LA GÉOTHERMIE, UNE ÉNERGIE ÉCOLOGIQUE, RENOUVELABLE, NON INTERMITTENTE, LUDOVIC ZANOLIN*

La géothermie pourrait jouer un rôle important pour le chauffage des habitations, à condition de développer cette filière et les métiers qui lui sont associés. 

*Ludovic Zanolin est ingénieur et membre du Comité national de la géothermie

Le terme géothermie, du grec géo (terre) et thermos (chaud), désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe et les processus industriels qui visent à les exploiter pour produire de l’électricité et/ou de la chaleur.

LES PHÉNOMÈNES GÉOTHERMIQUES

La chaleur présente dans le sous-sol provient pour l’essentiel de la désintégration des éléments radioactifs constitutifs de la croûte terrestre et de la dissipation de l’énergie primitive. Ses manifestations les plus visibles sont bien connues (volcans, geysers, sources chaudes…) et sa présence peut s’appréhender aisément grâce à la notion de gradient

géothermique. Le gradient géothermique sur la planète est en moyenne de 33 °C par kilomètre, comme en France métropolitaine, mais sa valeur peut être nettement supérieure, notamment dans les zones de volcanisme actif ou récent, où il peut atteindre plusieurs dizaines de degrés Celsius tous les 100 m.

À faible profondeur, la chaleur du sous-sol peut être valorisée pour produire de la chaleur ou du froid si elle est assistée par une pompe à chaleur géothermique (PAC). Au-delà de quelques centaines de mètres, cette énergie peut être utilisée directement pour des usages thermiques (chauffage de bâtiments, utilisation dans des process industriels, applications agricoles…) ou pour produire de l’électricité. Actuellement, plus de 35 pays ont recours à la géothermie pour produire de l’électricité pour une puissance mondiale installée de 12 GWe. La production de chaleur par géothermie est présente dans 79 pays avec un total de 43 GWth installés (en 2012).

RÉGLEMENTATION FRANÇAISE

Parmi les différents types de gîtes géothermiques, on distingue :
– les gîtes géothermiques à haute température (plus de 150 °C) ; ils sont essentiellement exploités pour produire de l’électricité. Les procédures d’obtention d’un titre d’exploitation sont identiques à celles des autres mines.

– les gîtes géothermiques à basse température (moins de 150 °C) ; ils peuvent être exploités pour produire de l’électricité (entre 90 et 150 °C) et de la chaleur (surtout en dessous de 90 °C). Un décret décrit les procédures spécifiques à ce type de géothermie. – les gîtes géothermiques de minime importance (moins de 200 m et moins de 500 kW ) ; la nouvelle procédure est encadrée par le décret du 8 janvier 2015, lequel définit les activités ou installations de ce type qui n’ont pas d’incidence significative sur l’environnement et en élargit le périmètre ; il simplifie le cadre réglementaire qui leur est applicable en substituant au régime d’autorisation en vigueur une déclaration de travaux pour une large partie du territoire, précisée dans une cartographie qui vient d’être établie).

DES TECHNOLOGIES MATURES

La géothermie de minime importance s’accompagne de la mise en œuvre de PAC pour élever la température de la chaleur prélevée dans le sous-sol à un niveau compatible avec l’utilisation que l’on veut en faire (en général le chauffage de bâtiments). Ce type de géothermie vise principalement le chauffage et le rafraîchissement de maisons individuelles, de bâtiments tertiaires ou résidentiels collectifs. Il est très développé dans des pays comme l’Allemagne et la Suisse.

La géothermie basse température valorise directement la chaleur de ressources que l’on rencontre dans les formations sédimentaires profondes de hautes porosité et perméabilité, situées entre 500 et 2 500 m de profondeur.

C’est ce type de ressources que l’on trouve en France, par exemple dans le Bassin parisien ou le Bassin aquitain. Elles sont couramment exploitées pour le chauffage urbain, le chauffage des serres, de piscines et d’établissements thermaux, l’aquaculture et le séchage. Des PAC peuvent être utilisées en complément afin d’en optimiser la valorisation. Dans le cas desgisements de moyenne énergie (température comprise entre 100 °C et 150 °C), on peut utiliser des centrales (électricité ou électricité- chaleur) fonctionnant avec un fluide organique volatil (isobutane, isopentane…) évoluant en circuit fermé (technologie ORC).

La géothermie haute température et haute énergie cible majoritairement la production d’électricité. Les gisements se rencontrent généralement à une profondeur comprise entre 500 et 1 500 m, dans les zones de volcanisme actif ou récent, aux frontières des plaques tectoniques. En France, les ressources sont présentes dans les départements et régions d’outre-mer insulaires (Guadeloupe, Martinique, La Réunion, Mayotte). L’électricité est produite dans des centrales à vapeur d’eau : la vapeur géothermale à plus de 150 °C sortant directement des puits géothermiques est envoyée dans une turbine couplée à un alternateur. Ces centrales peuvent aussi fonctionner en cogénération électricité-chaleur pour des applications de chauffage ou de froid. C’est également le cas des centrales géothermiques EGS (enhanced geothermal systems) qui s’adressent à des réservoirs à faible perméabilité (bassins d’effondrement, zones périphériques des champs géothermiques de haute énergie), fracturés naturellement, profonds de plusieurs milliers de mètres, qu’il est nécessaire de stimuler par voie hydraulique ou chimique pour en augmenter la perméabilité. Le pilote scientifique de Soultz-sous-Forêts, en Alsace, met en œuvre cette technique.

ÉTAT DE LA GÉOTHERMIE

La France dispose de tout le tissu industriel nécessaire pour produire les composants des boucles géothermiques et des installations de surface (tubes de forages, échangeurs, vannes, turbines, alternateurs, systèmes de régulation, systèmes de traitement contre la corrosion, centrales binaires, etc.) pour la production d’électricité ou de chaleur.

La filière française peut s’appuyer notamment sur l’expérience acquise dans le Bassin parisien, qui concentre la plus grande densité au monde d’opérations de géothermie basse énergie en fonctionnement exploitant le même aquifère. À cela s’ajoutent de solides compétences en matière d’exploitation d’installations énergétiques, d’ingénierie du sous-sol, ainsi qu’un savoir-faire reconnu de sociétés aptes à réaliser les forages les plus complexes à grande profondeur.

Production

Située au 3e rang européen en termes de capacité, la France joue un rôle important dans le développement de cette énergie. Le Grenelle de l’environnement a prévu qu’entre 2006 et 2020 la contribution de la géothermie au mix énergétique français sera multipliée par 6, pour représenter 1,3 million de tonnes équivalent pétrole (tep) substituées. La part de production d’électricité géothermique en France doit passer de 15à80MW.

Géothermie de minime importance

On estime que la puissance installée en 2012 atteint 100 MWth. Cela correspond à une baisse de 16 % de par rapport à 2011. Les chiffres de l’AFPAC (Association française des pompes à chaleur) montrent que le marché des PAC géothermiques pour les maisons individuelles s’est encore dégradé¹. Le marché des champs de sondes (plus de cinq sondes), qui émerge, ne compense pas cette baisse. En revanche, le marché de la géothermie sur nappe progresse très légèrement. En 2012, un total de 1 950 MWth étaient installés en France.

Géothermie basse température

Avec 42 réseaux en fonctionnement et 27 réseaux à l’étude en 2012 (dont Arcueil-Gentilly et Bagneux), la France est le pays européen qui compte le plus de réseaux de chaleur urbains géothermiques et se classe au 3e rang européen, derrière l’Islande et la Turquie si l’on considère la puissance totale installée en mégawatts thermiques. Au total, 411 MWth sont installés dans la filière basse énergie, ce qui correspond à 200 000 équivalents logements, essentiellement en région parisienne (170 000) et en Aquitaine.

Haute température

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Centrale géothermique de Nesjavellir (Islande). Les hautes températures dues à l’activité volcanique de l’île permettent de produire à la fois de la chaleur et de l’électricité pour la capitale, Reykjavik.

Avec 17,2 MWe installés en 2014 (1,5 MWe de type EGS à Soultz-sous- Forêts et 15,7 MWe d’origine volcanique à Bouillante, en Guadeloupe), la France se classe au 5e rang européen des producteurs d’électricité d’origine géothermique.

PRODUCTION ANNUELLE, EMPLOI ET PROGRESSION ATTENDUE

La production annuelle de chaleur et de froid a été portée fin 2012 à 460 000 tep. La production d’électricité géothermique pour 2012 s’est légèrement tassée, à 51 GWh (0,051 TWh). D’après l’Association française des professionnels de la géothermie (AFPG), la géothermie a évité en 2012 l’émission d’environ 1 Mt de CO2 ; par ailleurs, l’AFPG estime que le secteur représente, a minima, 4 000 emplois directs en France.

Au-delà des 1,3 Mtep, objectif (qui semble à ce jour difficile à atteindre en 2020) du Grenelle, l’AFPG estime que la géothermie en bassin d’effondrement (type Soultz-sous-Forêts) sera en mesure de fournir 350 MWth en métropole en 2030.

Pour l’électricité, entre bassins d’effondrement et surtout zones volcaniques dans les DROM (extension de la centrale de Bouillante [40 MWe en 2025], nouveaux projets dans les DROM et importation possible de la Dominique), l’AFPG comme l’ADEME ont des prévisions entre 200 et 300 MWe en 2030. Pour la métropole, l’AFPG a avancé, le 19 mars 2015, dans le cadre du groupe de travail préparatoire à la PPE, une prévision de 8,1 MWe en 2018 et une fourchette entre 39,7 et 53,5 MWepour 2023. Pour la filière basse température à usage direct de la chaleur, de nouveaux réseaux sont attendus en Île- de-France et en Aquitaine.

Le développement de la géothermie de minime importance n’est pas quantifié au-delà de sa contribution à l’objectif 2020. Il devrait être facilité par la simplification des démarches administratives, l’existence de la cartographie des zones sans risques (près de 90 % du territoire français) et la modification de la RT2012 (réglementation thermique 2012) pour s’aligner notamment sur les dispositions plus favorables dont bénéficie la filière bois, puisque la géothermie apporte les mêmes avantages : emploi local, faible importation d’énergie, réduction des émissions de CO2.

Le maintien des dispositifs d’aides fiscales (crédit d’impôt pour le développement durable…) et de subventions (fonds « chaleur »…) est posé par l’AFPG comme condition essentielle pour maintenir l’attractivité de la géothermie dans plusieurs domaines (capteurs horizontaux pour les particuliers, sondes verticales dans le collectif, doublets sur les aquifères dans le tertiaire).

(N.B. : Le coût de rachat de l’électricité en métropole de 200 €/MWh, uniquement utilisé à Soultz-les- Forêts, va être remplacé par le système de complément de rémunération prévu pour toutes les EnR.)

PERSPECTIVES DE LA GÉOTHERMIE

Si les contributions attendues de la géothermie ne pourront modifier fortement le bilan énergétique du pays, son développement peut avoir une influence sensible dans certaines zones du territoire national. C’est évidemment le cas pour la production électrique dans les DOM. En métropole, le recours à la géothermie pourrait se développer davantage dans l’usage direct de la chaleur, contribuant ainsi à la diminution des importations d’énergie et à la réduction des émissions de CO2. Les efforts de qualité, de qualification des techniques et des opérateurs de forage, de formation, de recherche et développement, d’innovation sont des conditions indispensables au développement de la géothermie et au renforcement de l’exportation du savoir-faire des opérateurs français, en particulier dans le domaine de la géothermie haute température. Les dix principaux pays producteurs produisent 94 % de l’électricité d’origine géothermique ; dix autres, dont la France, se partagent les 6 % restants. Le total de la production mondiale 2012 (70 TWh) représente 0,3 % des 22 700 TWh de la production électrique mondiale mais a une place importante dans des pays comme les Philippines ou l’Islande. Concernant la France, la production de 0,051 TWh représente 1/10 000 des 560 TWh de la production totale du pays. Cette production française provient essentiellement de la centrale de Bouillante, à la Guadeloupe. Notons que portée de 200 à 300 MWe en 2030 elle resterait marginale dans l’ensemble du parc, dont la puissance est de l’ordre de 100 000 MWe, mais qu’elle pourrait avoir une production significative dans les DROM.

N.B. : Cet article est basé sur des textes et données de l’ADEME, du BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) et de l’AFPG.


¹Il n’en est pas de même des PAC aerothermiques dont le développement est très important.

1 GWe = puissance de 1 milliard de watts électriques.
1 GWth = puissance de 1 milliard de watts thermiques.
1 MW = 1 mégawatt, soit 1 million de watts.
1 kW = 1 kilowatt, soit 1000 watts.
1 TWh = 1 térawattheure, 1000 milliards de wattheures.
La France produit environ 550 TWh par an.


 

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