l une des quatre principales sources d électricité renouvelable dans le monde après l hydroélectricté. Les principaux pays producteurs se situent sur la périphérie du Pacifique : six sur le continent américain pour MW, cinq en Asie pour MW, deux en Océanie pour 450 MW. L Europe compte six pays producteurs (Allemagne, Danemark, France, Islande, Italie, Suède) pour une puissance de MW, et deux seulement en Afrique pour 134 MW. La géothermie couvre 0,4 % des besoins mondiaux en électricité. Sa contribution aux besoins nationaux peut être bien plus élevée dans certains pays, et atteindre plusieurs pourcents. Évolution des capacités de production électrique installées des 8 principaux pays en 2007 source : World Geothermal Council, Baromètre Géothermie (Observ ER), Systèmes Solaires, septembre/octobre 2007 Islande 200 MW Nouvelle-Zélande 437 MW Japon 547 MW Italie 790 MW Mexique 953 MW Indonésie 797 MW États-Unis MW Philippines MW Islande 421 MW Nouvelle-Zélande 472 MW Japon 535 MW Italie 811 MW Mexique 953 MW Indonésie 992 MW États-Unis MW Philippines MW Production des pays européens (en ktep) Les pompes à chaleur Selon les statistiques réalisées en 2006 par Eurostat, les 25 pays de l Union Européenne ont produit ktep de chaleur géothermique en Les principaux producteurs étant l Italie (8 900 ktep), la France (5 400 ktep) et l Allemagne (5 200 ktep). Une étude réalisée en 2005 par World Geothermal Council incluant la Suède chiffrait quant à elle ce total à ktep. En Europe, cette filière est en pleine progression : son taux de croissance a été de 4,3 % en 2001 et 2002 (1 051,6 MW en 2002). Elle devrait également connaître un développement important dans les pays où les ressources sont abondantes, comme en Europe centrale et orientale, en Russie et en Chine. Les Pompes à Chaleur en Europe en 2006 (nombre d unités installées) source : SER Suède Allemagne France Danemark Finlande JEAN752 / Fotolia En 2007, on estimait le nombre d unités installées en Europe à près de , représentant une puissance thermique installée de l ordre de MW, avec des ventes annuelles qui dépassent la barre des unités. La Suède dispose du parc le plus important avec pompes à chaleur (2 400 MW) ; elle est suivie par l Allemagne avec unités (1 000 MW), elle-même talonnée par la France ( équipements). Viennent ensuite l Autriche avec un parc de unités et la Finlande avec Syndicat des énergies renouvelables 48, boulevard des Batignolles Paris Tél. : Fax : delepine antony / Fotolia dernière mise à jour du document : novembre 2008