La géothermie en France et dans le monde Comment exploiter la chaleur contenue dans le sous-sol?

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1 Académie d Orléans Tours Journée Académique des professeurs de sciences de la vie et de la Terre La géothermie en France et dans le monde Comment exploiter la chaleur contenue dans le sous-sol? 11 avril 2013 Romain Vernier Directeur adjoint des Géoressources et responsable de la division Géothermie Etablissement public de référence dans le domaine des Sciences de la Terre pour gérer les ressources et les risques du sol et du sous-sol

2 Les origines de la chaleur géothermique

3 Origines de la chaleur géothermique exploitée Croûte: Zones stables : 30 C/km (Zones actives : 500 C/km) Désintégration des éléments radioactifs U, K, Th = peut atteindre jusqu à 85% de la production de chaleur dans les continents Gradient faible Evacuation de la chaleur primitive du manteau Manteau = ½ rayon terrestre et 85% volume Flux de chaleur = évacuation de la chaleur primitive + désintégration U, K, Th (croûte et manteau) Flux de chaleur = [évacuation de la chaleur primitive + désintégration U, K, Th (manteau)] + désintégration U, K, Th (croûte) > 3

4 Convection et conduction thermiques Conduction thermique : pas de mouvement Convection thermique : mouvement de matière Lithosphère Conduction T Asthénosphère Convection Noyau z > 4

5 Evacuation de la chaleur du manteau : dorsales, rifts, volcanisme de subduction Chambre magmatique intracrustale: peu voire pas de volcanisme Expansion océanique (dorsales) : la conséquence (et non la cause) de la subduction Densité de la lithosphère froide > densité de l asthénosphère chaude > 5

6 Evacuation de la chaleur du manteau : point chauds > 6

7 Flux de chaleur dans la croûte flux de chaleur (mw/m²) = conductivité thermique (W/m/K) gradient géothermique ( C/km). Mesure en labo Quantité d énergie: si la croûte est à l équilibre thermique, le flux est constant, mais la conductivité et le gradient peuvent varier. Mesure en forage Mais - Il existe un terme source - N y a-t-il que de la conduction? > 7

8 Production de chaleur interne Production de chaleur moyenne dans la croûte continentale ~ 1.0 μw/m 3 dans la croûte océanique ~ 0.5 μw/m 3 dans le manteau ~ 0.02 μw/m 3 Qs = Flux de chaleur en surface (mw/m 2 ) Croûte continentale d épaisseur H A= Production de chaleur volumique (μw/m 3 ) Q s = Q m + A. H Q m = Flux de chaleur en provenance du manteau (mw/m 2 ) Type de roche Production moyenne (μw/m 3 ) Roches granitiques Gneiss Roches sédimentaires Péridotite Soultz 3-6 µw/m 3 Granites High Heat-Producting (HHP) en Australie: 10 à 30 µw/m 3 > 8

9 Et la convection? Il n y a pas que le magma Temperature at 1500m Tertiaire Trias Soultz-sous-Forêts Granite > 9

10 Flux de chaleur : attention à prendre du recul flux de chaleur (mw/m²) = conductivité thermique (W/m/K) gradient géothermique ( C/km). > 10

11 Les modes d exploitation de la chaleur géothermique

12 Vecteur de l énergie géothermique et usage Fluide vecteur PAC EAU EGS VAPEUR Energie locale du point de vue: -Ressource : chaque gisement à ces caractéristiques propres -Utilisation : transport de la chaleur difficilement envisageable > 12

13 Typologie de la géothermie Proche sous-sol influence du flux solaire (équilibre thermique) Formations volcaniques fissurées et/ou poreuses, HT (systèmes convectifs des zones actives) t < 30 C 120 C < t < 180 C 30 C < t < 90 C voire davantage t > 160 C Bassins sédimentaires à porosité et perméabilité connus par prospection pétrolière (conduction ou conduction/convection) Socles +/- fracturés et +/- «secs» des plates-formes continentales stables (convection) > 13

14 La géothermie assistée par pompe à chaleur (géothermie très basse énergie) Une énergie renouvelable adaptée aux besoins thermiques des bâtiments

15 Une origine mixte de la chaleur exploitée Les variations saisonnières sont amorties dans les premiers mètres La température du proche sous-sol est égale à la moyenne des températures annuelles Ensuite, c est le gradient géothermique qui contrôle la température

16 Les échangeurs géothermiques >Des technologies variées, de la maison individuelle au grand tertiaire : PAC sur capteur horizontal PAC sur sonde verticale PAC sur nappe

17 La pompe à chaleur Principe : une pompe à chaleur géothermique prélève la chaleur du sol ou des aquifères et la restitue à plus haute température dans les bâtiments. Source de chaleur Pompe à chaleur Sous-sol Evaporateur Détendeur Condensateur Habitation Qextraite Compresseur Qfournie W Energie électrique coefficient de performance (COP) : rapport entre la chaleur utile et l électricité consommée. Valeurs de COP : classiquement 3 mais évoluent vers 4 ou 5. La PAC est réversible : elle peut climatiser le bâtiment. On peut même rafraîchir quasi-gratuitement en faisant simplement circuler les fluides entre l habitation et le sous-sol : c est le géocooling ou freecooling.

18 Un exemple : la Mairie des Mureaux (étude EDF)

19 Un exemple : la Mairie des Mureaux (étude EDF)

20 La France, troisième marché d Europe pour les pompes à chaleur géothermiques Nombre de PAC vendues (livrées et facturées) sur le marché français depuis 2002 (PAC de 5 à 50 kw) Aérothermie Géothermie

21 Outils d accompagnement du développement de la filière > Crédit d impôt pour les particuliers : 26% > Fonds chaleur renouvelable Pour les opérations collectives, le tertiaire, l industrie 1,2 milliard d euros entre 2009 et 2013 Principes de financement Etudes de faisabilité Compensation de la différence de coût entre un projet renouvelable et une solution de référence (gaz 5%) > Couverture du risque : Aquapac Pour les aquifères superficiels (<100m) Projets collectifs: >30kW Couverture court terme (débit initial) et long terme (pérennité de la ressource) Montant maximal couvert: 115k / opération > Démarches qualité Qualiforage, QualiPAC Certification obligatoire des foreurs?

22 De la place pour l innovation > Nouvelles géométries d échangeurs > Pieux géothermiques, fondations énergétiques > Optimisation du système complet > Stockage de chaleur ou de froid

23 Les réseaux de chaleur géothermiques (géothermie basse énergie) Un choix gagnant à long terme

24 Principe du doublet géothermique (et du réseau de chaleur)

25 Le bassin parisien, milieu propice à la géothermie profonde et intermédiaire > De nombreux aquifères intéressants (connus par l exploration pétrolière) > Dogger : température et débits favorables

26 Bassin parisien : 36 doublets géothermiques

27 Une gestion raisonnée du Dogger > Evaluation de la durée de vie des 36 doublets existants > Possibilités d implantation de nouveaux doublets Etat du champ thermique du Dogger modélisé à fin 2010

28 France : 3ème place de l UE

29 Une opération typique : ADP Orly Caractéristiques attendues Température : 74 C - Débit : 250 à 300 m3/h Puissance 10 MW MWh/an Economie de t CO2/an Coût des travaux sous-sol: 9 M

30 Vue du chantier de forage

31 Quelques équipements clefs Les outils de forage Les échangeurs à plaques en titane La pompe d exhaure Les tubages (6 km) 31

32 Outils d accompagnement du développement de la filière > Fonds chaleur renouvelable Pour les opérations collectives, le tertiaire, l industrie 1,2 milliard d euros entre 2009 et 2013 Principes de financement Etudes de faisabilité Compensation de la différence de coût entre un projet renouvelable et une solution de référence (gaz 5%) Financement de développement de réseaux de chaleur > Réduction de TVA (5,5%) pour les réseaux utilisant 50% d énergies renouvelables ou de récupération > Couverture du risque : SAF Pour les aquifères profonds (>100m) Couverture court terme (température, débit initial) et long terme (pérennité de la ressource) 65 à 90% de couverture suivant les régions cotisation de 3,5 à 5% du montant des travaux Montant maximal couvert: 4,2 M / opération > Capitalisation de l état de l art

33 Redémarrage en cours

34 De la place pour l innovation > Nouveaux aquifères > Matériaux > Cogénération > Systèmes hybrides > Stockage de chaleur

35 La production d électricité géothermique (géothermie haute énergie) en milieu volcanique Cent ans d électricité géothermique Un enjeu pour le bouquet énergétique des îles volcaniques françaises

36 Historique: le champ de Larderello 1904: première production d électricité grâce à la vapeur géothermale Le prince Ginori Conti allume symboliquement 5 ampoules, annonçant la construction de la première centrale expérimentale de 20kW > 36

37 Le champ de Larderello Production annuel d électricité géothermal en Italie (Cappetti et al., 2010) > 37

38 Larderello : principal gisement dans l Union européenne Production installée à Larderello : 542 MW Surface exploitée : 250 km puits et 21 centrales Photo : ENEL > 38

39 Ressources et capacités de production mondiales Volcans Limites de plaques > 39

40 Système géothermal haute énergie Eau météoritique Fluides météoriques froids Réservoir Fluides chauds Fractures = forte perméabilité Source chaleur > 40

41 Vapeurs volcaniques Islande Islande Nevada Toscane > 41

42 Captage par forage (après exploration de surface) L état du fluide géothermal dans le réservoir dépend de la pression et de la température qui détermine l enthalpie et donc son potentiel énergétique. Vapeur seule: vapeur sèche Liquide + Vapeur: vapeur humide Actuellement, la production d électricité se fait avec des fluides entre 110 C et 350 C et des débits de quelques dizaines de kg/s. > 42

43 Quelques systèmes de conversion électrique Selon la nature et les propriétés du fluide, il existe différents systèmes pour produire de l électricité: Centrale à fluide binaire (ORC: Rankine Organic Cycle) : 100kW à 20 MW - Température du fluide entre 120 C et 180 C voire plus - Fluide secondaire: ammoniac, alcane, réfrigérant Centrale à condensation (flash) :1 à 100 MW) > 43

44 La centrale de Bouillante en Guadeloupe Plateforme du puits BO-4 et des nouveaux puits BO-5, BO-6 et BO-7 Trajet approximatif de la conduite de vapeur Nouvelle unité Site Bouillante retenu 2 pour la nouvelle (10 MWe) unité Bouillante 2 Ravine Blanche Station de pompage d'eau de mer Unité existante Bouillante 1 (4,75 MWe) et puits BO2 Bourg de Bouillante Baie de Bouillante La centrale de Bouillante produit de l électricité depuis 1986 : 1 ère tranche de 4 MW 2 ème tranche de 11MW installée en 2004 Produit environ 6% de l électricité de cette île de habitants

45 Emprise de la centrale de Bouillante

46 La plateforme des puits et la conduite diphasique La plateforme des puits La conduite diphasique Le séparateur

47 Les puits Débit des puits : m 3 /h Au total : 600 m 3 /h pour une production de 15 MW Pression en tête de puits : ~ 25 bar NW SE Faille de Cocagne 0 Faille de Descoudes Niveau de la mer BO BO position de la principale zone productrice BO BO M

48 La plateforme des puits

49 Le séparateur La sortie des conduites vapeur et eau séparée L arrivée de la conduite diphasique

50 Les pompes d eau de mer Pompe B1 Pompes B2 Prélèvement

51 La centrale Transformateurs Unité n 1 Unité n 2

52 L unité n 1 4 MW mise en service en 1986

53 L unité n 2 11 MW mise en service en 2005

54 Outils d accompagnement du développement de la filière > Tarif d achat de l électricité géothermique en métropole 0,13 /kwh [Bonus de 0,03 /kwh en cas de valorisation de la chaleur] > Des démarches en partenariat entre les collectivités, l ADEME et le BRGM dans ces terrritoires: Guadeloupe : commune de Vieux-Habitants Martinique : approche régionale Interreg Caraïbes Réunion

55 Les systèmes géothermiques de nouvelle génération (Enhanced geothermal systems) Un potentiel sous nos pieds

56 La première centrale géothermique EGS au monde se situe à Soultz-sous-Forêts en Alsace > Production d électricité renouvelable, en base, en région non volcanique > Projet de recherche démarré en 1987 > Raccordement au réseau en 2010 > Production nette: 1 MWe > Profondeur : 5 km > Coût: environ 80 M > Potentiel (IEA): en 2050, identique à la géothermie conventionnelle

57 La centrale ORC (Organic Rankine Cycle) Condensateur Vaporisateur GPK2 GPK3 GPK4 Têtes de puits > 57

58 De la problématique HDR à la problématique EGS HDR : Hot Dry Rock Créer artificiellement un réservoir dans des roches dures par maitrise de la fracturation hydraulique EGS: Réservoirs géothermiques naturels fracturés sur lesquels on agit par stimulation hydraulique ou chimique pour augmenter les performances hydrauliques du sous-sol EGS : Enhanced Geothermal System Dans des régions non-volcaniques Dans des réservoirs non conventionnels de type granite fracturé à faible perméabilité Toujours présence de fluide Ni Hot ni Dry ni Rock! > 58

59 Outils d accompagnement du développement de la filière > Tarif d achat de l électricité géothermique en métropole 0,20 /kwh Bonus de 0,08 /kwh en cas de valorisation de la chaleur > Appel à projets européen NER300 3 projets déposés en Europe (Hongrie, République Tchèque, Slovénie) 1 projet retenu (Hongrie) > Soutien à la recherche (ADEME + Allemagne) : Soultz phase III (et IV?)

60 En guise de conclusion : Quelle contribution aux enjeux énergétiques français attendre de la part des géothermies?

61 Un contexte favorable au développement des énergies renouvelables: 3 piliers (GES, EnR, efficacité énergétique)

62 Usages et atouts de la géothermie > Directive européenne sur les énergies renouvelables : La géothermie est l exploitation de la chaleur contenue dans le sous-sol > Usages Electricité / Chaleur / Froid > Avantages > Points faibles Energie renouvelable Investissement conséquent Energie de base Risque géologique (couverture) Potentiel important (~solaire) Délais Faible occupation foncière (haute énergie) Impacts limités Energie locale Source d emploi local Coûts de fonctionnement réduits, stables

63 Objectifs du Grenelle Environnement > 20 millions de tep d énergie renouvelable supplémentaires : 23% du mix > 10 millions de tep de chaleur renouvelable supplémentaires (x2) > 1 million de tep de chaleur supplémentaires pour la géothermie (x6) ktep PAC géothermiques individuelles PAC géothermiques tertiaire et collectif Réseaux de chaleur géothermiques > 50% d énergies renouvelables dans le mix énergétique Outre-mer > De 15 à 80 MW électriques (200 MW à moyen terme)

64 Merci de votre attention

65 Ressources documentaires complémentaires

66 Quelles contributions du sous-sol à l énergie? > Produire de l énergie carbonée > Produire de l énergie décarbonée : Géothermie (électricité, chaleur) Uranium > Stocker de l énergie (souvent décarbonée) Stockage d électricité : CAES, stockage de H2 Stockage d énergie thermique > Décarboner l énergie : Stockage de CO2

67 Compléments sur la géothermie profonde de nouvelle génération

68 Les deux facteurs clés de la réussite d une opération géothermique > La température Le gradient géothermique moyen est de 3 C / 100 mètres En milieu volcanique, la présence de sources de chaleur magmatiques conduit à des températures élevées à de faibles profondeurs Des anomalies thermiques existent, y compris en milieu non volcanique Hurtig et al., 1992

69 Les deux facteurs clés de la réussite d une opération géothermique > La température Le gradient géothermique moyen est de 3 C / 100 mètres En milieu volcanique, la présence de sources de chaleur magmatiques conduit à des températures élevées à de faibles profondeurs Des anomalies thermiques existent, y compris en milieu non volcanique > Le débit De manière très générale, la présence de fluide diminue avec la profondeur et sa composition chimique se complique (saumures) Le débit rencontré est lié à une porosité/perméabilité de matrice (couverture Source : ECOGI sédimentaire) et/ou de fracture La stimulation permet d améliorer la circulation dans les fractures existantes et d améliorer la connexion du puits au réseau naturel Source : BRGM Puits T 0 T 1 T 2 T f Etat initial ouverture : réduction de la composante normale U n UsLibération du cisaillement Refermeture de la fracture Augmentation de l ouverure

70 La géothermie profonde de nouvelle génération : une nouvelle carte à jouer > Des avancées technologiques Démonstration à Soultz du concept général et du succès de la stimulation Amélioration des cycles thermodynamiques de production électrique : vers des températures plus faibles Amélioration des technologies de forage pour de nouvelles architectures de puits, à des coûts moindres GEIE Soultz Source : Fonroche Source : Enertime

71 La géothermie profonde de nouvelle génération : une nouvelle carte à jouer > Des avancées technologiques Démonstration à Soultz du concept général et du succès de la stimulation Amélioration des cycles thermodynamiques de production électrique : vers des températures plus faibles Amélioration des technologies de forage pour de nouvelles architectures de puits, à des coûts moindres > De nouvelles cibles Aquifères sédimentaires chauds Aquifères de socle fracturé chauds Dogger Géothermie superficielle Soultz Source : BRGM

72 La géothermie profonde de nouvelle génération : une nouvelle carte à jouer > Des avancées technologiques Démonstration à Soultz du concept général et du succès de la stimulation Amélioration des cycles thermodynamiques de production électrique : vers des températures plus faibles Amélioration des technologies de forage pour de nouvelles architectures de puits, à des coûts moindres > De nouvelles cibles Aquifères sédimentaires chauds Aquifères de socle fracturé chauds Source : ECOGI > De nouvelles perspectives ouvertes Rapprochement des lieux de consommation en sortant des zones volcaniques De nouveaux débouchés accessibles : les procédés industriels et réseaux de chaleur haute température

73 La géothermie, filière industrielle stratégique de l économie verte > Le rapport de 2010 du MEDDM sur les filières vertes positionne cette géothermie profonde comme un marché en décollage. > C est dans cette phase qu il convient d acquérir un savoir-faire et de conquérir des parts de marché. Source : MEDDE

74 Les perspectives de développement vues par l AIE 11 GW à ce jour Géothermie profonde de nouvelle génération (EGS) Moyenne température Haute température Source : AIE > Ce développement est conditionné par la réalisation d une cinquantaine de démonstrateurs au niveau mondial > Cela doit permettre de lever les verrous scientifiques et techniques et de faire baisser les coûts > L enjeu est la valorisation de l énorme potentiel de l énergie géothermique

75 Priorités de RD&D identifiés par l AIE > Exploration des ressources, amélioration des techniques correspondantes et mise à disposition des données auprès des acteurs économiques > Amélioration des techniques de forage et de complétion (réduction de coût, haute température/haute pression), des instruments de fond de puits et des opérations de maintenance des puits > Amélioration de l efficacité énergétique des systèmes de cogénération > Développement de démonstrateurs géothermiques de nouvelle génération dans différents contextes géologiques, de technologies de stimulation, d outils de décision et de modélisation du réservoir, prévention des impacts et des risques, démonstration d une production de long terme et sauts d échelle successifs vers les 50 MW > Exploitation de ressources alternatives (valorisation de l eau coproduite avec le pétrole et le gaz, fluides supercritiques ) > Augmentation du financement de la RD&D et de la coopération internationale Source : BRGM

76 Synthèse et attentes de la filière > Les évolutions technologiques et l expérience de Soultz-sous-Forêts permettent aujourd hui d envisager un développement significatif de cogénérations géothermiques dans des régions non volcaniques. > Le développement de la filière correspondante passe par la réalisation de démonstrateurs (aujourd hui non financés) dans des contextes géologiques variés afin de : Constituer un portefeuilles de stratégies de stimulation adapté à toutes les situations Envisager de s affranchir davantage du contexte en faisant plus lourdement appel à diverses technologies issues du génie géothermique (architectures de puits complexes ) Source : Fonroche > Un soutien à la R&D, y compris en amont de ces démonstrateurs, est nécessaire pour développer de nouveaux concepts et alimenter les besoins technologiques. > Une couverture du risque géologique doit être mise en place pour permettre à des projets préindustriels et industriels d émerger.

77 L état des lieux réalisé dans le cadre du débat national sur la transition énergétique

78 La prédominance des énergies fossiles > Chine premier consommateur mondial d énergie > Europe 15% de la consommation mondiale Energies fossiles = 81% > Mutations Ressources pétrolières et gazières non conventionnelles Percée des énergies renouvelables (solaire, éolien, géothermie ) Catastrophe nucléaire de Fukushima

79 Défis environnementaux > Raréfaction des ressources, croissance démographique, développement économique > Changement climatique > Pollutions, risques naturels et technologiques

80 La chaleur, usage prédominant de l énergie Chiffres France > 2,4 tep par habitant en 2011 > Trois grands usages Chaleur : 50% Mobilité: 35% Electricité spécifique: 15%

81 L évolution du mix français en 40 ans Le chauffage électrique, spécificité française > 2 e énergie de chauffage > 1 logement / 3, 25% des surfaces tertiaires > 50% du chauffage électrique européen

82 Le nucléaire prédominant pour l électricité (75%) et celui des énergies fossiles dans le mix (71%) Gestion des pointes électriques > 56 GW en moyenne > Varie entre 30 et 102 GW au cours de l année > La pointe a progressé plus vite sur 10 ans (3%/an) que la moyenne (0,6%) 97% des énergies fossiles sont importées

83 Une lourde facture énergétique Importation nette d hydrocarbures : 62,4 Mds (87,2 Mds - 24,8 Mds d export de produits raffinés) Exportation d électricité : 3 Mds

84 Une facture comparable au déficit commercial Impacts > Compétitivité des entreprises > Pouvoir d achat des ménages (énergie = 7,7% des dépenses totales)

85 Et les gaz à effet de serre? Par habitant et par an (hors agriculture) > 5,5 t CO2 en France > 7,3 t CO2 en Europe > Plus de 15t CO2 aux USA

86 Les orientations pour la transition énergétique > La sobriété énergétique Ramener les services énergétiques au niveau des besoins réels Sans réduire le confort ou la qualité de vie (?) Exemples : réduire les gaspillages liés à des services inutiles, bien dimensionner les équipements par rapport à leur utilisation, être plus rationnel dans leur usage. > L efficacité énergétique fournir les mêmes services en consommant moins de ressources énergétiques (améliorer les rendements à toutes les étapes, chez les consommateurs finaux mais aussi dans le système énergétique lui-même) Exemples: amélioration de l isolation des bâtiments, des performances des appareils, réduction des pertes sur les réseaux et optimisation des systèmes de production d énergie > Le développement des énergies renouvelables > Options sur les énergies fossiles et le parc nucléaire Pétrole et gaz non conventionnels Captage et séquestration du CO2 Avenir du parc nucléaire