SOlutions for Low Energy Neighbourhoods La géothermie Les points principaux La géothermie est l étude et l exploitation des phénomènes thermiques internes à la Terre. La chaleur terrestre est présente en très grande quantité et se dissipe très lentement ce qui en fait une énergie renouvelable et durable à l échelle de plusieurs générations humaines. Différentes géothermies sont distinguées suivant la température : la très basse, la basse, la moyenne et la haute énergie. La chaleur de la terre peut directement être utilisée pour le chauffage ou indirectement pour produire de l électricité et, grâce à une gamme de températures et de profondeurs très large, les applications industrielles sont très diversifiées. Résumé Depuis sa création, notre planète constitue un réservoir d énergie qui se dissipe très lentement sous forme de chaleur. Cette chaleur terrestre peut être récupérée directement au niveau des roches ou en puisant l eau chaude de nappes souterraines. La géothermie est particulièrement propice dans certains contextes géologiques comme les zones de volcanisme mais la chaleur de la terre est exploitable partout sur le globe et en différentes profondeurs. Des techniques variées existent pour extraire et utiliser cette chaleur pour le chauffage ou la production d électricité. Ainsi, cette fiche pratique passe en revue la géothermie comme source d énergie renouvelable, les différentes techniques d extraction, ses avantages et ses inconvénients et conclut en présentant le cas wallon de Saint-Ghislain. Photo : www.sciencesplus.ca Financé par la Wallonie, DGO4, programme mobilisateur erable
Introduction : présentation et origines La géothermie est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes à la Terre. Plus largement, elle englobe également l ensemble des processus industriels qui exploitent et utilisent cette ressource thermique pour produire de la chaleur et/ou de l électricité. En outre, cette ressource du sol et du sous-sol de la Terre est une source d énergie renouvelable. D ailleurs, l UNESCO la définit comme suit : «La géothermie est l utilisation de la chaleur naturelle de la terre, en tant que source d énergie locale, concurrentielle, durable et acceptable du point de vue écologique et social, pour produire de l électricité et pour les applications directes de la chaleur.» Historique et bilan actuel de l utilisation de la géothermie La chaleur de la terre est exploitée depuis plusieurs millénaires. Elle le fut en premier lieu par les Etrusques qui utilisent les sources d eau chaude pour fabriquer des émaux et comme bains thermaux. L idée des bains est ensuite reprise par les romains qui la perfectionnent. La balnéothérapie issue de sources chaudes se répandra par la suite après l an 1000 chez les arabes mais aussi les turcs et les grecs ainsi qu au Japon et en Islande. Un peu plus tard, au 14 ième siècle, on voit apparaitre des réseaux de chaleur en bois qui permettent de transporter l eau chaude. La chaleur de la terre est alors employée, toujours via les sources chaudes, dans des habitations ainsi que pour certains usages industriels comme le lavage de la laine et des peaux. Il faudra ensuite attendre le début du 20 ième siècle pour que la géothermie soit utilisée dans des processus industriels grâce à la vapeur et, finalement, afin de produire de l électricité. En 2010, la filière de la géothermie a produit 69.9 TWh d électricité à travers 350 installations totalisant une puissance de 10.7 GW et situées dans une vingtaine de pays à travers le monde. Toutefois, cette production d électricité durable ne représentait que 0,3% de la production mondiale, soit bien moins que les autres filières de production d électricité renouvelable. Du côté de la production de chaleur les installations géothermiques comptaient, en 2009, une puissance de 50.6 GW pour une production de chaleur de 120 TWh (source : ADEME/BRGM). Les 15 pays les plus producteurs de chaleur géothermique totalisent plus de 80% de cette production (voir Figure 1). - Page 2
Figure 1 : Liste des 15 principaux pays producteurs de chaleur géothermique en 2009 (Source : AIE) Pourquoi est-elle considérée comme renouvelable? La roche terrestre qui a emmagasiné la chaleur lors la formation de la Terre a une mauvaise conductibilité thermique. Par conséquent, cette chaleur reste en grande partie prisonnière au cœur de la Terre et se dissipe très lentement. De ce fait, une quantité phénoménale d énergie est disponible sur un laps de temps très important et, même si elle diminue avec le temps, elle peut être considérée comme durable à l échelle de plusieurs générations humaines (ApplicaSciences, 2011). L utilisation de la géothermie n entraine, en outre, que très peu d émissions de CO 2 ou d autres substances nocives (VITO Team geo, 2012). En effet, une centrale géothermique n émet en moyenne que 55 g de CO 2 par kwh produit, soit plus ou moins 10 fois moins que dans une centrale thermique au gaz naturel (SER, 2012). Gradient thermique et origines terrestres de la chaleur La chaleur terrestre utilisable aujourd hui est liée à l histoire géologique de la Terre et à des phénomènes de surface. Ainsi, on distingue : Une chaleur primitive provenant d un flux thermique profond : lors de la création de la Terre, l accrétion des éléments de poussières et de fragments de roches ainsi que la désintégration d éléments radioactifs à courte durée de vie ont dégagé de très grandes quantités d énergie, faisant augmenter la température et fondre la matière. Rapidement, l enveloppe a refroidi, formant ainsi la croûte terrestre mais le centre est resté chaud. C est donc cette chaleur résiduelle de la formation de notre planète qui continue de rayonner aujourd hui vers la surface de la Terre. - Page 3
Une chaleur de frottement due aux mouvements des plaques tectoniques : ce mouvement échauffe et déforme la roche. Cette production d énergie se dissipe sous forme de chaleur vers la surface de la Terre, créant par endroits des sources d eau chaude. Une chaleur issue de la dégradation des éléments radioactifs : les éléments radioactifs à longue durée de vie tels que l uranium, le thorium et le potassium présents dans l écorce terrestre se transforment lentement et continuellement d éléments instables en éléments stables. Cette désintégration dégage de l énergie convertie en chaleur dans la croûte terrestre. Une chaleur liée aux conditions climatiques : le sol est réchauffée par le rayonnement solaire et la migration des eaux de pluie. La chaleur terrestre est donc disponible partout mais n est pas répartie uniformément à la surface de la Terre. Elle est plus présente dans les zones de volcanisme ou de tectonique active. De même, la température va augmenter régulièrement avec la profondeur. Ce phénomène est appelé le gradient géothermique. En Belgique, en partant d une température d environ 10-12 C au niveau du sol, la température augmente de 3 C tous les 100 mètres. Cependant, le gradient géothermique peut être beaucoup plus important comme c est par exemple le cas en Islande où il atteint les 30 C par 100 mètres. Ainsi, la quantité de chaleur fournie par la Terre augmente constamment avec la profondeur. La figure suivante (voir Figure 2) présente une coupe schématique de la Terre montrant l augmentation de la température du sol avec la profondeur, ainsi que les différentes couches successives (croûte terrestre, manteau et noyaux) et deux types de zones volcaniques (zone de subduction et dorsale océanique). Figure 2 : La chaleur de la Terre (Source : www.geothermie-perspective.fr) - Page 4
Techniques d extraction de la chaleur et applications Un forage sera toujours nécessaire pour extraire la chaleur du sol peu importe la profondeur. Pour récupérer cette chaleur, on utilise un fluide caloporteur qui parcourt le sol, s échauffe et est finalement récupéré grâce à une pompe. Dans la majorité des cas c est l eau qui joue ce rôle. Dans un premier temps, il y a donc deux possibilités : L eau est naturellement présente : elle est pompée directement dans la nappe d eau chaude et sa chaleur est récupérée. Ensuite, si elle contient peu de sels et si la nappe est réalimentée naturellement, elle est alors rejetée en surface sans risque pour l environnement. Dans ce cas de figure, un seul puits est suffisant pour l exploitation du gisement. Dans le cas contraire, l eau doit être réinjectée dans la nappe d origine via un second puits. Il s agit alors d une exploitation en doublet. Dans une exploitation de ce type, il est nécessaire que le puits de réinjection soit suffisamment éloigné du puits de production pour éviter le refroidissement au point de prélèvement. Ainsi, plus cette distance sera grande, plus la durée de vie du projet sera longue, pour autant que le gisement soit réalimenté continuellement en énergie. Le sol ne présente pas d eau : la chaleur peut toutefois être exploitée en injectant sous forte pression de l eau au sein du sol. Celle-ci, au contact des roches, voit sa température augmenter. Elle est ensuite récupérée par un deuxième forage pour en extraire la chaleur. Puis, elle est réinjectée à nouveau dans le sol. Par conséquent, dans ce cas-ci, seul le doublet est possible. On parle de géothermie profonde assistée car les roches sont stimulées par l injection du fluide et parce que cette technique est utilisée pour récupérer la chaleur à des profondeurs variant entre 3 et 5 kilomètres. Ce système d extraction de la chaleur terrestre permet d éviter une pollution de l environnement, de contrôler la quantité d eau dans la roche et de récupérer la chaleur même là où il n y a pas de nappes d eau. Ces deux premiers types d extraction constituent des systèmes «ouverts», c est-à-dire que le fluide caloporteur est directement en contact avec les roches du sous-sol. À l inverse, le dernier type d exploitation de la chaleur terrestre est un système «fermé» : L eau parcourt une conduite fermée : l eau comme fluide caloporteur est mélangée à de l antigel et parcourt des tuyaux enterrés tels que des capteurs horizontaux ou des sondes verticales et directement reliés à une pompe à chaleur. Cette technique exploite la géothermie peu profonde qui ne dépasse que rarement les 150 m de profondeur. Une fois la chaleur extraite, elle peut être valorisée de deux manières. D une part, elle peut l être de façon directe pour le chauffage de locaux et l eau chaude sanitaire ou au sein de processus industriels nécessitant de la chaleur comme, par exemple, la biométhanisation. Dans ce cas-là, un échangeur transfère la chaleur issue de l eau géothermique à l eau du réseau de chaleur ou du système de chauffage. L eau puisée ne peut, en effet, être utilisée directement au sein du système de chauffage que si elle répond à des conditions physiques et chimiques satisfaisantes pour éviter l endommagement des tuyauteries et des systèmes. D autre part, la chaleur peut aussi être valorisée de façon indirecte en produisant de l électricité grâce à des turboalternateurs - Page 5
fonctionnant avec la vapeur d eau extraite du sous-sol. L utilisation de la chaleur terrestre est fonction des ressources, des techniques utilisées et des besoins. Toutefois, c est la température de la source de chaleur qui va servir de guide et déterminer l utilisation adéquate. Ainsi, on classe la géothermie en quatre catégories : La géothermie haute énergie avec des températures supérieures à 150 C : elle se retrouve dans des zones possédant un gradient géothermique très élevé ou à de grandes profondeurs et peut servir à produire de l électricité grâce à la récupération de la vapeur humide ou sèche. La géothermie moyenne énergie avec des températures de 90 et 150 C : elle est présente sous forme de gisements d eau chaude, voire de vapeur humide, et peut donc être utilisée en chaleur ou éventuellement pour produire de l électricité. La géothermie basse énergie avec des températures de 40 à 90 C : elle est inadéquate pour produire de l électricité mais est parfaite pour le chauffage des habitations, le thermalisme, le chauffage des serres, la climatisation et certains processus industriels comme le séchage de produits agricoles. La géothermie très basse énergie avec des températures inférieures à 40 C : elle peut également être utilisée pour la production de chaleur si elle est couplée à une pompe à chaleur qui augmentera suffisamment la température pour le chauffage. Le tableau suivant (voir Tableau 1) présente synthétiquement les différents débouchés possibles, directs ou indirects, en fonction de la catégorie de géothermie employée et de la température du gisement géothermique. Tableau 1 : Récapitulatif donnant une idée des différentes applications de la géothermie suivant la température (Source : ApplicaSciences) - Page 6
En dehors des exploitations utilisant de l eau comme fluide caloporteur et pour des applications spécifiques, le fluide permettant d extraire la chaleur du sol peut aussi être de l air. C est le cas des puits canadiens et provençaux. Ce type de puits permet à l air qui alimente le bâtiment de parcourir au préalable une conduite enterrée et donc d être tempéré grâce à l inertie thermique du sol. Ainsi, suivant la saison et les conditions climatiques, le bâtiment est réchauffé (puits canadiens) ou refroidit (puits provençaux). Il est également à faire remarquer que le sol peut aussi servir de stockage de chaleur. Par exemple, la chaleur de l été peut être stockée au moyen d une pompe à chaleur dans le sous-sol et être réutilisée en hiver. Ce principe est appelé le «stockage thermique saisonnier». Pour finir, la qualité et la durabilité d une exploitation géothermique sont mesurées et exprimées au moyen d un coefficient de performance ou COP (Coefficient of Performance). Celui-ci correspond au rapport de l énergie nécessaire à l exploitation (puissance de la pompe) et de l énergie géothermique produite. Concrètement, on a : COP = chaleur délivrée utile (MWth) électricité nécessaire (MWé) Dans le cas de la géothermie, ce coefficient sera fonction de deux paramètres principaux (VITO Team geo, 2012) : De la différence de température entre l eau extraite et l eau réinjectée : plus il augmente, plus le rendement de chaleur est important. De la perméabilité de la roche : plus l écoulement est élevé, meilleur est le débit et moins la pompe requiert de puissance. - Page 7
Avantages et inconvénients La géothermie présente de nombreux avantages : une économie d énergie, un respect de l environnement, des possibilités de refroidissement, un approvisionnement local, des applications variées, etc. De plus, comparativement aux autres énergies renouvelables, elle est indépendante des conditions climatiques et ne nécessite que très peu de surface au sol. Toutefois, deux paramètres importants sont à prendre en considération : les investissements nécessaires à l installation du projet de géothermie ainsi qu un potentiel variant d une région à l autre. Un cout de forage et d installation important Dans le cas de la géothermie profonde, la rentabilité du forage et du projet géothermique est déterminée suivant trois points : tout d abord sa capacité à fournir suffisamment de chaleur, ensuite la quantité d eau qui pourra être pompée et, finalement, la température de cette eau. Ces trois paramètres ne peuvent être connus qu en réalisant une exploration coordonnée du sol et du sous-sol ciblés (mesures sismiques, forages profonds, mesures géophysiques, etc). Ainsi, avant même que le projet ne commence, une pré-étude géologique et une analyse approfondie de la structure géologique du sol et du sous-sol doivent être réalisées. Ces deux premières étapes peuvent couter jusqu à 500 000 euros suivant l importance de l exploration à mener, la grandeur du site et la complexité du sol (VITO Team geo, 2012). Dés lors, le risque de se retrouver avec un gisement géothermique insuffisamment et inadéquat constitue un obstacle majeur et limite déjà considérablement l apport des investissements initiaux. Si les pré-études sont concluantes, l installation et la phase de forage se mettent en place. Les frais liés à cette étape sont fonction de l entreprise, de la complexité du projet, du dimensionnement des puits, des matériaux utilisés et de l environnement (VITO Team geo, 2012). Evidemment, les coûts de forage augmentent avec la profondeur des puits. Ainsi, il faut compter 1 million d euro pour environ 1 km, 3 millions pour 2 km et minimum 5 millions d euros si les 3 km sont dépassés (VITO Team geo, 2012). À ces coûts s ajoutent, en outre, les frais de gestion du forage et du chantier, les frais liés aux différentes autorisations à obtenir ainsi que les frais de manutention et d évacuation des terres du forage et de son rinçage. C est pourquoi la rentabilité du projet doit être assurée par des pré-études géologiques et les investisseurs sont généralement réticents. Ensuite, aux frais d installations des puits s ajoutent ceux liés à la gestion, l exploitation et la distribution de la chaleur. Ainsi, si un réseau de chaleur n est pas déjà présent, ces derniers dépasseront largement ceux du forage. Toutefois, même si les investissements de forage et de mise en place d une installation de géothermie profonde sont très élevés, le coût d exploitation et de gestion est quasi nul (VITO Team geo, 2012) et est nettement inférieur à ceux liés à un approvisionnement de chaleur au gaz par exemple. - Page 8
Un potentiel thermique du sol et du sous-sol inégal La chaleur naturelle de la terre est disponible partout mais à différents niveaux d énergie. En effet, la structure du sol (présence de nappe d eau chaude, perméabilité du sol, type de roche) va jouer un rôle important dans la possibilité d exploitation de la géothermie et dans le type de technique à employer. Cela est aussi dû au gradient thermique qui n est pas uniforme partout à la surface du globe. Ainsi les zones volcaniques et d activité tectonique ont un potentiel beaucoup plus intéressant pour le développement de la géothermie profonde à haute énergie (voir Figure 3). Figure 3 : Répartition des ressources mondiales de géothermie (source : BRGM) La Belgique se caractérise par un sous-sol géologique diversifié. La figure ci-dessous (voir Figure 4) présente les différentes zones à fort potentiel géothermique en Belgique en fonction de la structure géologique du sol. Les zones situées en Campine flamande sont composées de nappes aquifères calcaires possédant une bonne perméabilité. Cela permet des applications directes de la chaleur en forant sur 500 m de profondeur et en atteignant ainsi une température d environ 25 C. Des gisements de températures de 40 C et plus sont disponibles toujours en Campine mais également sous les bassins de houille du Hainaut. À contrario, le sous-sol du reste de la Wallonie est composé de roches peu perméables, ce qui empêche les applications de géothermie profonde. Néanmoins, un système de géothermie très basse température lié à une pompe à chaleur peut constituer une bonne alternative pour exploiter la chaleur de la terre au Sud de la Belgique. - Page 9
Figure 4 : Potentiel géothermique en Belgique (source : Berckmans et Vandenberghe, 1998 ; mise en forme : CPDT) Le cas wallon : le puits géothermique de Saint-Ghislain En Wallonie, il existe trois puits géothermiques : Saint-Ghislain, Douvrain et Ghlin mais seulement les deux premiers sont exploités. Ceux-ci puits sont situés dans le Hainaut sur le parcours de la vallée de la Haine à proximité de la ville de Mons. Ils exploitent un des seuls gisements géothermiques wallons. En 1972, le puits de Saint-Ghislain a été foré pour effectuer un sondage géologique. Suite à la découverte d une nappe d eau chaude entre 2400 et 2650m de profondeur, un deuxième puits a été creusé à Douvrain en 1979 pour déterminer son étendue. Le cas du Hainaut est particulier. En effet, les puits exploitent une nappe artésienne. Cela veut dire que l eau est sous pression dans cette poche et qu elle remonte sans assistance quasiment jusqu à la surface à un débit d environ 100 m³/h et à une température de 72 C. Le puits de Saint-Ghislain a ainsi été doté d une centrale thermique et distribue la chaleur de la terre depuis 1986. La chaleur extraite parcourt un réseau de chaleur qui alimente successivement différents consommateurs, du plus gros au plus faible en - Page 10
fonction de la température requise pour l application de la chaleur : L eau en provenance de la nappe d eau chaude parcourt en premier lieu trois échangeurs qui récupèrent 5.2 MW et alimentent le réseau de chauffage urbain d une longueur de plus de 6 km. Ce réseau chauffe ainsi le hall de sports, la piscine (locaux et bassin), trois bâtiments scolaires, dix immeubles de logements (355 appartements) et la gare de Saint-Ghislain. Il fournit également l hôpital du Grand-Hornu en énergie. La géothermie assure les besoins de chauffage de base du réseau. Quand la température descend sous 0 C, deux chaudières d appoint au gaz fournissent la part manquante (~10% annuellement) noncouverte par la géothermie. À la sortie des échangeurs qui alimentent le réseau urbain, l eau puisée a encore une température d environ 40 C, ce qui permet, via un deuxième lot d échangeurs, de puiser 900 kw et d alimenter et chauffer des serres de plus de 4000 m². À nouveau, à la sortie l eau possède encore une température de 34 C. Elle est alors employée pour favoriser le processus de biométhanisation pour la phase de séchage et la fermentation des boues à la station d épuration de Wasmuël, permettant ainsi la production de biogaz. Finalement, l eau est rejetée dans la Haine à une température d environ 30 C avec un potentiel restant estimé à 1 MW de chaleur. Ce dispositif en «cascade» permet d utiliser au maximum la chaleur fournie par le gisement géothermique et de s assurer ainsi de la rentabilité du projet. Dès lors, le puits géothermique de Saint-Ghislain fournit annuellement 16 700 MWh. Ce qui permet d économiser 5 400 tonnes d émission de CO 2 par an ou encore 2,3 millions de m³ de gaz naturel. Références APERe [2006]. A Saint-Ghislain, la chaleur vient des entrailles de la Terre, Fiche réalisée par l APERe pour le compte de la Région wallonne, Fiche téléchargeable sur http://energie.wallonie.be, version mars 2006. ApplicaSciences [2011]. La géothermie une énergie qui cache bien son jeu (sous terre)!, Fiche pédagogique n 1, Polytech News n 46, Publication d ApplicaSciences de la faculté Polytechnique de l UMONS avec le soutien financier de la DG06 du SPW, novembre 2011. Berckmans A. et Vandenberghe N. [2008]. Use and potential of geothermal energy in Belgium. Geothermics, 27, 235-242. Observ ER [2007]. La géothermie : http://www.energies-renouvelables.org/energie_geothermie.asp, consulté en mai 2014. Portail de l énergie en Wallonie [2008]. Valoriser la chaleur du ventre de la terre, c est possible! : http://energie.wallonie.be/, consulté en mai 2014. SER [2012]. Fiches d information sur la géothermie réalisées par le Syndicat des Energies Renouvelables, téléchargeable sur http://www.enr.fr/, version de juin 2012. VITO Team geo et al. [2012]. Guide de la Géothermie en Belgique, décembre 2012. - Page 11
Pour aller plus loin Autres fiches Découvrez nos autres fiches pratiques sur www.solen-energie.be, en particulier celle sur la pompe à chaleur : SOLEN.ER11 : La pompe à chaleur Et sur les autres énergies renouvelables : SOLEN.ER02 : Les panneaux solaires photovoltaïques SOLEN.ER03 : Les panneaux solaires thermiques SOLEN.ER04 : Les éoliennes SOLEN.ER05 : La biomasse SOLEN.ER06 : Le bois-énergie SOLEN.ER07 : Le biogaz SOLEN.ER08 : Les biocarburants SOLEN.ER09 : La micro-cogénération Liens utiles Notre site : www.solen-energie.be Le guide en ligne de l ICEDD : http://www.icedd.be/cogencdrom/ Portail de l énergie en Wallonie : http://energie.wallonie.be/ LEMA : www.lema.ulg.ac.be Architecture et Climat : www-climat.arch.ucl.ac.be Auteurs de la fiche Architecture et Climat Université catholique de Louvain S. Cuvellier et Prof. A. De Herde Place du Levant, 1 1348 Louvain-La-Neuve simon.cuvellier@uclouvain.be +32 10 47 23 34 - Page 12