Géothermie. BE 8 590v2 1-2008

Géothermie par Philippe LAPLAIGE Docteur en énergétique Ingénieur expert en charge des programmes de géothermie Agence de l environnement et de la maîtrise de l énergie (ADEME), département Énergies renouvelables et Jean LEMALE Ingénieur de l École nationale supérieure des arts et métiers (ENSAM) Ancien expert à l Agence de l environnement et de la maîtrise de l énergie (ADEME) 1. La Terre, source de chaleur... BE 8 590v2-2 1.1 Structure du globe... 2 1.2 Modèle géodynamique et tectonique des plaques... 3 1.3 Origine de la chaleur... 4 1.4 Gradient géothermal et flux de chaleur terrestre... 4 2. Gisements et ressources géothermales... 5 2.1 Gisement géothermal... 5 2.2 Types de gisements géothermaux 5 3. Mise en œuvre des ressources géothermales... 7 3.1 Exploration... 7 3.2 Principaux paramètres caractérisant la ressource géothermale... 8 3.3 Exploitation de la ressource : cas des ressources géothermales de basse énergie... 8 4. Utilisations des ressources géothermales... 12 4.1 Production d électricité... 12 4.2 Usages thermiques... 14 4.3 Utilisation de pompes à chaleur pour le chauffage et/ou la climatisation de locaux... 15 4.4 Chauffage urbain géothermique : cas des installations géothermiques du Bassin parisien... 15 4.5 Adjonction de pompes à chaleur... 17 5. Aspects économiques... 17 5.1 Production d électricité... 17 5.2 Production de chaleur : cas des réseaux de chaleur urbains géothermiques... 18 BE 8 590v2 1-2008 6. Aspects environnementaux... 21 6.1 Conditions de mise en œuvre... 21 6.2 Impact de la géothermie en tant qu énergie de substitution aux énergies fossiles... 21 7. Géothermie en France... 21 7.1 Ressources géothermales françaises... 21 7.2 Organisation... 23 8. Conclusion... 24 Pour en savoir plus... L Doc. BE 8 590v2 a géothermie a pour origine la chaleur de la Terre. Cette chaleur provient pour l essentiel de la désintégration des éléments radioactifs constitutifs de la croûte terrestre et la dissipation de l énergie primitive. Ses manifestations les plus visibles sont bien connues (volcans, geysers, sources chaudes...). est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 1

GÉOTHERMIE Moins connue que la majorité des autres énergies renouvelables (solaire, éolien...), la géothermie présente néanmoins certaines caractéristiques qui lui confèrent des avantages spécifiques appréciables : indépendance vis-à-vis des éléments extérieurs, présence en tous lieux, respect de l environnement, performances énergétique et économique. Utilisée bien avant les énergies traditionnelles, son potentiel, selon les techniques développées au fil du temps, est quasiment illimité. Sous le terme géothermie se cache en effet une diversité de techniques et d applications. Pour les techniques, l éventail va de la chaleur puisée à grandes profondeurs jusqu à l utilisation des propriétés du sous-sol à faible profondeur en passant par l exploitation de la chaleur de zones volcaniques. En ce qui concerne les applications, on distingue deux grandes applications : la production d électricité et la fourniture de chaleur. La production d électricité nécessite une ressource à une température supérieure à 90 o C que l on trouve notamment dans les zones volcaniques en bordure de plaques lithosphériques. Pour la fourniture de chaleur, les applications vont du chauffage d une maison individuelle à la création d un réseau de chaleur susceptible d alimenter des ensembles urbains de quelques milliers de logements, mais elles concernent également le chauffage des cultures sous serres ou des bassins de pisciculture. La géothermie a atteint une maturité technique qui permet sa mise en œuvre pour produire de l électricité à des coûts comparables à ceux d autres énergies renouvelables (hydraulique et éolien) et de la chaleur à des coûts compétitifs par rapport à ceux des énergies fossiles (gaz, fioul). De nouvelles formes de géothermie et notamment celles qui permettent de s affranchir de la présence d aquifères comme la géothermie des «roches chaudes profondes et fracturées» ouvrent des perspectives vers la généralisation de la géothermie en tout lieu. Comme la plupart des filières d énergie renouvelable, la géothermie est une filière de type capitalistique, c est-à-dire qui induit des coûts d investissement élevés. Son développement suppose : une certaine stabilité des prix des énergies fossiles concurrentes. La perspective actuelle d un maintien du prix des énergies fossiles à un niveau élevé constitue certes un atout mais la référence aux difficultés rencontrées lors du contre-choc pétrolier de 1985 est aussi pour certains un frein ; des mesures d accompagnement financier et de garantie des investissements pour lesquelles les pouvoirs publics ont élaboré les outils d incitation nécessaires ; la mise en place de structures spécifiques à la filière : maîtrise d ouvrage, financement, maîtrise d œuvre, gestion technique, recherche... Cet article traite de l ensemble des aspects relatifs à cette filière pleine d avenir. 1. La Terre, source de chaleur L histoire de la géothermie est étroitement liée à celle de la création du globe terrestre, puis de ses changements progressifs. Notre planète a ainsi connu d extraordinaires métamorphoses, surtout dans la première partie de sa formation. C est à cette période que la Terre s est structurée progressivement en différentes couches sphériques concentriques. 1.1 Structure du globe Les observations directes de la structure interne du globe terrestre ne concernent que les premiers kilomètres. Les connaissances acquises reposent surtout sur l étude des phénomènes de propagation (réfraction et réflexion) des ondes sismiques naturelles issues des tremblements de terre, ou provoquées lors des explorations géophysiques. On distingue généralement trois «enveloppes» principales constitutives de la structure du globe terrestre (figure 1) : au centre, le noyau qui forme 17 % du volume terrestre et qui se divise en un noyau interne solide et en un noyau externe liquide ; entouré d un manteau qui constitue 81 % du volume terrestre ; enfin à la surface, la croûte ou écorce, solide, et qui compte pour 2 % du volume. Le noyau a un rayon de l ordre de 3 470 km et sa température dépasse 4 000 o C. Autour du noyau, sur une épaisseur de 2 900 km, le manteau a une température qui varie de 1 000 à 3 000 o C. BE 8 590v2 2 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE De l Antiquité à nos jours : histoire de la géothermie Toutes les manifestations évidentes de l énergie thermique de notre planète (volcans, fumerolles, sources chaudes, etc.) étaient connues de nos lointains ancêtres et les premières formes d utilisation de la géothermie se perdent dans la nuit des temps : sources chaudes pour leurs vertus curatives, cuisson et séchage des aliments grâce aux fumerolles, extraction minière de sources thermales pour récupérer l acide borique et extraction du soufre et du sel. Cependant, toutes ces applications restèrent à une échelle extrêmement modeste et il faut attendre le début du XX e siècle pour que la géothermie passe du stade artisanal au stade industriel. La géothermie a deux grands domaines d application : la production d électricité et les usages thermiques. Les premiers développements de la géothermie comme source de production d électricité ont été réalisés en Italie, à Larderello en Toscane, au début du XX e siècle. Tout commence en 1904 lorsque des essais furent entrepris avec succès pour éclairer cinq lampes de quelques dizaines de watts à l aide d une dynamo actionnée par un moteur alternatif alimenté par de la vapeur géothermale. L année suivante, une première centrale expérimentale de 20 kw était construite sur le site pour fournir en électricité les habitations du village de Larderello à l aide d un petit réseau de distribution. En 1913, entrait en service la première vraie centrale géothermique avec un premier groupe à turbine d une puissance électrique de 250 kw. En 1944, la puissance électrique installée sur le site d exploitation atteignait 127 MW. Ce n est qu à partir de 1960 que la production d électricité d origine géothérmale commencera à prendre son essor au plan mondial. Elle devient alors une véritable industrie dont le développement s accélère surtout après le premier choc pétrolier de 1973. Aujourd hui, on dénombre plusieurs centaines d installations dans le monde : les puissances électriques unitaires installées varient de quelques mégawatts à plusieurs dizaines de mégawatts. Ces unités se répartissent dans une vingtaine de pays (États-Unis, Japon, Italie, Islande, Nouvelle-Zélande, Indonésie, Philippines, Mexique...), dont un tiers de pays en émergence pour lesquels la contribution de la géothermie peut atteindre 30 % de la production nationale d électricité. En 2005, la puissance électrique mondiale installée était de l ordre de 8 900 MW et la production annuelle d électricité par géothermie, d environ 57 TWh soit 0,4 % de la production mondiale. La géothermie se situait au quatrième rang des sources de production d électricité par énergie renouvelable après l hydraulique (2 630 TWh), la biomasse (220 TWh) et l éolien (~ 62 TWh). La géothermie, source de production de chaleur, a d abord été utilisée pour le chauffage d habitations. Après le très ancien et rudimentaire réseau de chaleur de Chaudes-Aigues (Auvergne), construit au XIV e siècle, et alimenté par une source d eau chaude à 82 o C, des expériences ponctuelles eurent lieu aux États-Unis à Boise (Idaho) et Klamath Falls (Oregon) dès la fin du XIX e siècle. Le premier vrai réseau de chauffage urbain alimenté grâce à la géothermie a été celui de Reykjavik (Islande) ; il date de 1930 et permettait de chauffer une centaine d habitations, deux piscines, un hôpital et une école. Il chauffe aujourd hui la quasi-totalité de la capitale islandaise. Des réseaux de chaleur urbains importants utilisant l énergie géothermale se développeront plus tard en France, Italie, Roumanie, Russie, Turquie, Géorgie, Chine, États-Unis, etc. Avec environ 27 800 MW installés et 72,6 TWh produits annuellement, la géothermie des usages thermiques est exploitée dans plus d une soixantaine de pays (Japon, Chine, Russie, États-Unis, France, Islande...). Elle constitue, grâce à la variété de ses usages (chauffage d habitations, production de froid, chauffage de serres, de bassins de pisciculture, balnéologie...), la deuxième source de chaleur renouvelable exploitée au niveau mondial après la biomasse. km 100 Croûte océanique 0 200 Figure 1 Schéma de la structure interne du globe terrestre Manteau Croûte continentale L écorce (ou croûte) est l enveloppe la plus superficielle. Son épaisseur et sa densité varient selon qu il s agit de zones continentales ou océaniques : zone continentale : densité moyenne 2,7 et épaisseur de 30 à 70 km ; zone océanique : densité moyenne 3,3 et épaisseur de 5 à 20 km. L écorce est la seule partie qui a pu être explorée directement par forage ; toutefois, les plus profonds n excèdent pas 12 km. 1.2 Modèle géodynamique et tectonique des plaques Lithosphère Asthénosphère Noyau interne (alliage fer nickel) Noyau externe Écorce Manteau (silicates riches en fer et magnésium) L écorce et la partie supérieure du manteau constituent la lithosphère (figure 1). Cet ensemble rigide repose sur une couche plus fluide située entre les parties supérieures et inférieures du manteau appelée asthénosphère, et dotée de mouvements de convection lents et réguliers. La lithosphère solide est fragmentée en plusieurs plaques mobilisées par les mouvements au sein de l asthénosphère. Des dégagements importants de chaleur se produisent aux frontières de ces plaques. Ils se manifestent par une activité volcanique importante et des intrusions magmatiques. Certaines plaques s éloignent les unes des autres dans des zones dites d accrétion. Lorsqu une plaque s enfonce sous une autre, on parle de zone de subduction. L une des régions les plus caractéristiques de ces phénomènes de tectonique de plaques est la zone qui circonscrit l océan Pacifique, et appelée «Ceinture de feu» (figure 2). Cette zone se caractérise par une activité volcanique importante présente en Nouvelle-Zélande, en Indonésie, aux Philippines, au Japon, au Kamtchatka, dans l arc des îles Aléoutiennes, en Alaska, en Californie, au Mexique, en Amérique centrale et enfin dans la cordillère des Andes. D autres zones existent, comme l arc des Petites Antilles ou la dorsale Nord Atlantique avec l Islande et les Açores ou l arc méditerranéen avec les pays du Maghreb, l Italie, l ex-yougoslavie, la Grèce, la Turquie et son prolongement vers l Asie, visible notamment en Arménie et au Nord de l Inde, ou encore le grand rift africain avec Djibouti, le Kenya, la Tanzanie, etc. est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 3

GÉOTHERMIE nord-américainericaine Eurasie Pacifique Farallon Cocos Nazca Caraïbes sud-américaine africaine arabe philippine Pacifique indo-australienne Antarctique volcan sens du mouvement des plaques Scotia Antarctique Figure 2 Carte des frontières actives de plaques lithosphériques 1.3 Origine de la chaleur Contrairement à une idée largement répandue, l essentiel de la chaleur dégagée par la Terre ne provient pas du refroidissement du noyau. Les zones intermédiaires entre le noyau et la croûte sont en effet de très mauvaises conductrices de chaleur. Deux phénomènes principaux expliquent l origine de la chaleur rencontrée dans la croûte terrestre : la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches constituant la croûte ; la dissipation de l énergie dite «primitive». 1.3.1 Désintégration des éléments radioactifs La désintégration des éléments radioactifs contenus dans la croûte représenterait à elle seule plus de 90 % de l énergie dissipée. Cette théorie s appuie sur le pourcentage présumé d éléments radioactifs contenus dans les structures terrestres. L uranium, le thorium et le potassium sont, parmi les éléments radioactifs encore présents aujourd hui, ceux présentant une production de chaleur significative. En revanche, certains éléments à courte période ont pu exister au moment de la formation de notre planète et ainsi contribuer à l importante émission de chaleur primitive, mais ils ont disparu depuis longtemps. Étant donné leur désintégration, le nombre d éléments radioactifs est en constante décroissance depuis le début de la formation du globe (4,5 milliards d années) produisant ainsi un dégagement de chaleur en régulière diminution. On estime que le flux total de chaleur a été divisé par deux depuis l origine, passant de 42 TW à 20 TW. Ce phénomène naturel très lent signifie que globalement, notre planète se refroidit progressivement. 1.3.2 Dissipation de l énergie primitive La formation de la Terre résulte d une phase, dite d accrétion, correspondant à l agrégation de gaz, de poussières et de divers corps célestes. C est durant cette phase qu une énergie considérable s est accumulée dans la masse constituant la planète. La chaleur créée à l intérieur du globe se dissipe vers la surface par conduction à travers les masses solides et par convection au travers des milieux chauds et visqueux (magma). La zone supérieure de la lithosphère joue le rôle de barrière isolante d où s échappent cependant par certains points de fuite de la lave, et très localement un flux élevé de chaleur. 1.4 Gradient géothermal et flux de chaleur terrestre Le gradient géothermal G (K m 1 ) mesure l augmentation de la température en fonction de la profondeur (figure 3). La densité de flux de chaleur terrestre est la quantité de chaleur transmise par conduction puis dissipée par unité de surface et de temps (W m 2 ). La chaleur produite et accumulée dans les profondeurs de la Terre se transmet donc vers la surface mais sous une forme et avec des intensités très différentes qui dépendent notamment de la localisation du point considéré. Dans les régions géologiquement calmes, c est-à-dire en général en dehors des frontières de plaques, l énergie est essentiellement transmise par conduction, avec un gradient géothermal de valeur moyenne (3 K/100 m) et assez régulièrement réparti. Nota : bien que dans certaines régions, comme en France métropolitaine par exemple, on puisse observer des variations relativement importantes (2 K/100 m au pied des Pyrénées, 10 K/100 m au nord de l Alsace). BE 8 590v2 4 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE 1 000 273 0 Température (K) 373 473 1 km 10 km Capacité thermique massique : 1 000 J kg 1 K 1 Densité : 2,5 Énergie libérée par degré de refroidissement pour 1 C : 0,6 Mtep pour 20 C : 12 Mtep pour 40 C : 24 Mtep Profondeur (m) 1 600 2 000 3 000 G = 2 K/100 m G = 3 K/100 m G = 10 K/100 m 1 km Superficie de la France : 550 000 km 2 Figure 4 Illustration du potentiel géothermique théoriquement exploitable Si l'on considère que la température moyenne en surface est de 15 C (288 K), la température à 1 600 m de profondeur sera respectivement de 63 C (336 K) (15 C +16 3 C) si le gradient géothermal moyen est de 3 K/100 m et de 175 C (448 K) si le gradient est de 10 K/100 m Figure 3 Profils de température en fonction de la profondeur selon plusieurs valeurs du gradient géothermal À ce gradient correspond, pour l ensemble de la planète (océans compris), une densité de flux de chaleur terrestre moyenne de 0,060 W m 2. En France, la densité de flux de chaleur terrestre varie de 0,040 W m 2 à 0,140 W m 2 avec une moyenne proche de 0,100 W m 2, valeur supérieure à la moyenne européenne qui est de 0,062 W m 2. Dans les régions géologiquement actives, telles que les frontières de plaques, les roches en fusion se rapprochent ou atteignent la surface. Le transfert d énergie s effectue alors par convection et les quantités de chaleur mises en jeu sont très importantes, ce qui se traduit localement par des valeurs de gradient géothermal et de densité de flux de chaleur terrestre bien plus élevées que celles rencontrées dans des zones géologiquement stables. Ainsi, dans les zones volcaniques, le gradient maximal observé est de l ordre de 50 K par 100 m et la densité de flux de chaleur terrestre peut atteindre des valeurs de 0,5 à 1 W m 2. Malgré ces valeurs parfois atteintes, on peut noter toutefois, à titre de comparaison, que la densité moyenne du flux de chaleur terrestre est 7 000 fois moins importante que celle du flux de chaleur due au rayonnement solaire. Le potentiel géothermique théoriquement exploitable (figure 4) reste néanmoins considérable. À titre d image, une colonne de 1 km 2 de section et d une profondeur de 10 km libère 7 TWh de chaleur (soit l équivalent de 0,6 Mtep million de tonnes équivalent pétrole) par degré de refroidissement. Le refroidissement de 20 o C de cette masse rocheuse libérerait donc 12 Mtep, soit l équivalent de la production annuelle de chaleur par énergie renouvelable en France en 2007. Nota : la tep (tonne d équivalent pétrole) est l unité d énergie utilisée dans cet article. Rappelons que 1 tep = 4,186 10 10 J. 2. Gisements et ressources géothermales La chaleur terrestre n est en principe exploitable que lorsque les formations géologiques qui constituent le sous-sol renferment des aquifères dans lesquels circule un fluide géothermal. Le fluide présent et qui s est réchauffé au contact des roches peut alors être capté au moyen de forages. On véhicule ainsi la chaleur emmagasinée des profondeurs vers la surface pour ensuite l exploiter. C est la raison pour laquelle on parle de ressources géothermales ou de gisement géothermal. 2.1 Gisement géothermal Un gisement géothermal est constitué de trois éléments principaux : une source de chaleur ; une roche réservoir ; un fluide. La source de chaleur peut être soit simplement le flux thermique terrestre local, soit une intrusion magmatique à très haute température (> 600 o C), relativement proche de la surface (quelques kilomètres seulement). Le réservoir est une formation rocheuse perméable, appelée aussi aquifère, et dans laquelle doit circuler un fluide. La perméabilité est soit : une perméabilité de pores (le fluide géothermal imprègne les pores de la roche dans lesquels il circule : cas du calcaire, du grès...) ; une perméabilité de fractures ou de fissures (le fluide géothermal circule dans la roche fracturée ou fissurée : cas du granite par exemple). Le fluide se présente, selon la température et la pression dans le réservoir, soit sous forme de vapeur, soit sous forme de liquide ou soit sous la forme d un mélange des deux. Les fluides géothermaux sont le plus souvent des eaux «météoriques» (eau de pluie, généralement) qui ont pénétré et circulé dans la croûte terrestre parfois pendant des milliers d années et se sont réchauffées au contact des roches. Ils contiennent des éléments chimiques dissous (sels minéraux, gaz) acquis au cours de la circulation du fluide au contact de la roche réservoir. 2.2 Types de gisements géothermaux Les gisements géothermaux peuvent être classés selon leur typologie géologique, leur niveau de température, l utilisation du fluide géothermal en surface. Cependant, température et utilisation sont très liées car le niveau de température du fluide extractible d un gisement géothermal conditionne le type d utilisation possible. 2.2.1 Gisements en zones géologiquement stables ou calmes Dans les grands bassins sédimentaires, la succession des terrains montre la présence fréquente de couches poreuses et perméables (calcaires, grès, conglomérats, sables...) contenant des aquifères. est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 5

GÉOTHERMIE La densité de flux thermique est en général faible (0,060 W m 2 ) et la température du fluide géothermal peut être comprise entre 50 et 100 o C pour des profondeurs de l ordre de 1 000 à 2 000 m. Ces gisements sont de grande extension. Ils offrent généralement une grande continuité horizontale, ce qui permet d extrapoler les données connues en un site à d autres sites voisins. Leur exploitation est essentiellement à usages thermiques (chauffage d habitations, de serres agricoles, pisciculture, utilisation dans des processus industriels...) ; on parle alors de géothermie basse énergie ou basse enthalpie. L exemple type est l aquifère du Dogger dans le Bassin parisien. Situé entre 1 500 et 2 000 m de profondeur, cet aquifère renferme une eau chargée en minéraux, d une température moyenne de 70 o C. Son exploitation permet d alimenter en chaleur des réseaux de chauffage. Les débits exploités peuvent atteindre jusqu à 300 m 3 /h par puits. Plus près de la surface, des nappes aquifères peu profondes (de quelques mètres à moins d une centaine de mètres de profondeur) dont la température est comprise entre 10 et 20 o C peuvent être également exploitées au moyen de pompes à chaleur, généralement pour le chauffage et/ou la climatisation d immeubles. C est le domaine de la géothermie très basse énergie. Les gisements de basse et très basse énergie sont largement répandus à la surface du globe terrestre. C est ce type de gisements que l on trouve majoritairement en France. 2.2.2 Gisements en zones géologiquement actives Dans les régions à volcanisme récent ou actuel, le gradient géothermal peut être élevé (par exemple, 20 K par 100 m) en raison d intrusions magmatiques pénétrant la croûte terrestre jusqu à des profondeurs proches de la surface (moins de 5 km). C est dans ces régions que l on peut trouver, à des profondeurs comprises entre 500 et 1 500 m, des gisements dits de haute énergie (ou haute enthalpie) ou gisements hyperthermiques. Les fluides géothermaux qu ils renferment atteignent des températures de l ordre de 220 o C à 350 o C. Ils se présentent sous forme de vapeur sèche ou de vapeur humide (mélange d eau et de vapeur) et leur valorisation s effectue par production d électricité : la vapeur géothermale extraite est détendue directement dans une turbine. Les mêmes terrains volcaniques, mais un peu moins chauds (gradients de 5 à 10 K par 100 m) peuvent donner lieu à des gisements dits de moyenne énergie. Les ressources géothermales se présentent alors sous forme d eau chaude dont la température est comprise entre 90 o C et 180 o C. Elles peuvent être exploitées pour des usages thermiques, mais elles le sont plus généralement pour de la production d électricité. Les gisements de haute et moyenne énergie sont limités à des secteurs géographiques restreints, en général situés aux zones frontières des plaques (figure 2). En France, ce type de ressources se rencontre dans les DOM. Un gisement haute énergie est en exploitation à Bouillante en Guadeloupe. D autres zones sont à l étude en Martinique et à la Réunion. 2.2.3 Roches peu ou pas perméables La plupart des formations rocheuses qui constituent la croûte terrestre sont peu ou pas perméables, c est-à-dire qu elles ne renferment pas d eau en quantité suffisante pour permettre, par le biais de forages, l extraction de la chaleur contenue dans le soussol. En l absence de fluide naturel, deux voies restent toutefois possibles pour permettre cette extraction : installer dans le sol à faible profondeur des capteurs enterrés (réseaux de tubes) dans lequel va circuler, en circuit fermé, un fluide caloporteur. La chaleur captée est alors transférée par le biais d une pompe à chaleur au milieu à chauffer. C est le domaine de la géothermie de surface ou de la géothermie des pompes à chaleur dites «à capteurs enterrés» ; recréer les conditions d existence de réservoirs géothermiques naturels (par fracturation hydraulique de formations rocheuses peu perméables, afin d en augmenter la perméabilité) dans lesquels serait injectée depuis la surface de l eau qui serait ensuite récupérée chaude après son passage dans le réservoir créé. C est le domaine de la géothermie profonde des roches fracturées. En théorie, ce concept est assez simple à mettre en œuvre. Il s agit dans un premier temps d accroître la perméabilité de formations rocheuses peu ou pas perméables situées à une profondeur suffisante pour obtenir des températures intéressantes en fracturant la roche par injection d eau sous très forte pression, dans un ou plusieurs forages. Un réseau de fractures suffisamment dense et étendu étant ainsi créé, il suffit alors dans un second temps d y faire circuler de l eau depuis la surface pour qu elle se réchauffe au contact des roches et de récupérer ensuite cette eau réchauffée pour l utiliser à des fins de production d électricité ou de chauffage. La faisabilité technique d un tel concept (EGS : enhanced geothermal system, système géothermique assisté) n est pas encore acquise. Plusieurs programmes de recherche sont en cours de par le monde. Le plus avancé est celui conduit au niveau européen sur le site de Soultz-sous-Forêts en Alsace (encadré 1). Encadré 1 Pilote d expérimentation scientifique de Soultz-sous-Forêts La France est engagée depuis 1987 aux côtés de l Allemagne et de l Union européenne dans le domaine de la géothermie des roches profondes et fracturées. Les travaux de recherche menés sur le site de Soultz-sous- Forêts, en Alsace au nord d Haguenau, et les résultats très encourageants obtenus ont conduit en 1999 à proposer la réalisation d un pilote scientifique d expérimentation destiné à montrer la pertinence du concept étudié. L architecture du pilote proposé (figure 5) repose sur la réalisation de trois forages profonds de 5 000 m, avec un puits central d injection et deux puits d extraction déviés situés de part et d autre du puits d injection. Les deux puits périphériques récupèrent le fluide injecté qui, lors de sa circulation dans le milieu rocheux et fracturé s est réchauffé. Après épuisement du contenu calorifique du fluide en surface, celui-ci est réinjecté par le puits d injection. Le pilote a été conçu pour une capacité thermique de 30 à 50 MW (à 200 o C, c est-à-dire à la température atteinte sur le site à 5 000 m de profondeur) et dans l optique de produire de l électricité (puissance électrique installée de 4 à 6 MW). La période 1999-2004 a été consacrée à la préparation et à la construction du pilote. La période 2005-2008 est destinée aux travaux d expérimentation proprement dits avec la réalisation d essais de circulation de longue durée entre puits. L objectif principal est de déterminer la productivité hydraulique du réservoir créé en profondeur, d évaluer sa productivité thermique et de travailler sur sa gestion à long terme. Si les travaux sont concluants, ceux-ci devraient conduire à l horizon 2010-2015 à la réalisation d un prototype industriel d une puissance électrique de 25 MW. BE 8 590v2 6 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Puissance thermique récupérée 25 MW GPK2 GPK3 GPK4 Sédiments 1 500 m Puissance thermique récupérée 25 MW La figure 6 permet de visualiser en le résumant ce qui vient d être présenté. Elle traduit toute la diversité que recouvre l exploitation de la chaleur contenue dans le sous-sol : diversité des ressources exploitables, diversité des applications (la géothermie est probablement, de toutes les énergies renouvelables, avec la biomasse, celle qui offre le plus grand spectre d usages), diversité des technologies de valorisation mises en œuvre ( 3) ; diversité dans la taille des opérations (du chauffage de l habitat individuel aux réseaux de chaleur urbains, et de la production d électricité décentralisée pour alimenter un village à celle connectée aux grands réseaux de distribution, par exemple). Granit 3. Mise en œuvre des ressources géothermales 50 L/s 50 L/s 3.1 Exploration 100 L/s 4 250 m 600 m 5 000 m, 200 C Figure 5 Schéma de principe du pilote européen de géothermie profonde de Soultz-sous-Forêts L évaluation des ressources géothermales passe par une phase de reconnaissance qui vise à délimiter les zones apparaissant a priori les plus favorables. Cette phase de reconnaissance préliminaire s appuie, dans la mesure du possible, sur les données déjà disponibles, notamment celles qui ont pu être obtenues lors de forages déjà réalisés dans le cadre de recherches géologiques, pétrolières ou d eau. Pour définir plus précisément les caractéristiques de la ressource, il est généralement fait appel aux disciplines suivantes : la Usages thermiques (chauffage, froid, ECS) Production d'électricité 15 30 60 90 150 250 Température d'utilisation en surface ( C) 100 1000 2000 Géothermie de surface Tous terrains et usage de pompes à chaleur (PAC) - PAC sur capteur enterrés (horizontaux, verticaux) ; - PAC sur eau de nappe ; - pieux énergétiques. Géothermies basse énergie Géothermies moyenne et haute énergie Géologie Contextes volcaniques en règle générale Production d'électricité Puissance unitaire des installations : quelques centaines de kilowatts à plusieurs dizaines de mégawatts Profondeur (m) 4000 6000 Géologie Contextes géologiquement stables : bassins ou formations sédimentaires Applications multiples - Chauffage urbain avec réseau de chaleur - Pisciculture - Chauffages de serres - Balnéologie - Séchage -... Géothermie profonde des roches fracturées Contextes géologiques Zones de fossés d'effondrement, zones périphériques de champs haute énergie, milieux peu perméables,... Figure 6 Représentation schématique des différentes catégories de géothermie est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 7

GÉOTHERMIE eau liée eau libre a porosité d'interstice b porosité de fissure Figure 7 Porosités (source : Bureau de recherches géologiques et minières BRGM) géologie, l hydrogéologie, la géochimie, la géophysique. On peut également réaliser des forages de reconnaissance spécifiques si une analyse économique le justifie. La géologie permet, dans la phase de reconnaissance, de définir le contexte géologique, la lithologie, la succession et l âge des couches et les structures tectoniques. Les investigations hydrogéologiques permettent d évaluer la ressource d un point de vue quantitatif et qualitatif. Elles permettent également de caractériser les écoulements du fluide au sein de sa matrice réservoir. Les analyses géochimiques permettent de caractériser la composition chimique du fluide. L analyse des éléments dissous permet également de fournir des indications sur le parcours du fluide. La géophysique consiste à enregistrer un certain nombre de données physiques relatives au sous-sol et à les interpréter en termes géologiques. Les principales techniques à la disposition du géophysicien sont la gravimétrie et la sismique. La gravimétrie est surtout utilisée pour reconnaître les champs basse énergie ; elle donne une image du champ de la pesanteur de la région étudiée. Cette technique permet d identifier les anomalies dans le sous-sol : présence de roches à haute densité ou à l inverse présence de roches à faible densité. La sismique est fondée sur l observation de la réflexion des ondes transmises au sous-sol. Elle permet de localiser les limites de structures géologiques ainsi que les accidents et les failles. 3.2 Principaux paramètres caractérisant la ressource géothermale Porosité (figure 7) : c est une caractéristique intrinsèque des terrains : elle est égale au rapport du volume des vides sur le volume total de la roche et s exprime en pourcentage. La porosité totale d une roche est très variable : de 1 à 50 %. Elle renseigne sur le volume d eau qu est susceptible de contenir une roche, mais ne permet pas de connaître le volume qu elle pourra libérer. À titre d illustration, l ordre de grandeur de la porosité totale de différentes formations est : gravier :...25 % ; sable grossier :...20 % ; sable fin, grès :...10 % ; argiles et graviers :... 5 % ; craie :... 2 à 5 %. Perméabilité : c est une notion dynamique qui implique la présence d eau. Elle représente l aptitude que possède un milieu à se laisser traverser par un fluide sous l effet d une différence de pression. Elle s exprime par le coefficient de perméabilité K, en mètres par seconde, lié au débit de fluide par unité de surface de roche traversée V et au gradient de pression exercé par le fluide dp /dx, et s exprime par la relation : d V = K P dx Les roches dont la perméabilité est supérieure à 10 4 m/s sont dites perméables, celles dont la perméabilité est inférieure à 10 9 m/ s sont dites imperméables. Le coefficient de perméabilité est fonction des caractéristiques granulométriques de la roche (forme des grains, degré d interconnexion). Porosité et perméabilité sont donc deux notions bien distinctes : la porosité est une caractéristique intrinsèque à la roche, tandis que la perméabilité suppose la présence et la circulation d eau. Une roche peut être poreuse mais imperméable. Dans certains réservoirs souvent granitiques ou calcaires, la perméabilité est due à la présence d un réseau interconnecté de fissures dans la roche réservoir. Transmissivité : ce paramètre est égal au produit de la hauteur productrice h par la perméabilité moyenne sur cette hauteur. Elle s exprime en mètres carrés par seconde. Ce paramètre est fondamental pour déterminer la productivité d un aquifère. Pression statique du gisement : la pression statique du gisement correspond à la pression de l aquifère dans les conditions naturelles, sans pompage, ni réinjection. La pression en tête de puits est aussi fonction de l altitude. Si celle-ci est positive, ce qui est souvent le cas, le puits est artésien. Température : la température est fonction du gradient de température local. La température en tête de puits est toujours légèrement inférieure à celle du réservoir, selon la profondeur et le débit exploité. Caractéristiques physico-chimiques : le fluide géothermal peut contenir en solution, des sels et des gaz dissous. Ces composés sont soit sous forme ionique (Na +, Ca ++, SO, Fe ++, HS 4...), soit sous forme moléculaire (O 2, CH 4, SiO 2...). La concentration d un composé dissous s exprime en grammes par litre, moles par litre ou parties par million (ppm). La composition chimique est parfois traduite en équivalent NaCl (g/l). D autres indicateurs peuvent avoir un rôle dans l exploitation : ph = lg [H + ] dont le rôle est prépondérant dans certaines réactions ; Eh qui définit le caractère oxydant ou réducteur du fluide ; gas liquid ratio (GLR) qui mesure la quantité de gaz libéré par l eau à la pression atmosphérique ; pression de point de bulle (PB), pression au-dessous de laquelle il y a séparation de phase entre le liquide et les gaz dissous. 3.3 Exploitation de la ressource : cas des ressources géothermales de basse énergie 3.3.1 Accès à la ressource : forages En dehors des sources hydrothermales naturelles, l accès à la ressource nécessite la réalisation de forages. Plusieurs méthodes sont utilisées. Elles dépendent d une part du type de terrain à traverser et, d autre part de la profondeur à forer. La technique du forage Rotary est celle la plus fréquemment utilisée en géothermie, notamment en forages profonds. C est aussi la technique la plus utilisée pour les forages pétroliers. Le forage du puits est réalisé par un outil (tricône muni de molettes dentées : figure 8) travaillant par destruction de la roche sous l effet de deux facteurs principaux : poids et rotation. Le poids est assuré par un ensemble de tiges lourdes connectées au-dessus de l outil par vissage, appelées masses tiges (figure 9). Le train de tiges est creux, assurant ainsi l acheminement sous pression d un fluide appelé boue de forage. Les fonc- BE 8 590v2 8 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Profondeur (m) Ø forage Ø tube (en pouces) 0 (35) 24 26... 18 5/8 200 (205) 17 1/2... 13 3/8 Ciment Chambre de pompage (395) 576 Figure 8 Outil trépan (source BRGM) 711 773 815 12 1/4... 9 5/8 Double colonne pour isoler l aquifère 925 Ciment 1 068 1 212 8 1/2... 7 1 337 Moteurs Pompe de circulation de la boue Derrick Réserve de tiges de forage Tige carrée Table de rotation 1 443 1 543 1 640 1 693 1 735 Bac à boue Obturateur Ciment Tige de forage Trépan Figure 9 Machine de forage Rotary tions de la boue sont multiples : refroidissement de l outil, évacuation des déblais par l espace annulaire compris entre le terrain et le train de tiges, maintien des formations géologiques traversées sous l effet de sa densité et de sa pression. Les boues sont classiquement composées de colloïdes argileux ou organiques, de fluidifiants et défloculants, d additifs minéraux, de produits organiques spéciaux, enfin d alourdissants. La descente de l outil nécessite d ajouter périodiquement des tiges sur le train de tiges. Figure 10 Coupe technique d un forage Le tubage du forage s effectue par étapes en diamètres décroissants (figure 10). Pendant l exécution du forage, des cuvelages en acier sont régulièrement descendus dans le puits à différentes profondeurs et cimentés aux parois du trou (figure 11) afin de stabiliser les parois du trou, d isoler les unes des autres les différentes zones poreuses et perméables rencontrées et de rendre possible l approfondissement du forage dans des conditions satisfaisantes de sécurité. Au niveau de la formation productrice, soit le réservoir est laissé à nu notamment dans les formations de type calcaire (cas de l aquifère du Dogger exploité en région parisienne), soit il est équipé d une crépine derrière laquelle peut être mis en place un massif filtrant de gravier. D autres techniques de forage peuvent être mises en œuvre : le forage hors et fond de trou : ce procédé associe percussion et rotation, l outil est actionné grâce à l air comprimé ; le battage : ce procédé très ancien consiste à briser la roche en laissant tomber un outil lourd (le trépan) sur celle-ci ; le forage à la tarière : ce procédé peut être envisagé lorsque la profondeur à atteindre est assez faible et les terrains non boulants (limons, argiles, marnes, craie, etc.). est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 9

GÉOTHERMIE Pompe Refoulement Sol Ciment Tête de puits Centreur Tubage de protection Colonne d'exhaure Tableau de contrôle Tige d'injection du ciment Formation à occulter Remontée de ciment dans l'espace annulaire Câble électrique Pompe multiétagée Banc imperméable Joint de décrochage des tiges Sabot de cimentation Bille antiretour Aspiration pompe Protecteur (seal protection) Formation aquifère Figure 11 Dispositif de cimentation par les tiges (source BRGM) Moteur 100 m Figure 13 Pompe immergée 100 m Bourbier primaire Bourbier secondaire Recyclage des boues Moteurs Machinerie Tour de forage Mur de caissons antibruit Laboratoire 3.3.2 Conditions d exploitation 3.3.2.1 Débit Il est nécessaire de disposer en surface d un débit de fluide géothermal suffisant pour satisfaire les besoins thermiques d utilisateurs potentiels et des moyens de transférer l énergie que contient le fluide. Selon les conditions hydrogéologiques, l eau du réservoir peut jaillir naturellement, la pression au sein du réservoir est telle qu elle peut entraîner une pression à la tête de puits supérieure à la pression atmosphérique. Si cette pression est suffisante, il est possible d obtenir par artésianisme un débit suffisant. Si la pression en tête de puits est insuffisante, ou si l on veut utiliser un maximum de débit, il devient indispensable de mettre en place un dispositif de pompage (figure 13). Stockage du matériel (tubes) Entrée Bureau du chantier Le débit par pompage est fonction des caractéristiques du réservoir (transmissivité) et du diamètre du dernier tubage. Il est limité par la puissance électrique à mettre en œuvre et par le rabattement de la nappe (abaissement du niveau de la nappe lorsque l on y pratique un pompage). 3.3.2.2 Boucle géothermale Figure 12 Organisation du chantier d un forage Pour les forages profonds, une plate-forme de forage nécessite une emprise au sol de l ordre de 8 000 m 2 afin notamment d y disposer le système de traitement des boues et un bourbier pour recueillir l eau des essais (figure 12). 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 après lui avoir prélevé son énergie calorifique (figure 14). Son exploitation nécessite donc deux forages, un forage de production et un forage de réinjection ; c est la technique du doublet (figure 15). BE 8 590v2 10 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Circuit géothermique Pompe de production Échangeur Pompe de réinjection un échangeur de chaleur où il cède son contenu énergétique à de l eau qui assure la distribution de la chaleur aux utilisateurs par le biais d un réseau de distribution. Cette séparation des circuits (boucle géothermale d un côté et circuit géothermique de l autre selon la terminologie adoptée par les professionnels de la géothermie) s impose en général car le fluide géothermal est souvent corrosif. La performance de l échangeur placé dans une installation de géothermie est caractérisée par l écart entre les températures à l entrée de la boucle géothermale et à la sortie du circuit géothermique. Les meilleures performances sont obtenues avec des échangeurs à plaques. Ces matériels sont constitués de plaques embouties de faible épaisseur empilées verticalement les unes à la suite des autres. 3.3.3 Comportement hydrodynamique et thermique d un réservoir exploité en doublet Puits de production Figure 14 Boucle géothermale Puits de réinjection Pour des raisons évidentes d exploitation, les impacts des forages au niveau du réservoir doivent être éloignés d une certaine distance afin que l eau réinjectée (plus froide) ne vienne pas refroidir par mélange le fluide géothermal prélevé au puits de production. Pour les opérations au Dogger du Bassin parisien, cette distance est de l ordre du kilomètre (figure 15). L exploitation en puits unique peut être envisagée lorsque l eau est peu chargée en sels et ensuite rejetée dans le milieu naturel sans incidence pour l environnement, ou mieux, utilisée à des fins d eau potable. Le niveau piézométrique des nappes exploitées doit être surveillé, et un abaissement excessif pourra entraîner une obligation de réinjection (disposition prévue dans le Bassin aquitain où les installations de géothermie existantes fonctionnent en puits unique, contrairement à celles du Bassin parisien qui utilisent la technique du doublet). 3.3.2.3 Échange et transformation de l énergie Pour des raisons économiques, l énergie géothermale récupérée ne peut être transportée sur de longues distances. Son utilisation doit donc être réalisée à proximité du site de prélèvement. Pour ce faire, le fluide géothermal extrait du sous-sol est acheminé dans Le mode d exploitation par doublet utilisé systématiquement par les systèmes géothermiques captant le Dogger du Bassin parisien présente de nombreux avantages techniques et économiques. Ce sont principalement : l absence de rejets dans l environnement, la pérennité et la stabilité du débit hydraulique. Du point de vue thermique, le fluide refroidi réinjecté atteindra au bout d un certain temps le puits producteur et amorcera ainsi le déclin thermique de la ressource. La répartition des lignes de courant associée à la distribution des temps de transfert correspondants entre puits permet de schématiser l évolution de la zone envahie par le fluide refroidi (figure 16). Les lignes de courant matérialisent la trajectoire des particules d eau issues du puits injecteur. À chaque ligne de courant correspond un temps de transfert thermique qui permet de définir le concept de percée thermique. Le déclin thermique est défini séquentiellement par trois dates caractéristiques, en fonction de l amplitude de refroidissement : le temps de percée thermique (14,3 ans dans l exemple de la figure 17) : il s agit de la date d arrivée, au puits de production, des premières particules d eau froide, sans incidence perceptible sur la température du fluide exploité ; la durée de vie théorique (20 ou 27 ans dans l exemple de la figure 17) : supérieure à la précédente et fonction des échanges thermiques aux épontes, elle correspond à la date où l on note une chute perceptible de la température de production (0,2 à 0,5 K par exemple) ; la durée de vie pratique (35 ans dans l exemple de la figure 17) : date mettant en cause l intérêt économique de la poursuite de l exploitation en l état, une chute de 3 à 5 K par exemple. Pompe d'injection Échangeur Pompe d'exhaure Tubage Formation aquifère a puits verticaux b un puits droit, un puits dévié c puits déviés Figure 15 Configurations de doublets géothermiques est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 11

GÉOTHERMIE 500 m 79,0 ans 4. Utilisations des ressources géothermales I ans 5,0 6,0 ans ans 28,6 16,9 ans 14,3 ans 5,0 ans 16,9 ans P La température de la ressource est l élément déterminant pour les applications envisageables à partir de la chaleur géothermale. Le diagramme de la figure 18 distingue, entre 20 et 200 o C, deux grandes catégories d applications, les applications thermiques jusqu à environ 110 à 120 o C et la production d électricité à partir de 120 o C. 4.1 Production d électricité 28,6 79,0 Figure 16 Schéma hydrodynamique caractéristique du doublet : visualisation des lignes de courant Température de production (fond de puits) 80 78 76 74 72 70 Figure 17 Réponse thermique du réservoir ans L estimation actualisée de cette date constitue l un des éléments nécessaires pour apprécier s il est envisageable de poursuivre l exploitation dans des conditions plus favorables (utilisation de pompes à chaleur, augmentation du débit, réalisation d un nouveau forage...). Le comportement du doublet est conditionné par le nombre et l épaisseur des couches productrices et des intercouches. La figure 17 compare la réponse thermique d un réservoir entre l hypothèse monocouche et la prise en considération de la stratification. ans Lignes de courant et temps de transfert thermique Évolution du front thermique P = forage producteur I = forage injecteur Seuil (-3 C) 14,3 68 0 10 27 35 Monocouche Stratifié couches indépendantes 20 30 40 50 60 Durée d'exploitation (années) La production d électricité d origine géothermale s effectue selon deux modes. On distingue ainsi les centrales géothermiques avec cycle à vapeur d eau ( 4.1.1), où le fluide géothermal est directement utilisé pour produire de l électricité par détente dans une turbine de sa fraction vapeur, et les centrales géothermiques à fluide binaire ( 4.1.2), technique par laquelle le fluide géothermal cède préalablement son contenu énergétique à un second fluide qui est ensuite utilisé pour assurer la conversion thermoélectrique de l énergie reçue. 4.1.1 Centrales avec cycles à vapeur d eau Ces centrales sont réservées à l exploitation de ressources géothermales dont la température au réservoir est supérieure à au moins 200 o C. Elles font appel à deux techniques différentes : l échappement libre ; la condensation. Centrales à échappement libre : il s agit d unités modulaires et portables, installées le plus souvent en tête de puits et de puissance unitaire comprise entre 1 et 5 MW. La vapeur, obtenue après séparation par centrifugation dans une enceinte cylindrique des phases liquide et vapeur constituant le fluide géothermal, est directement détendue dans une turbine et rejetée à l atmosphère à l échappement de la turbine (figure 19). Ce type de centrale est utilisé lorsque la vapeur géothermale contient une quantité élevée de gaz incondensables, pour satisfaire des demandes électriques faibles ou lors de la phase initiale de grands projets de géothermie. Dans ce dernier cas, elles permettent d obtenir des données très importantes concernant le réservoir géothermal à exploiter, d assurer rapidement des rentrées d argent par la vente d électricité et de fournir par exemple l énergie nécessaire aux installations de forage d autres puits. Le recours à cette technique est limité à de faibles puissances en raison de son faible rendement (la production de 1 MW nécessite dans ce cas une consommation de vapeur de l ordre de 16 à 20 t/h). Son avantage principal réside dans la simplicité des installations mises en œuvre, d où une maintenance et une exploitation très simplifiées. Centrales à condensation : en sortie de turbine, la vapeur n est plus rejetée à l atmosphère mais condensée. L intérêt est d obtenir une pression à l échappement de la turbine inférieure à la pression atmosphérique (échappement sous condition de vide) et d augmenter ainsi le rendement de conversion thermoélectrique (la production de 1 MW permet dans ce cas de limiter la consommation de vapeur à une valeur comprise entre 8 et 10 t/h). En règle générale, les turbines utilisées sont à simple flux de vapeur avec une pression d admission comprise entre 0,5 et 0,8 MPa absolus. Cependant, il est possible aussi de recourir à des turbines à double flux. Dans ce dernier cas, l eau chaude résiduelle issue du séparateur est vaporisée par baisse de sa pression dans une enceinte appelée chambre de vaporisation ; la fraction de vapeur produite alimente ensuite les derniers étages de la turbine avec une pression d admission proche de la pression atmosphérique (figure 20). L avantage de cette technique est de maximiser la récupération BE 8 590v2 12 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Habitat Loisir Santé Agriculture Alimentaire Industrie Chauffage avec pompe à chaleur - Climatisation Planchers chauffants Centre de loisirs - Piscine Balnéothérapie - Thermalisme Préchauffage (eau-air) Eau chaude sanitaire Chauffage urbain Pisciculture - Aquaculture Champignonnière Chauffage de serres par le sol Chauffage de serres par l'air Préchauffage (eau-air) Séchage de produits agricoles, bois, poissons Conserveries Préchauffage (eau-air) Mise hors gel Lavage de la laine - Teinture Séchage de produits industriels Production d'électricité par centrales à fluide binaire Réfrigération par absorption Extraction de substances chimiques Distillation eau douce Récupération de métaux Production d'électricité à partir de la vapeur Évaporation de solutions concentrées Pâte à papier Production de froid négatif (système à absorption ammoniac) 0 C 100 C 200 C Basse énergie Moyenne énergie Haute énergie Figure 18 Principales utilisations de la géothermie en fonction de la température (d après [1]) Atmosphère Vapeur haute pression Vapeur Turbine Alternateur Séparateur sécheur Turbine Alternateur Séparateur sécheur Vapeur basse pression Chambre de vaporisation Eau rejetée Eau + vapeur géothermale Eau résiduelle Eau + vapeur géothermale Eau rejetée Condenseur Eau de refroidissement Tour de refroidissement Figure 19 Schéma de centrale géothermique à échappement libre d énergie disponible dans le fluide géothermal. Elle rend toutefois plus complexe l installation. La gamme de puissance des turbines à condensation s échelonne de 10 à 55 MW, avec plus fréquemment des tailles unitaires de 20, 35 ou 55 MW. Les turbines de taille supérieure sont exceptionnelles. Généralement, une centrale géothermique à condensation est composée de plusieurs groupes turboalternateurs, souvent de même puissance, et installés en ligne. Figure 20 Schéma de centrale géothermique à condensation et double flux Si les centrales géothermiques avec cycles à vapeur d eau se prêtent bien, tant techniquement qu économiquement, à la valorisation de ressources de température de réservoir élevée, il n en est plus de même au-dessous de 200 o C. En effet, au-dessous de cette température, le pourcentage de vapeur géothermale obtenu en surface n est plus assez important. De plus, dans le cas d une solution avec condensation et double flux, la vaporisation partielle de l eau chaude résiduelle issue du séparateur sécheur ne permet pas d accroître énormément la quantité de vapeur utilisable, en est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 13

GÉOTHERMIE Fluide géothermal sous phase liquide Fluide organique vaporisé Turbine à vapeur géothermale Turbine à vapeur du fluide de travail Échangeur de chaleur Turbine Alternateur Séparateur Évapocondenseur Vaporisateur Condenseur Condenseur Puits de production Condenseur Eau rejetée Pompe géothermique Fluide organique liquide Eau de refroidissement Tour de refroidissement Turbine à vapeur du fluide de travail Figure 22 Centrale géothermique à cycles combinés Puits de réinjection Figure 21 Schéma de centrale géothermique à fluide binaire raison de la valeur élevée de l enthalpie de vaporisation de l eau (par exemple, à 150 o C, la vaporisation de l eau chaude par baisse de pression ne donne que 15 % de vapeur supplémentaire). Pour valoriser des ressources de moindre température (température de réservoir d au moins 120 o C), on a donc recours à une autre technologie : celle utilisant le principe du cycle de Rankine à fluide organique ou technologie à fluide binaire. 4.1.2 Centrales à fluide binaire Contrairement aux technologies précédentes, où la ressource géothermale se présentait en surface sous la forme d un mélange diphasique eau-vapeur, celle-ci est maintenue sous pression par le biais d une pompe immergée placée dans le puits, ce qui permet de la garder constamment en phase liquide (figure 21). En surface, le liquide géothermal extrait est amené dans un échangeur de chaleur où il cède une partie de son énergie à un fluide organique (alcane, fluorocarbone, ammoniac...) appelé fluide de travail, qui se vaporise (pour une pression identique, ce type de fluide présente la particularité de se vaporiser à des températures plus basses que celle de l eau par exemple). Les vapeurs produites sont ensuite détendues dans une turbine puis condensées au contact du circuit d eau de refroidissement d un condenseur. Le liquide obtenu est alors renvoyé à l échangeur, par l intermédiaire d une pompe pour effectuer un nouveau cycle (vaporisation, détente, condensation, pressurisation). Le fluide de travail évolue donc en circuit fermé. Les centrales de ce type sont de taille unitaire plus modeste (quelques centaines de kilowatts à quelques mégawatts) sachant que l on peut toujours sur un site mettre en parallèle plusieurs unités afin d atteindre une capacité de production électrique importante, si la ressource géothermale disponible le permet. 4.1.3 Centrales géothermiques à cycles combinés Ces centrales géothermiques associent les deux technologies décrites ci-dessus (figure 22). Les effluents de la centrale à condensation sont valorisés par une centrale à fluide binaire. Cette combinaison des deux techniques permet d épuiser thermiquement au mieux la ressource géothermale exploitée. 4.2 Usages thermiques La chaleur ne supportant pas économiquement le transport lointain, cette production énergétique s adresse à des usages devant être localisés à proximité de la source (quelques kilomètres au plus). Les usages thermiques de la géothermie sont très nombreux, parmi ceux-ci, on cite les principaux. Chauffage des bâtiments : le chauffage des habitations, par l intermédiaire de réseaux de chaleur, est, par exemple, le premier poste d utilisation de la géothermie en France. C est un secteur important pour quelques pays dans lesquels existent des ressources à proximité de zones largement urbanisées, comme en France dans la région parisienne ou à Reykjavik en Islande. En France, où 170 000 logements sont chauffés par la géothermie, des techniques spécifiques ont été mises en œuvre ( 4.4). Chauffage de serres : le chauffage des serres constitue une cible privilégiée pour la géothermie dans la mesure où les besoins en énergie y sont élevés. Ainsi sous nos latitudes, il faut en moyenne 200 t de fioul par hectare et par an pour les cultures maraîchères et environ 400 t/(hectare an) pour les cultures florales ; la croissance optimale des plantes est fonction de la température et varie selon le type de culture par exemple, l optimum de croissance s obtient à 14 o C pour la laitue, 20 o C pour la tomate, 28 o C pour le concombre. Chauffage de bassins de pisciculture ou d aquaculture : la pisciculture est une application bien adaptée à la géothermie. Une augmentation de la température de quelques degrés et surtout son maintien à un niveau constant produit un accroissement du métabolisme chez les poissons et les crustacés. De plus, pour les animaux de nos climats qui passent durant l hiver par un stade de repos physiologique, le maintien dans une eau chaude aura pour conséquence de prolonger toute l année leur possibilité de croissance. Usages industriels : une majorité des usages directs industriels mentionnés sur la figure 18 a lieu entre 100 o C et 200 o C, à cheval sur les domaines de la géothermie moyenne et haute énergie. Parmi ces usages directs, on trouve : le lavage de la laine, le séchage de produits industriels (minéraux), l extraction de substances chimiques (récupération des tanins, séparation de l or dans les minerais), la récupération de sous-produits géothermiques (soufre, silice, gaz carbonique), l évaporation de solutions concentrées (production d eau douce par dessalement de l eau de mer), la fabrication de pâte à papier. Au-dessous de 100 o C, la géothermie peut aussi être utilisée dans des process de fabrication (secteur de la malterie et de la brasserie, par exemple), pour le séchage du bois, de produits agricoles ou de poissons. Le préchauffage de fluides (eau, air) dont la température continue d être relevée dans une chaudière à partir d autres énergies (fioul, charbon, etc.) est aussi quelquefois utilisé. BE 8 590v2 14 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Enfin, la mise hors gel de grandes surfaces (aéroports, routes et ponts) comme par exemple en Autriche, aux États-Unis ou en Italie constitue aussi une application intéressante de la géothermie. Production de froid : paradoxalement, il est possible de produire du froid à partir de chaleur. On utilise pour cela des groupes frigorifiques à absorption. Pour fonctionner, ces systèmes nécessitent une source de chaleur qui peut être une ressource géothermale dont la température est supérieure à 100 o C. Deux sortes de cycles sont utilisés : pour les applications nécessitant du froid négatif, c est-à-dire pour des températures inférieures à 0 o C, on utilise des cycles à ammoniac-eau. Pour les applications de réfrigération ou de climatisation, les cycles eau-bromure de lithium sont les plus efficaces. Des applications existent en Chine et aux États-Unis, utilisant l un et l autre principe. 4.3 Utilisation de pompes à chaleur pour le chauffage et/ou la climatisation de locaux L utilisation de ressources géothermales dont la température est inférieure à 30 o C (cas des nappes superficielles ou nappes phréatiques et des nappes peu profondes) on parle alors de géothermie très basse énergie nécessite généralement l emploi de pompes à chaleur. Une pompe à chaleur est un système thermodynamique qui permet de prélever de la chaleur à bas niveau de température (cas des ressources géothermales précédemment citées) pour la transférer dans un autre milieu à un niveau de température plus élevé. On assure ainsi, par exemple, le chauffage de locaux. Mais une pompe à chaleur peut aussi fonctionner dans l autre sens par inversion de son cycle thermodynamique grâce à l adjonction d une vanne à quatre voies on parle dans ce cas de pompe à chaleur réversible. Le sens de fonctionnement étant inversé, les locaux précédemment chauffés peuvent alors être refroidis (extraction des calories à l intérieur des locaux et rejet à l extérieur). 4.4 Chauffage urbain géothermique : cas des installations géothermiques du Bassin parisien 4.4.1 Principes de base La puissance thermique mobilisable par une ressource géothermique dépend essentiellement de deux paramètres : le débit exploité qui peut être artésien ou assisté par la mise en place de pompes ; l écart de température entre la température de la ressource et la température de rejet. Le principe fondamental de conception et d exploitation d un réseau de chaleur «basse température» utilisant l énergie géothermale consiste à obtenir, pour chaque régime de fonctionnement, la température de retour la plus basse possible. 4.4.2 Émetteurs de chaleur Chaque émetteur de chauffage est caractérisé par une loi de régulation qui définit les températures d entrée et de sortie de l eau dans les émetteurs en fonction de la température extérieure. Le graphique de la figure 23 montre que ces températures sont beaucoup plus élevées pour les radiateurs que pour des planchers chauffants. Si la surface de l émetteur est grande, les températures d entrée et de sortie sont plus basses. Température des émetteurs ( C) 90 70 65 50 30 10-7 -5 0 1 10 17 Température extérieure ( C) Radiateurs Planchers chauffants Figure 23 Caractéristiques des émetteurs de chaleur 4.4.3 Couverture des besoins Les besoins de chauffage sont caractérisés par une courbe monotone dont le tracé consiste pour chaque valeur de la température extérieure à déterminer les besoins thermiques correspondants. Pour cela, on multiplie la valeur de la puissance appelée à cette température extérieure par le nombre d heures d apparition de cette température. Sur le schéma de la figure 24, la fréquence moyenne d apparition de la température extérieure de 5 o C est de 12 jours par an (soit 288 heures par an). Pour cette température, la puissance appelée est de 13 MW ; les besoins thermiques à satisfaire correspondront donc à 3 744 MWh (soit 13 288). Ces besoins sont représentés par la surface du rectangle bleu foncé. À chaque température extérieure correspond un rectangle dont la surface est proportionnelle aux besoins de chauffage. La surface totale du graphique représente les besoins de chaleur sur une saison de chauffe. Lorsqu elle est appliquée au chauffage urbain via des réseaux de chaleur, la géothermie n assure que très rarement la totalité des besoins, et cela pour des raisons économiques. On peut constater sur la courbe monotone des besoins de la figure 24, qu avec 50 % de la puissance par 7 o C, la géothermie assure environ 80 % des besoins (soit 80 % de la surface du graphique). L appoint est fourni par une énergie traditionnelle, qui peut être du gaz si le nombre d heures d utilisation est suffisant, ou directement à partir d une chaufferie d appoint. Pour de courtes utilisations, une énergie ne nécessitant pas d abonnement peut être préférée, comme le fioul. 4.4.4 Organisation du système de distribution de chaleur Température de l'eau du circuit géothermique Température d'entrée Température de sortie L eau extraite du sous-sol cède sa chaleur au réseau de distribution de chaleur via un échangeur (figure 25). La chaleur transportée est délivrée aux immeubles par l intermédiaire d une sous-station qui se substitue en quelque sorte à une chaufferie (figure 26). Lorsque les émetteurs de chauffage des immeubles à raccorder sont constitués à la fois de radiateurs et de planchers basse température, il est possible de raccorder ces immeubles en cascade (figure 27). La figure 27 donne un exemple de raccordement de deux sousstations en cascade, l une alimentant des ensembles équipés de radiateurs, l autre alimentant des ensembles équipés de planchers chauffants. L arrivée MT (moyenne température) provient des retours des sous-stations situées en amont et desservant des ensembles équipés de radiateurs. L arrivée HT (haute température), en provenance directe du réseau primaire alimente les ensembles est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 15

GÉOTHERMIE T ext Nb de jours Nb de jours P cumulés (MW) Besoins (MWh) -7-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1 1 2 3 4 4 6 6 8 8 10 11 12 14 15 17 17 19 18 16 12 9 7 5 4 4 1 2 4 7 11 15 21 27 35 43 53 64 76 90 105 122 139 158 176 192 204 213 220 225 229 233 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 600 576 1104 1584 2016 1920 2736 2592 3264 3072 3600 3696 3744 4032 3960 4080 3672 3648 3024 2304 1440 864 504 240 96 0 58368 Puissance f (T C) 5 C 0 76 Nombre de jours 233 12 T ext Figure 24 Courbe monotone des besoins de chauffage Chaufferie (appoint) Utilisateurs Chauffage Doublet (géothermie) Figure 25 Représentation schématique d un réseau de chaleur alimenté par géothermie Eau chaude sanitaire équipés de radiateurs. En cas d insuffisance du réseau MT, une vanne trois voies peut diriger une partie du débit vers les ensembles équipés de planchers chauffants. Comme indiqué plus haut ( 4.4.3), l installation de géothermie doit être dimensionnée pour couvrir non pas la totalité des besoins thermiques à satisfaire mais une partie importante (pour des raisons économiques). Par ailleurs, la ressource géothermale peut être défaillante (pannes ou incidents divers sur les puits par exemple). Pour ces raisons, un système de production de chaleur traditionnel est en général associé à la production de chaleur Réseau d'eau potable Figure 26 Schéma d une sous-station de chauffage et d eau chaude sanitaire géothermique. Ce système est constitué par une ou plusieurs chaufferies destinées à assurer les besoins non couverts (appoint), ainsi que la totalité des besoins en cas d indisponibilité de la ressource géothermale (secours). BE 8 590v2 16 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE 72 C 90 C 70 C Radiateurs aérothermes Aller MT Aller HT Retour ECS eau chaude sanitaire ECS 47 C Figure 27 Exemple de deux sous-stations en cascade 55 C 45 C Panneaux de sol L appoint peut être réalisé par des chaufferies classiques utilisant du gaz ou du fioul. Différents montages peuvent être envisagés (figure 28). Appoint centralisé (figure 28a ) : c est la solution la mieux adaptée à la conduite d un réseau de chaleur à base géothermique. Chaufferie T e1 T s1 Q 1 T Sous-station MT e5 T s5 Q T ds T e2 T 5 s2 Sous-station BT Ressource Q 2 Sous-station MT T e6 T s6 Q T e3 T 6 s3 Sous-station BT Q 3 Sous-station MT T e7 Q 7 T s7 Sous-station BT Q 4 Q 8 T rs Q Débit T ds températures de départ secondaire T rs températures de retour secondaire T e température d'entrée T s température de sortie T dr température de départ réseau a appoint centralisé T e9 T s9 Q 9 Sous-station TBT éventuelle Appoint décentralisé (figure 28b ) : cette solution consiste à conserver les chaufferies des ensembles existants raccordés au réseau. Le réseau de chaleur délivre en base de l énergie géothermique, chaque abonné assurant son appoint et son secours. Dans ce cas de figure, l investissement est limité, mais la gestion optimale du réseau est plus difficile. Ressource Sous-station Sous-station Sous-station Appoint semi-centralisé (figure 28c) : certains sites présentent plusieurs chaufferies préexistantes, en général superpuissantes pour les ensembles qu elles desservent. Elles peuvent servir d appoint sur le réseau, ou pour certaines se déconnecter du réseau en cas de besoin et assurer les besoins des bâtiments auxquels elles sont associées. 4.5 Adjonction de pompes à chaleur Sous-station type Réseau primaire Échangeur b appoint décentralisé Chaudière Des pompes à chaleur peuvent être introduites dans le circuit afin d améliorer les performances énergétiques d une installation. Les différents montages peuvent soit relever le niveau de température, soit augmenter le débit du circuit géothermique (figure 29). Chaufferie 1 Sous-station 5. Aspects économiques T dr1 Sous-station Sous-station L énergie géothermique est de type capitalistique. Elle nécessite généralement des investissements élevés mais présente l avantage de coûts d exploitation relativement faibles. On distingue généralement le coût d accès à la ressource (coût d investissement) et le coût à l utilisation finale (coût de production). Ressource T ds Chaufferie 2 Sous-station Sous-station Sous-station 5.1 Production d électricité T dr2 Sous-station 5.1.1 Coûts d investissement Sous-station Les coûts d investissement dépendent de nombreux facteurs. Le premier concerne la taille des unités de production. Généralement, on ne construit pas une centrale géothermique de production d électricité sur mesure, c est-à-dire en fonction des c appoint semi-centralisé Figure 28 Différentes configurations d appoint est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 17

GÉOTHERMIE T ep Ressource Q p T sp (rejet) T ep Q s Échangeur Q r = Q s + Q pac Pompe à chaleur Évaporateur Figure 29 Différents montages avec pompes à chaleur T ss Tes Q pac T rs Condenseur caractéristiques très précises de la ressource à valoriser. On fait plutôt appel à des produits standardisés autorisant des plages de fonctionnement autour d un optimum ; l intérêt de la standardisation étant de réduire les coûts de fabrication et les délais de livraison. Les produits disponibles couvrent une gamme de puissances unitaires fonction de la technologie utilisée allant 300 kw à 55 MW (300 kw, 600 kw, 1 200 kw, 5, 10, 15, 20, 35 et 55 MW), ce qui permet d exploiter les champs géothermaux de façon progressive, à la fois en fonction des ressources budgétaires dont dispose l opérateur et en fonction de la demande en électricité de la zone desservie. On peut ainsi installer une centrale de 10 MW puis, quelques années plus tard, installer une seconde centrale de 10 MW ou plus, et ainsi de suite. Il faut savoir cependant qu il existe un effet d échelle : le coût du mégawatt installé pour une centrale de 35 MW est moins cher que celui d une centrale de 10 MW, par exemple. La technologie utilisée est aussi un facteur à prendre en compte. Le choix de la technologie est directement lié aux caractéristiques de la ressource géothermale à exploiter (température, composition physico-chimique, quantité de gaz incondensables...). Le coût des centrales à fluide binaire ramené au mégawatt est plus élevé que celui des centrales à condensation du fait de la technologie proprement dite, mais aussi parce que ces centrales concernent des créneaux de puissance unitaires moins importants (puissances unitaires de 300 kw à 5 MW contre 5 à 55 MW pour les centrales à condensation). T sc T sc température de sortie condenseur Q pac débits de la pompe à chaleur Pour les autres symboles, se reporter à la figure 28 T ep Ressource Q p Q s T sp (rejet) Échangeur T ss T es a b Condenseur Pompe à chaleur Évaporateur T ep et T sp températures d'entrée et de sortie primaire T es et T ss températures d'entrée et de sortie secondaire Q p et Q s débits primaire et secondaire Q r débit réseau T ds T ds Utilisation Q r = Q s T rs Tableau 1 Évaluation des coûts d investissement et de production d électricité par géothermie Puissance installée Coûts directs d investissement Enfin, le coût des forages est aussi un élément déterminant. Celui-ci dépend de nombreux paramètres liés aux conditions locales, comme la profondeur du réservoir à exploiter, la géologie du site, son accessibilité, l existence ou non d une activité de forage (pétrole ou gaz) dans le pays concerné, les coûts salariaux en vigueur, etc. Pour toutes ces raisons, il est extrêmement difficile d établir des coûts d investissement qui soient reproductibles d un site à un autre. Néanmoins, une synthèse de données existantes permet d approcher ces coûts par des ordres de grandeur, fonction de la puissance installée (tableau 1). Ces coûts comprennent les coûts d investissement surface et sous-sol. 5.1.2 Coût de production du kilowattheure électrique d origine géothermique Coûts de production Banque mondiale (US $/kw) (US cts/kwh) < 5 MW 1 600 à 3 700 5,0 à 10,5 5 à 30 MW 1 300 à 2 500 4,0 à 7,0 > 30 MW 1 150 à 2 200 2,5 à 6,0 Communauté européenne ( /kw) (c /kwh) 15 MW 2 300 à 2 400 5,5 30 MW 1 800 à 1 900 4,5 55 MW 1 400 à 1 500 3,7 Si l on arrive à cerner les coûts d investissement de centrales géothermiques de production d électricité, l exercice concernant les coûts de production est beaucoup plus délicat à mener : d une part, parce que la littérature est avare de renseignements sur le sujet, d autre part, parce que l éventail des situations est large. Cet éventail s explique par l existence de nombreuses variables comme : la taille de l installation, la qualité et le type de gisement à exploiter, les différences de structures d exploitation allant de sociétés nationales de production d électricité à des sociétés privées vendant l électricité sur un réseau public, la politique tarifaire et fiscale différente d un pays à l autre (tableau 1). La comparaison avec d autres filières énergétiques de production d électricité n est pas aisée puisqu il faudrait comparer des situations équivalentes (entre une centrale nucléaire de 1 300 MW et une centrale géothermique de 10 MW, la comparaison n a pas de sens). Toutefois, par rapport à des filières telles que l éolien ou la petite hydroélectricité, on peut affirmer sans trop d erreur que la géothermie présente des coûts de production du même ordre. 5.2 Production de chaleur : cas des réseaux de chaleur urbains géothermiques 5.2.1 Exemple d une opération type du sud de Paris Les aspects économiques relatifs à l exploitation de ressources géothermales de basse énergie peuvent être décrits au travers de l exemple présenté dans le tableau 2. Cet exemple est celui d une opération type du sud de Paris. BE 8 590v2 18 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Tableau 2 Éléments économiques relatifs à une opération de géothermie type du sud de Paris Unité Valeur Observations Ressource : aquifère Dogger exploitation en doublet Profondeur m 1 700 Température en tête de puits T p o C 75 Débit nominal Q 0 m 3 /h 300 avec pompe immergée Température de rejet T r o C 35 fixée arbitrairement, fonction de l utilisation Rendement échangeur Rdt 0,98 Traduit la qualité de l échange Taux de disponibilité de l installation Tx 0,95 Disponibilité annuelle sur la base de 8 760 heures par an Puissance disponible à l utilisation P g MW 13,9 Potentiel annuel disponible Ep g MWh 113 500 Pg = Q0 ( Tp Tr) 116, Ep = P Rdt Tx 8 760 g g Coût d accès à la ressource géothermique Coût des forages et équipements associés Fr k 6 000 forages acier 9 5/8 Coût de la boucle géothermale BGéo k 1 000 Frais d ingénierie Ing k 500 Investissement géothermique I g k 7 500 I g = Fr + BGéo + Ing Coût du kilowatt thermique installé : I g /P g k /MW 540 à comparer à une chaufferie gaz de même puissance : 170 k /MW Prix de revient du mégawattheure géothermique sortie centrale (hors du système de distribution) Amortissement de l investissement de la boucle géothermale annuité de remboursement : An Amortissement annuel ramené à la durée de vie de k 722 durée de vie : 20 ans ; emprunt sur 15 ans à 5 %/an k 541,6 An 15/20 l installation : A g o Entretien Conduite P 2g k 110 Gros entretien Renouvellement P 3g k 220 pompe d exhaure en garantie totale Électricité de pompage P 1g k 130 2 000 MWh ; 65 /MWh Coût d exploitation Ceg = P2g + P3g + P1g k 460 Taux de valorisation % 50 Valeur moyenne rencontrée pour une application de chauffage climatique Production de mégawattheures géothermiques E g MWh 56 750 Ep g taux de valorisation Coût du mégawattheure géothermique (sortie centrale géothermique) /MWh 17,65 ( Ceg + A o g)/ Eg À titre de comparaison : gaz : > 50 /MWh sortie chaudière ; fioul : > 70 /MWh sortie chaudière. est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 19

GÉOTHERMIE 5.2.2 Coût d accès à la ressource La puissance géothermique disponible P g est fonction de la température de rejet après échange qui, elle même est liée aux caractéristiques des émetteurs de chauffage ( 4). Le niveau de température directement utilisable après échange est inférieur de quelques degrés à la température en tête de puits pour tenir compte du rendement de l échangeur. L investissement I g nécessaire à la production d énergie géothermique comprend les forages, mais également les autres éléments constituant la boucle géothermale à savoir la pompe d exhaure immergée, la pompe de réinjection, la jonction des puits et le dispositif d échange. Dans l exemple traité, le coût du mégawatt géothermique installé (I g /P g ) s élève à 365 k /MW, soit près de trois fois de celui d une chaufferie fioul de même puissance (150 k /MW). Le potentiel énergétique annuel disponible (valeur théorique) Ep g est calculé en considérant un taux de disponibilité annuel de 95 % et un rendement d échangeur de 98 %, soit P g 8 760 heures/an 0,95 0,98. 5.2.3 Coût du mégawattheure géothermique (hors système de distribution) Les paramètres principaux à intégrer dans l analyse sont détaillés ci-après. Le nombre de mégawattheures géothermiques produits par an, E g, est déterminé comme suit : Eg = Epg taux de valorisation Température extérieure ( C) 7 8 18 Puissance B A 7 Puissance totale Appoint Puissance récupérée Base = ressource Figure 30 Taux de valorisation et taux de couverture Les besoins de chaleur sont souvent liés aux conditions climatiques, lorsqu il s agit de chauffage de locaux. La taille ou l importance des besoins de l utilisateur permet de définir le taux de couverture de ces besoins par la géothermie, mais aussi le taux de valorisation de la géothermie, paramètre fondamental pour apprécier l économie d un projet (figure 30). L optimisation du système passe par la prise en considération de certains principes. Ainsi, il faut privilégier le taux de valorisation au taux de couverture car il permet une meilleure rentabilisation de l investissement. En effet, à investissement de production égal, l installation qui épuise thermiquement mieux la ressource (meilleur taux de valorisation) délivre plus de mégawattheures d origine géothermale et donc offre un coût d énergie plus faible. À l inverse, un taux de couverture élevé n est pas obligatoirement le signe d une bonne performance. L amortissement Ao g de l investissement lié à la boucle géothermale est déterminé de façon classique. Dans l exemple traité, les conditions de financement suivantes sont prises en compte : taux d emprunt de 5 %/an ce qui correspond au taux pratiqué pour des investissements de ce type en 2005 sur une durée de 20 ans. Le coût d exploitation de la boucle géothermale C eg est, quant à lui, constitué de trois postes essentiels : l entretien courant (y compris le coût des inhibiteurs de corrosion) P 2g ; le gros entretien, renouvellement P 3g au sein duquel la pompe immergée représente le poste le plus important ; le gros entretien est souvent confié en garantie totale à une société spécialisée ; la consommation d électricité spécifique P 1g nécessaire au fonctionnement de la boucle (exhaure et réinjection). Au final, et pour l exemple traité, le prix de revient du mégawattheure géothermique avant distribution s élève donc à 11,5 / MWh, en considérant un taux de valorisation de l énergie géothermique de 50 % (on peut constater que, compte tenu du poids des charges fixes, le taux d utilisation ou le nombre de mégawattheures distribués apparaît comme un élément fondamental dans la définition du coût du mégawattheure géothermique produit). Enfin, si l on considère la boucle géothermale (forages et le système d échange), comme équivalente à une chaufferie classique, il est possible de faire la comparaison avec des systèmes utilisant des énergies fossiles. À titre d exemple, le coût du combustible d appoint (valeur à fin 2005) utilisé sur le même réseau serait respectivement de : > 50 /MWh utile pour le gaz naturel ; > 70 /MWh utile pour le fioul domestique. Nota : pour un rendement moyen de 86 %. Énergie potentiellement récupérable : aire du rectangle ABCD 3 500 5 500 Pg ( T = 40 C) C Temps (h) T eq (8) 18 Température extérieure ( C) Le potentiel énergétique disponible est représenté par l'aire du rectangle ABCD. Le taux de couverture par la géothermie est le rapport de la partie grisée par la surface sous la courbe monotone (puissance totale). Le taux de valorisation de la géothermie est le rapport de la surface grisée par la surface du rectangle ABCD. À partir de 8 C (T eq ), la géothermie assure la totalité des besoins. 5.2.4 Coût du mégawattheure délivré à l usager L énergie géothermique ne peut être valorisée que si elle est distribuée à la porte des utilisateurs potentiels via un réseau de chaleur. Chaque opération est un cas particulier et les investissements de distribution de chaleur peuvent varier du simple au triple pour une même puissance géothermique disponible. Outre l existence préalable d un réseau de chaleur, les paramètres principaux entrant dans l investissement de surface sont : la densité thermique des utilisateurs, le type des sous-stations existantes, la nécessité ou non de construire une chaufferie d appoint. En prenant en compte ces différents investissements (production et distribution), le coût du mégawattheure délivré à l usager peut être évalué entre 20 et 50 e, ce qui comparé au coût du mégawattheure gaz ou du fioul est tout à fait compétitif. D BE 8 590v2 20 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE 6. Aspects environnementaux La géothermie est considérée comme une énergie non polluante, mais nécessite dans sa mise en œuvre un certain nombre de précautions. L évaluation de l impact d une opération de géothermie sur l environnement suppose une analyse à deux niveaux. Le premier niveau correspond à la mise en œuvre initiale de l opération. Il concerne les travaux de forages et du réseau de distribution. Le second niveau est celui de l exploitation, en effectuant notamment une comparaison avec les énergies classiques auxquelles la géothermie peut se substituer. 6.1 Conditions de mise en œuvre L impact sur l environnement doit être analysé tout au long des diverses phases d évolution d une opération : en premier lieu, lors de la réalisation du forage ( 6.1.1), ensuite, pendant toute la durée de l exploitation ( 6.1.2), enfin, au moment de la fermeture si l on décide de cesser l exploitation pour diverses raisons ( 6.1.3). La réglementation en vigueur en France prévoit toute une série de dispositions mettant l accent sur la protection de l environnement dans chacune des phases précitées. En règle générale, les forages sont soumis à une étude d impact sur l environnement (décret 78-498 du 28 mars 1978 relatif aux titres de recherche et d exploitation de géothermie). L étude d impact doit traiter séparément la phase chantier et la phase exploitation. Si elle est entreprise suffisamment tôt, elle contribue au choix des sites pour l implantation des installations et des chantiers. De plus, elle permet de définir les mesures de prévention et de limitation des nuisances possibles. 6.1.1 Phase de réalisation du forage En milieu urbain, l activité de forage pose essentiellement des problèmes de bruit. On peut y ajouter le problème des boues et des déblais. Cet impact se limite à la période de réalisation des forages, soit trois à quatre mois pour un doublet, un à deux mois pour un puits unique. Le bruit d un forage n est pas supérieur à celui de matériels de nivellement, tels que les marteaux piqueurs et les camions. Il présente cependant l inconvénient de durer nuit et jour. À cela s ajoute le va-et-vient des camions, en particulier dans les phases d installation et de démantèlement du chantier. Pour réduire les nuisances sonores occasionnées, une solution consiste à entourer le chantier de caissons antibruit. La pollution du sol en surface est temporaire et accidentelle. Elle dure le temps du forage et résulte d infiltrations de boues ou d eau de forage dans le sol, en particulier au niveau des bourbiers. Lors des essais, diverses précautions doivent être prises pour éviter toute pollution thermique et chimique et les nuisances dues aux odeurs et aux émanations de gaz divers (H 2 S en particulier). 6.1.2 Phase d exploitation Quel que soit le type d utilisation, la phase d exploitation est bien sûr celle qui dure le plus longtemps, avec comme conséquence des interactions possibles sur le milieu. Les phénomènes de subsidence qui peuvent éventuellement se traduire en surface par des phénomènes d affaissement de terrains existent quelquefois en «haute enthalpie» ; ils ont été rencontrés en Italie à Lardarello. De même, de légères secousses sismiques peuvent être ressenties lors de l injection d eau froide dans les roches profondes fracturées ; ce problème a été rencontré fin 2006 à Bâle. Ces phénomènes n ont jamais été rencontrés en France. En basse enthalpie, le risque peut provenir de la contamination de nappes d eau potable traversées par les forages destinés à exploiter la chaleur géothermale d une nappe plus profonde et chargée en sels. Cette contamination peut aussi se produire à l occasion du percement d un forage sous l effet de la corrosion. Le système d exploitation géothermique par «doublet» (le fluide géothermal extrait est réinjecté dans un second puits après exploitation de son contenu énergétique), tel que pratiqué dans la région parisienne, constitue un énorme avantage vis-à-vis de l environnement en permettant, d abord, d éviter le rejet en surface du fluide géothermal souvent très polluant et à température encore trop élevée. Il permet ensuite de conserver les pressions hydrostatiques naturelles à l intérieur des nappes aquifères utilisées. Dans certaines régions du monde, souvent pour des raisons économiques, il n est pas toujours prévu de réinjection, avec deux conséquences : une pollution thermique et chimique en surface et des émissions dans l atmosphère liées au dégazage du fluide à la pression atmosphérique. Outre le fait que les eaux extraites à grande profondeur contiennent généralement des quantités importantes de chlorure de sodium, il n est pas rare d y rencontrer des quantités plus ou moins importantes de produits toxiques (bore et arsenic en Turquie, phénol en Roumanie, par exemple). Les gaz libérés par le fluide géothermal peuvent aussi contenir des quantités importantes de gaz carbonique, mais aussi de l hydrogène sulfuré, du dioxyde de soufre, de l acide sulfurique en aérosol, de l ammoniac. 6.1.3 Phase de fermeture : pas d abandon des ouvrages sans précautions Lorsque les puits doivent être abandonnés pour diverses raisons (fin d exploitation, puits détérioré et non réparable, insuffisance de production, etc.), il est absolument nécessaire de supprimer les risques ultérieurs de pollution des nappes aquifères qui ont été traversées par les puits. Dans ce but, l opération consiste à isoler les différentes nappes qui pourraient communiquer éventuellement entre elles par la partie intérieure des puits, en y injectant autant de bouchons de ciment que nécessaire, c est-à-dire autant qu il y a de nappes. 6.2 Impact de la géothermie en tant qu énergie de substitution aux énergies fossiles Comparée à la plupart des énergies classiques, la géothermie, lorsqu elle est exploitée avec les précautions d usage décrites ciavant, présente des avantages environnementaux indéniables. Le principal tient dans le fait qu il s agit d une énergie directement utilisable soit sous forme de chaleur, soit par transformation en électricité : il n y a pas combustion, contrairement aux autres énergies comme le charbon, le pétrole ou le gaz, et par conséquent, pas de production de gaz polluants, ni de gaz carbonique, générateur de l effet de serre. En outre, vu sous l angle économique, la comparaison du prix de revient réel de chaque énergie, c est-à-dire qui intégrerait le coût des contraintes environnementales liées à leur emploi, montrerait aisément que la géothermie demeure une énergie très compétitive. 7. Géothermie en France 7.1 Ressources géothermales françaises La France dispose de plusieurs types de ressources géothermales (figure 31). Les ressources de basse et moyenne énergie valorisées pour des usages thermiques sont principalement situées dans les deux grands bassins sédimentaires existants : le Bassin parisien et le Bassin aquitain. Ces ressources se rencontrent à des profondeurs comprises entre 600 et 3 000 m. D autres régions françaises est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 21

GÉOTHERMIE Massifs anciens Bassins sédimentaires Structures sédimentaires tectonisées Sources thermales 25 C < T < 80 C Cherbourg MANCHE Le Havre Rouen Calais Lille Somme Amiens HAINAULT Oise PARIS BELGIQUE Reims Metz LUXEMBOURG Luxembourg Strasbourg Moselle MASSIF ARMORICAIN Rennes Le Mans BASSIN PARISIEN Orléans Loire Seine VOSGES VOSGES FOSSÉ RHÉNAN Rhin Mayenne Nantes Cher Nevers Dijon Saône Besançon SUISSE La Rochelle vienne Montluçon LIMAGNE BRESSE Rhône OCÉAN ATLANTIQUE Limoges Clermont- Ferrand Lyon Genève Bordeaux BASSIN AQUITAIN Adour Dax Tarbes PYRÉNÉES Bergerac Dordogne Lot Garonne Toulouse MASSIF CENTRAL Montpellier Perpignan COULOIR RHODANIEN MIDI MÉDITERRANÉEN Grenoble Durance Marseille MÉDITÉRRANÉE Monaco ITALIE ESPAGNE ANDORRE Figure 31 Cadre géologique des ressources géothermiques en France (source : Bureau des recherches géologiques et minières BRGM) présentent un potentiel de ressources basse énergie intéressant, mais les structures géologiques sont plus complexes et les gisements beaucoup plus localisés (Hainault, Bresse, Limagne, etc.). La France dispose également de ressources haute énergie, potentiellement exploitables pour de la production d électricité, mais essentiellement dans ses départements d outre-mer (îles volcaniques des Antilles Guadeloupe et Martinique et de l océan Indien La Réunion). Enfin, l ensemble du territoire français est bien pourvu en nappes aquifères superficielles qui peuvent être exploitées avec des pompes à chaleur. La reconnaissance des ressources géothermales françaises remonte pour l essentiel au milieu des années 1970 (réalisation de plusieurs inventaires). 7.1.1 Valorisation des ressources géothermales en France métropolitaine La nature des ressources existantes a conduit à privilégier en France métropolitaine les usages thermiques de la géothermie. À cette fin, 112 forages de reconnaissance profonds (puits forés ou forages existants réhabilités) ont été réalisés depuis 1961 et 97 de ces forages ont finalement été mis en exploitation, principalement entre 1980 et 1987, comme le montre la figure 32. En 2007, 65 installations de production géothermique (puits uniques, doublets, triplets) étaient exploitées. Elles correspondaient à 60 opérations stricto sensu. Un tiers des opérations environ, lancé au début des année 1980, a été arrêté, ayant été confronté à des difficultés techniques, économiques ou financières. C est dans le Bassin parisien que l on rencontre le plus grand nombre d installations, puis dans le Bassin aquitain. Près de la BE 8 590v2 22 est strictement interdite. Editions T.I.

GÉOTHERMIE Nombre de puits 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1961 1969 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1994 1998 2001 Bassin parisien 6 Figure 32 Évolution annuelle des puits forés ou réhabilités (source : Agence de l environnement et de la maîtrise de l énergie ADEME) -1000 m 13 3 13 6-2000 m Bassin aquitain et autres bassins Figure 33 Schéma d une installation de réseau de chaleur urbain géothermique (tel qu existant en région parisienne) (source : ADEME/AGEMO) Tableau 3 Répartition géographique et par usage des opérations (de plus de 100 tep) Bassin parisien Bassin aquitain Autres régions Total Réseaux de chaleur urbains 29 5 34 Piscicultures, serres... 4 6 10 Piscines, centres nautiques... 9 3 12 Chauffage de bâtiments (hors réseaux) 2 2 4 60 moitié des opérations sont des réseaux de chaleur urbains, localisés essentiellement en région parisienne et exploitant l aquifère du Dogger situé à environ 1 700 m de profondeur. Ces réseaux desservent en moyenne 4 000 à 5 000 équivalent-logements chacun (figure 33). Les autres installations sont des installations de chauffage de bassins de pisciculture, de serres horticoles, de piscines ou de centres nautiques (tableau 3). L ensemble de ces opérations permet d économiser annuellement 1 265 GWh utiles, en moyenne, soit environ 130 000 tep de combustible fossile pour un parc avoisinant 166 000 équivalentlogements. On évalue à un peu plus de 400 000 t par an les émissions de CO 2 ainsi évitées. 6 6 7 3 6 2 7 2 7 3 La géothermie s est développée en France dans l urgence du second choc pétrolier. Elle fait désormais la preuve de sa pertinence et son bilan est aujourd hui très positif : progrès techniques à tous les niveaux (techniques de forage et d intervention sur les forages), lutte contre la corrosion des tubages, amélioration de la productivité des puits, optimisation de la production géothermale et de la dépense en énergie. Récemment, le contexte énergétique et environnemental a progressivement évolué avec une prise de conscience plus affirmée des populations des conséquences possibles d un changement climatique et le renchérissement important du coût des énergies fossiles. Ce contexte favorable et les acquis techniques engrangés rendent désormais possible une relance de l activité géothermique dans les régions disposant de ressources naturelles. C est particulièrement le cas en Île-de-France où le potentiel de développement est très important compte tenu de la présence dans le sous-sol francilien de nombreux aquifères exploitables et de la possibilité de satisfaire en surface des besoins thermiques en quantité élevée. En Alsace, des projets potentiels sont identifiés d ores et déjà, qu il s agisse de l alimentation de réseaux de chaleur existants ou à créer, ou de l alimentation d activités d industriels gros consommateurs de chaleur. En Aquitaine, où une quinzaine d opérations sont en exploitation depuis les années 1980, de nouveaux projets pourraient rapidement voir le jour, dans cette région où les ressources géothermales profondes sont assez bien identifiées suite aux campagnes de prospection pétrolière qui y ont été menées successivement depuis les années 1970. 7.1.2 Production d électricité par géothermie dans les départements d outre-mer De par leur contexte volcanique, les départements français d outre-mer la Guadeloupe, la Martinique et la Réunion constituent, pour la France, des cibles privilégiées pour la production d électricité d origine géothermale. C est en Guadeloupe dans les Caraïbes sur le site de la commune de Bouillante, que les projets sont les plus avancés, avec la réhabilitation en 1995-1996 de la centrale de Bouillante-1 (toujours en fonctionnement depuis cette époque), la réalisation entre 1999 et 2004 d une nouvelle centrale (Bouillante-2) et un projet en cours d étude (Bouillante-3) depuis 2003. À terme, l électricité produite par géothermie devrait couvrir près de 20 % de l électricité consommée en Guadeloupe avec une fourniture en base, économiquement rentable, disponible en permanence, et non polluante. 7.2 Organisation La géothermie n a pu se développer en France que grâce à la mise en place de structures et de procédures adaptées à ce type particulier d énergie. 7.2.1 Aspects réglementaires Dans le droit français, le sous-sol appartient à l État et les «gîtes géothermaux» sont considérés comme des «mines» et par ce fait soumis à la législation minière. Au titre du code minier, le décret 78-498 du 28 mars 1978 définit les différents types de gisements géothermaux, et leurs conditions de prospection et d exploitation. La loi distingue ainsi les gisements dits à haute température ou à basse température selon que la température des fluides géothermaux mesurée en surface au cours des essais est supérieure ou inférieure à 150 o C. La législation minière traite les questions d ordre juridique et technique qui fixent les conditions sous lesquelles se déroulent les diverses phases de la vie des opérations de géothermie : l attribution des titres miniers, leur renouvellement, leur retrait, etc. ; est strictement interdite. Editions T.I. BE 8 590v2 23

GÉOTHERMIE les relations des explorateurs et exploitants avec les propriétaires de la surface ; la surveillance administrative des exploitations ; les règlements relatifs à la sécurité des personnes, à la protection des zones dangereuses. Les autorisations de recherche sont accordées par arrêté préfectoral. Elles donnent un droit exclusif de forage en vue de la recherche de gîtes géothermaux pour une durée maximale de trois ans. Le permis d exploitation exclusif est accordé également par le préfet pour une durée maximale de trente ans, il peut être prolongé par périodes maximales de quinze ans. La procédure comporte une enquête publique et la consultation des différents services de l État et collectivités concernés. Elle peut faire l objet de demandes de concurrence et d oppositions. Dans les régions, ce sont les DRIRE (directions régionales de l industrie, de la recherche et de l environnement) qui s assurent du respect de la législation minière et de la surveillance administrative des exploitations. 7.2.2 Maîtres d ouvrage Ce sont généralement des collectivités locales. Celles-ci ont été les acteurs essentiels du développement des opérations. Elles sont toujours parties prenantes dans la gestion des exploitations sous des formes juridiques diverses, et la plupart se sont regroupées au sein d une association (Association des maîtres d ouvrage en géothermie AGEMO) ayant pour but la défense de leurs intérêts et l échange d informations sur les aspects techniques et juridiques liés à cette filière énergétique. Quelques sociétés de droit privé se sont également impliquées dans la réalisation d opérations de géothermie en tant que concessionnaires de collectivités locales ou en assurant une délégation de service public. 7.2.3 Professionnels de la géothermie Ils interviennent à différents stades. Conception des opérations : la conception d une opération associe les compétences d une société d ingénierie «sous-sol» et d un bureau d études «thermique». Le maître d œuvre «sous-sol» évalue les caractéristiques hydrogéologiques du site et les conditions de réalisation des ouvrages qu il conduit jusqu à la réalisation des essais. Le maître d œuvre «thermique» doit, à partir des données que lui fournissent les géologues, concevoir puis conduire la réalisation des installations de surface en les adaptant aux caractéristiques et contraintes spécifiques de la ressource. Réalisation : pour le sous-sol, les techniques utilisées dérivent généralement de celles du secteur pétrolier. Ce sont donc les mêmes sociétés de service que l on rencontre pour la réalisation des ouvrages de géothermie (entreprises de forage, fournisseurs d équipements tels que tubes, pompes, têtes de puits, etc.). Pour les aspects de surface, les entreprises intervenantes sont essentiellement des entreprises de travaux publics pour la réalisation des réseaux et des entreprises de chauffage et de matériels électriques pour les équipements spécifiques (sous-stations, régulation). Exploitation : la conduite des installations de surface est généralement confiée à un exploitant de chauffage expérimenté dans la conduite des chauffages urbains. La mission et la rémunération de ce dernier est fonction du contrat qui le lie au maître d ouvrage. Différents types de contrats existent, parmi ceux-ci : la gestion directe parfois appelée régie : la collectivité locale cumule l ensemble des responsabilités ; l affermage : la collectivité, qui a réalisé l investissement initial, confie la responsabilité de l installation à une entreprise fermière ; la concession : l exploitant, société privée, assure, outre la gestion du service, la construction des installations. Le suivi des ouvrages de sous-sol et le contrôle des caractéristiques de fonctionnement de la boucle géothermale sont assurés, quant à eux, par des sociétés de maintenance spécialisées. Ce sont généralement les sociétés d ingénierie «soussol» qui interviennent. 8. Conclusion D une manière générale, la géothermie se caractérise par son développement relativement récent et par une technologie largement inspirée au départ de l expérience pétrolière. Peut-être moins connue et certainement moins médiatique que d autres énergies renouvelables comme le solaire, l éolien ou la biomasse, la géothermie présente pourtant de nombreux atouts. Elle permet ainsi de couvrir une large gamme d usages. À partir de ressources géothermales de haute ou moyenne énergie, il est possible de produire de l électricité aussi bien pour l alimentation de réseaux existants que pour l alimentation de zones isolées et à des coûts très compétitifs tout à fait concurrentiels à ceux obtenus avec des énergies plus classiques. Cette activité est présente dans plus d une vingtaine de pays aussi bien dans des pays industrialisés que dans des pays en développement. En 2007, la puissance électrique mondiale installée était de l ordre de 8 900 MW, ce qui plaçait cette filière au quatrième rang des filières d énergie renouvelable comme source de production d électricité, derrière l hydraulique, la biomasse et l éolien. La production de chaleur par géothermie, par la valorisation de ressources de basse ou très basse énergie, offre également de multiples possibilités (chauffage/rafraîchissement de bâtiments, chauffage de serres horticoles ou maraîchères, de bassins de pisciculture, applications diverses dans l industrie...). Elle peut être aussi associée à de la production d eau potable, à du thermalisme, à des activités de loisirs (thermoludisme), etc., et participer ainsi à la création d activités économiques locales génératrices d emploi. Plus d une soixantaine de pays exploitent ce type de ressources. Avec 72,6 TWh produits annuellement, la production de chaleur par géothermie se place au deuxième rang mondial des sources de chaleur renouvelable derrière la biomasse. D un point de vue environnemental, la géothermie est probablement l une des énergies les moins polluantes comme l attestent différentes études comparatives réalisées sur l ensemble des filières énergétiques. À titre d exemple, la géothermie en Île-de-France, où fonctionnent plus d une trentaine de réseaux de chaleur géothermiques, contribue pour 0,8 % à la réduction de la pollution atmosphérique totale (transports compris) de cette région. Concernant la recherche, de très nombreux progrès ont été réalisés depuis plusieurs dizaines d années que ce soit en matière de prospection, de technologies de forage ou de pompage, ou d équipements de production. D autres progrès sont à attendre dans la mesure où la connaissance du sous-sol et la maîtrise qui en découle peuvent encore faire l objet d avancées significatives. Les progrès effectués dans ce domaine sont constants comme en témoignent ceux obtenus régulièrement en matière de prospection pétrolière. Pour la géothermie, ils peuvent aussi s observer à la lumière des résultats acquis dans le cadre du programme européen de géothermie profonde mené à Soultz-sous-Forêts en Alsace. Pour résumer, la géothermie présente de très nombreux atouts et peut être considérée comme une véritable filière énergétique. Le souhait de la communauté internationale de voir s intensifier les efforts en faveur des énergies renouvelables devrait pleinement contribuer à accentuer son développement d ici à 2030. BE 8 590v2 24 est strictement interdite. Editions T.I.