La Géothermie. Patrick MONASSIER Université Lyon 1 Faculté des Sciences et Technologies Master ERGE3

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1 La Géothermie Patrick MONASSIER Université Lyon 1 Faculté des Sciences et Technologies Master ERGE3 Diaporama réalisé à partir des publications du SER de mars

2 La Géothermie Sommaire La géothermie en Europe et dans le monde La géothermie en France Une source d énergie renouvelable et inépuisable Principes de fonctionnement et usages Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2

3 Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 3

4 La chaleur géothermique dans le monde. Fin 2009, plus de 70 pays utilisaient la géothermie pour produire de la chaleur. L a puissance installée est estimée à 50,6 GW, ce qui correspond à une production annuelle supérieure à GWh. 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. L a 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. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 4

5 Les ressources mondiales de géothermie (source BRGM) Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 5

6 L électricité géothermique dans le monde 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 2010 (contre MW 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 plus de MW, cinq en Asie pour plus de MW, deux en Océanie pour 630 MW. L Europe compte six pays producteurs (Allemagne, Danemark, France, Islande, Italie, Suède) pour une puissance de MW, et deux seulement en Afrique pour 174 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. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 6

8 La situation européenne En 2009, on estimait la puissance électrique installée de l ensemble des pays de l Union Européenne à environ 900 MWe. L a puissance thermique s élevait quant à elle à environ MWth pour l utilisation directe de la chaleur (hors PAC géothermiques). Le marché annuel des PAC géothermiques dans les pays de l Union Européenne est estimé à unités en Le parc installé s élevait à près de PAC géothermiques en fonctionnement. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/2011 8

10 Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

11 Un gisement favorable 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. 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). Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

12 Le gisement géothermique français (source : BRGM) Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

14 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. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

15 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 2010, environ pompes à chaleur ont été installées. Le crédit d impôt accordé pour l acquisition de pompes à chaleur a joué un rôle important dans la croissance de ce marché. Depuis 2010, le coût de la main d œuvre pour la réalisation du forage est inclus dans le crédit d impôt. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

16 La production d électricité 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. Depuis la mise en service fin 2004 d une seconde unité «Bouillante 2» d une capacité de 10 MW, la capacité actuelle de production d électricité de Bouillante s élève à 15 MW. Un projet de construction d une nouvelle unité «Bouillante 3» est actuellement à l étude, elle pourrait fournir un potentiel de production supplémentaire de 10 à 40 MW. C est d ailleurs dans les départements d outre-mer que les perspectives de production d électricité sont les plus prometteuses. Des puits d exploration sont actuellement en cours de réalisation en Martinique et à la Réunion pour évaluer les potentiels géothermiques de ces îles. En métropole, la production d électricité a commencé avec le projet de Soultz-sous- Forêts qui utilise la technologie dite Enhance Geothermal Systems (EGS). Celle-ci consiste à réchauffer de l eau à près de 200 C en l injectant en profondeur au contact de roches chaudes. Lorsque l eau remonte à la surface sous forme gazeuse, elle est exploitée par des turbines afin de produire de l électricité. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

18 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, celleci provient à 90 % du gisement minéral. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

19 La chaleur de la terre : 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. Audelà, 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 km3 représente environ 15 millions de tep. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

20 Une énergie peu émettrice de CO₂ Les centrales géothermiques émettent en moyenne 55 g de CO ₂ 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 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.). Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

23 Géothermie très basse énergie : température inférieure à 30 C Elle est caractérisée par l exploitation d une ressource de température inférieure à 30 C ne permettant pas une utilisation directe de la chaleur par simple échange. Elle nécessite donc la mise en œuvre de pompes à chaleur qui prélèvent cette énergie à basse température pour l augmenter à une température suffisante pour le chauffage. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

24 Les pompes à chaleur géothermiques Elles valorisent les calories du sol ou de l eau des nappes par le biais de réseaux de capteurs, de sondes ou de forages d eau. L es capteurs étant installés à la profondeur requise pour que la température soit quasiment constante toute l année, ce type de PAC est performant quelle que soit la température hivernale. Capteurs horizontaux : Ils sont répartis et enterrées horizontalement à faible profondeur (de 0,60 m à 1,20 m) dans le terrain. Selon la technologie employée, de l eau additionnée d antigel ou le fluide frigorigène de la pompe à chaleur circule en circuit fermé à l intérieur de ces capteurs. Capteurs verticaux (ou sondes géothermiques) : Ils sont installés dans un forage et scellés par du ciment. La profondeur peut atteindre jusqu à 200 m où la température du sol est stable tout au long de l année. On y fait circuler en circuit fermé de l eau additionnée de liquide antigel. L emprise au sol est minime par rapport à des capteurs horizontaux. Pour chauffer une maison de 120 m2 habitables, deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur conviennent. L e forage étant réglementé, une déclaration préalable à la DRIRE doit être demandée avant l installation de la PAC. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

25 Les champs de sonde Pour chauffer des grands bâtiments ou un groupe de logements, il est aussi possible d installer une série de sondes géothermiques verticales. De cette manière, on dispose d un plus grand potentiel de chaleur terrestre. Pour un champ de sondes, on installe plusieurs sondes géothermiques à des profondeurs variant de 30 à 300 mètres et à intervalles réguliers. L es sondes sont rassemblées dans les conduites et raccordées à une ou plusieurs pompes à chaleur. Les PAC aquathermiques Les PAC aquathermiques ou hydrothermiques puisent la chaleur contenue dans l eau. L e plus souvent, c est dans les nappes phréatiques que l on trouve une eau à température suffisante (7 à 12 C) et constante. Il est également possible d utiliser l eau d une rivière ou un lac. L es PAC sur eau de nappe nécessitent un ou deux forages de 30 à 100 m de profondeur. Ce type de captage est réglementé et doit faire l objet d une déclaration préalable. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

26 Fondations thermoactives (ou pieux géothermiques) Certains grands bâtiments nécessitent pour des raisons de portance d être construits avec des fondations sur pieux en béton. Il est possible d équiper ces pieux de capteurs (tubes de polyéthylène placés au cœur du pieu) et de connecter ce système de captage à une pompe à chaleur pour capter l énergie du sol et fournir de la chaleur ou du froid au bâtiment. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

27 Géothermie basse et moyenne énergie La géothermie basse énergie repose classiquement sur l utilisation directe de la chaleur de l eau chaude contenue dans les aquifères profonds. Réseaux de chaleur et doublets géothermiques Le chauffage d un quartier ou d un ensemble d immeubles d habitat collectif peut s effectuer par l intermédiaire d un réseau de chaleur, c est-à-dire un réseau de canalisations de grande longueur chargé de distribuer la chaleur dans des sousstations au pied de chaque immeuble ou de chaque groupe d immeubles. Si l eau de l aquifère exploité est chargée en sels minéraux, et que son rejet en surface n est pas compatible avec les normes environnementales, il est nécessaire de réinjecter le fluide dans sa nappe d origine. Son exploitation nécessite donc deux forages, un forage de production et un forage de réinjection, c est la technique du doublet géothermique. Afin d éviter les interférences de température entre les deux forages, il convient d espacer les puits d une distance évaluée selon les caractéristiques de l opération de géothermie. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

28 Géothermie haute énergie La production d électricité d origine géothermique est possible sur les réservoirs dont la température est comprise entre 150 C et 350 C et permettant des débits de production de fluides suffisants. Plusieurs méthodes et techniques de production d électricité géothermiques existent : Pour les sources de vapeur haute température, que l on retrouve notamment sur les zones de volcanisme actif, l électricité peut être produite directement par injection de la vapeur dans une turbine ou indirectement par échange de chaleur avec une eau moins corrosive. Pour les sources moins chaudes (moins de 175 C), les techniques employées (ex : cycle binaire) jouent sur la condensation puis la détente du fluide géothermal. La technologie des «Enhanced Geothermal Systems» (EGS), telle qu elle est expérimentée à Soultz-sous- Forêts en France, consiste à injecter de l eau dans les roches chaudes et à exploiter la vapeur créée pour produire de l électricité. Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/

29 Applications diverses de la géothermie Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 03/