♨️ Géothermie ou l’énergie de la Terre

Géothermie : définition

La géothermie, littéralement « chaleur de la Terre », désigne l’ensemble des techniques permettant de récupérer l’énergie thermique contenue dans le sous-sol, dans les roches ou dans les eaux souterraines. Selon la température de la ressource et les équipements utilisés, cette chaleur sert au chauffage, à la production d’eau chaude, au rafraîchissement des bâtiments ou à la production d’électricité.

La chaleur interne de la Terre provient principalement de deux sources : la désintégration naturelle d’éléments radioactifs, notamment l’uranium, le thorium et le potassium, et la chaleur héritée de la formation de notre planète. Dans les premiers mètres du sol, les variations de température sont également influencées par les saisons et l’énergie solaire. En profondeur, la température augmente généralement : c’est le gradient géothermique, de l’ordre de 3 °C pour 100 mètres en moyenne, avec de fortes variations selon les régions.

Le flux de chaleur qui parvient naturellement à la surface est diffus. Pour obtenir une puissance utile, on exploite donc la chaleur stockée dans les terrains ou transportée par les eaux souterraines, grâce à des échangeurs, des capteurs enterrés ou des forages. Les zones volcaniques et les frontières de plaques tectoniques présentent souvent des ressources particulièrement chaudes, notamment autour de la « ceinture de feu » du Pacifique. Mais la géothermie superficielle peut être utilisée dans de nombreuses régions dépourvues de volcanisme.

On distingue deux grandes filières : la géothermie thermique, destinée au chauffage et au rafraîchissement, et la géothermie électrique. Les ressources sont également classées, à titre indicatif, en très basse énergie (moins de 30 °C), basse énergie (30 à 90 °C), moyenne énergie (90 à 150 °C) et haute énergie (plus de 150 °C). Ces limites sont conventionnelles : les usages possibles dépendent aussi du débit, de la profondeur, de la géologie et des technologies employées.

La géothermie pour produire de l’électricité

La production d’électricité géothermique utilise la chaleur d’un réservoir souterrain pour entraîner une turbine couplée à un alternateur. Les centrales classiques exploitent surtout des ressources à haute température, souvent supérieures à 150 °C. Lorsque le réservoir fournit de la vapeur, celle-ci peut actionner directement la turbine. Si le fluide remonte sous forme d’eau très chaude sous pression, une partie peut être transformée en vapeur par détente : on parle de centrale à vapeur flash.

Cette production présente l’avantage de pouvoir fonctionner de façon continue, indépendamment de l’ensoleillement ou du vent, sous réserve de la disponibilité du réservoir et des opérations de maintenance. Elle reste toutefois limitée aux sites géologiquement favorables ou accessibles grâce à des techniques de forage adaptées. En 1904, à Larderello, en Italie, la vapeur géothermique permit pour la première fois de produire de l’électricité à titre expérimental ; la première centrale géothermique commerciale y entra en service en 1913.

La technologie du cycle binaire

Dans une centrale à cycle binaire, l’eau géothermale chaude transmet son énergie, au moyen d’un échangeur, à un fluide secondaire qui se vaporise à plus basse température, comme l’isobutane ou l’isopentane. La vapeur de ce fluide fait tourner une turbine, puis elle est refroidie et condensée avant de recommencer un nouveau cycle. Le fluide géothermal et le fluide de travail circulent dans des circuits séparés.

Cette technologie, souvent fondée sur un cycle organique de Rankine (ORC), permet de valoriser des ressources de température plus modérée, parfois proches de 100 °C, voire inférieures dans certaines conditions. Son rendement électrique dépend fortement de la température de la ressource et des conditions de refroidissement. Elle facilite également le confinement des fluides géothermaux, qui peuvent être réinjectés dans leur réservoir.

La géothermie très basse énergie

La géothermie très basse énergie, ou géothermie de surface, utilise les terrains ou les nappes souterraines dont la température est généralement inférieure à 30 °C, à des profondeurs le plus souvent inférieures à 200 mètres. Cette température est insuffisante pour alimenter directement la plupart des radiateurs : une pompe à chaleur (PAC) géothermique élève alors la température de la chaleur prélevée dans le sol afin de chauffer un bâtiment ou de produire de l’eau chaude sanitaire.

Une pompe à chaleur consomme de l’électricité, mais elle fournit davantage de chaleur que l’énergie électrique qu’elle utilise, car elle transfère aussi la chaleur du sous-sol. Par exemple, avec un coefficient de performance (COP) de 4, elle fournit 4 kWh de chaleur pour 1 kWh d’électricité consommé, dans les conditions de mesure considérées. Les performances réelles sur une saison dépendent du dimensionnement, du bâtiment, de la température du terrain et des besoins de chauffage.

On distingue principalement :

• les capteurs horizontaux : des tubes contenant un fluide caloporteur sont enterrés à faible profondeur, généralement autour de 0,6 à 1,5 m. Ils nécessitent une surface de terrain suffisante et profitent de la chaleur du sol, partiellement renouvelée par les échanges avec l’atmosphère et le soleil ;
• les sondes géothermiques verticales : un fluide circule en circuit fermé dans des tubes placés dans des forages pouvant atteindre plusieurs dizaines ou centaines de mètres. Cette solution occupe moins d’espace en surface ;
• la géothermie sur nappe : l’eau souterraine est pompée, cède ou reçoit de la chaleur au moyen d’un échangeur, puis est généralement réinjectée dans l’aquifère. La profondeur des forages varie selon la nappe et le contexte géologique.

En été, certains systèmes permettent de rafraîchir les bâtiments en transférant leur chaleur vers le sous-sol. Lorsque ce transfert se fait sans cycle frigorifique actif, on parle de géocooling ou de rafraîchissement géothermique direct ; des pompes de circulation restent néanmoins nécessaires. L’investissement initial, notamment les forages, peut être important, mais la consommation d’énergie à l’usage est souvent réduite. Il n’existe pas de coût universel du kWh géothermique : il dépend du site, des équipements, du prix de l’électricité et de l’entretien.

La géothermie basse énergie

Les ressources géothermales dites de « basse énergie » présentent une température généralement comprise entre 30 et 90 °C. Elles se rencontrent souvent dans des aquifères de bassins sédimentaires, à des profondeurs de quelques centaines de mètres à environ 2 000 mètres, parfois davantage. Leur principal débouché est la production de chaleur pour des logements, des bâtiments publics, des activités agricoles ou des procédés industriels.

Le Bassin parisien dispose ainsi d’un important réservoir géothermique dans les calcaires du Dogger, généralement exploité vers 1 500 à 2 000 mètres de profondeur, où l’eau peut atteindre environ 60 à 85 °C selon les secteurs. Cette chaleur alimente notamment des réseaux de chauffage urbain. L’eau géothermale, qui peut être très minéralisée, ne circule généralement pas directement dans les radiateurs : elle transmet sa chaleur à un circuit de distribution séparé par l’intermédiaire d’un échangeur.

Schéma d’une installation-type de géothermie

Dans le cas courant d’un doublet géothermique, l’installation comprend :

• un puits de production qui prélève l’eau chaude dans l’aquifère ;
• un échangeur de chaleur, éventuellement associé à une pompe à chaleur ;
• un réseau de distribution qui achemine la chaleur vers les bâtiments ;
• un puits de réinjection qui renvoie l’eau refroidie dans le réservoir souterrain.

La réinjection contribue à limiter les prélèvements nets d’eau, à préserver la pression du réservoir et à maîtriser les rejets en surface. Elle n’empêche cependant pas, à elle seule, un refroidissement local du gisement si l’installation est mal dimensionnée ou exploitée trop intensivement.

Domaines d’applications

Chauffage de logements collectifs et de bâtiments publics, réseaux de chaleur, serres agricoles, pisciculture, élevages, séchage de produits agricoles, thermalisme ou mise hors gel de certaines infrastructures : les applications sont nombreuses. La température nécessaire varie en fonction des usages. Une pompe à chaleur peut être ajoutée lorsque celle de la ressource est inférieure aux besoins du réseau ou des bâtiments.

En France, selon les statistiques publiques sur les énergies renouvelables, la géothermie thermique a représenté environ 2,2 TWh en 2024, hors chaleur renouvelable fournie par les pompes à chaleur géothermiques, comptabilisée séparément. Ce chiffre illustre le rôle encore modeste, mais déjà bien établi, de la géothermie dans l’approvisionnement en chaleur.

La géothermie moyenne énergie

La géothermie moyenne énergie valorise des eaux chaudes ou des mélanges d’eau et de vapeur dont la température est généralement comprise entre 90 et 150 °C. Selon le contexte géologique, ces ressources se rencontrent à des profondeurs très variables, parfois de plusieurs milliers de mètres, dans des bassins sédimentaires ou des zones présentant un gradient géothermique élevé.

Cette chaleur peut être utilisée pour des réseaux de chauffage, des procédés industriels exigeant des températures plus élevées ou, lorsque les conditions le permettent, pour produire de l’électricité grâce à un cycle binaire. La distinction entre moyenne et haute énergie dépend ainsi moins de la profondeur du forage que de la température et des caractéristiques du fluide extrait.

La géothermie haute énergie

La géothermie haute énergie exploite des fluides à une température supérieure à 150 °C, parfois bien au-delà de 250 °C. Ces ressources sont particulièrement accessibles dans certaines régions volcaniques et tectoniquement actives, où des eaux profondes circulent à travers les fractures des roches. Les forages atteignent fréquemment plusieurs kilomètres de profondeur, mais des réservoirs très chauds peuvent aussi être présents à moins de 1 000 mètres dans les zones favorables.

En Guadeloupe, la centrale de Bouillante utilise ainsi des fluides géothermaux d’environ 250 à 260 °C prélevés dans un réservoir situé à quelque 500 à 1 000 mètres de profondeur. La vapeur produite alimente des turbines électriques. Une partie des fluides est réinjectée, tandis que la gestion du reste des rejets dépend des installations. En France métropolitaine, le site de Soultz-sous-Forêts, en Alsace, a permis de développer la production électrique à partir de ressources profondes.

La géothermie profonde stimulée et les fluides supercritiques

Les systèmes géothermiques stimulés, ou EGS (Enhanced Geothermal Systems), visent à exploiter des roches chaudes qui ne disposent pas naturellement d’une circulation d’eau suffisante. Des opérations de stimulation peuvent améliorer la perméabilité de fractures existantes et faciliter les échanges thermiques entre la roche et le fluide injecté. Cette technique élargit les zones potentiellement exploitables, mais exige une bonne connaissance du sous-sol et une surveillance du risque de sismicité induite.

En Islande, le forage IDDP-2, réalisé à Reykjanes dans le cadre de l’Iceland Deep Drilling Project et associé aux recherches européennes du projet DEEPEGS, a atteint 4 659 mètres de profondeur en janvier 2017. Les mesures réalisées au fond du puits indiquaient environ 427 °C et 340 bars, soit des conditions supercritiques pour le fluide géothermal concerné.

Ces recherches montrent l’intérêt potentiel de ressources très chaudes, dont la densité énergétique peut être élevée. Leur exploitation industrielle reste toutefois difficile : forages coûteux, résistance des matériaux, corrosion, maîtrise des pressions et gestion durable du réservoir sont autant de défis à résoudre.

Géothermie et gaz à effet de serre

La géothermie est généralement une énergie faiblement émettrice de gaz à effet de serre, mais ses émissions ne sont pas nulles. Il faut distinguer les rejets directs d’une installation et son bilan sur l’ensemble du cycle de vie, qui inclut les forages, les matériaux, la construction, l’électricité consommée et la maintenance. Pour la production d’électricité, les analyses de cycle de vie recensées par le laboratoire américain NREL donnent des valeurs médianes d’environ 11 à 47 g de CO₂ équivalent par kWh selon les technologies étudiées. Ces moyennes ne décrivent pas chaque centrale : les écarts entre sites peuvent être importants.

Dans certaines centrales à vapeur, le fluide géothermal contient naturellement du dioxyde de carbone ou d’autres gaz qui peuvent être libérés au cours de l’exploitation. Les cycles binaires et la réinjection des fluides permettent généralement de limiter ces émissions directes, sans annuler celles liées à la construction et au fonctionnement. Le bilan de la géothermie destinée au chauffage dépend également de la part d’électricité utilisée par les pompes à chaleur et de son mode de production.

Par comparaison, les centrales alimentées par des combustibles fossiles émettent généralement plusieurs centaines de grammes de CO₂ par kWh d’électricité produit. Le bénéfice climatique de la géothermie doit néanmoins être apprécié à partir d’une analyse propre à chaque projet, et non d’une valeur unique présentée comme universelle.

Avantages et limites de la géothermie

La géothermie présente plusieurs atouts : elle exploite une ressource locale, demande peu d’emprise au sol une fois les installations réalisées et peut fournir de la chaleur ou de l’électricité de façon régulière. Elle contribue ainsi à diversifier l’approvisionnement énergétique et à réduire l’utilisation des combustibles fossiles. Elle n’est toutefois ni gratuite, ni sans impact environnemental.

• Des contraintes géologiques et économiques : température, débit, perméabilité et profondeur déterminent la faisabilité du projet. Les études préalables et les forages représentent une part importante de l’investissement, avec un risque de ne pas trouver la ressource attendue ;
• Une gestion nécessaire du réservoir : des prélèvements excessifs ou une réinjection mal positionnée peuvent entraîner un refroidissement local, une baisse de pression ou une diminution des performances au fil du temps ;
• Des risques à maîtriser : les eaux profondes peuvent provoquer corrosion et dépôts minéraux. Les forages exigent des précautions pour protéger les nappes souterraines. Certaines opérations de géothermie profonde, notamment les stimulations et les modifications de pression, peuvent déclencher une sismicité induite ;
• Un dimensionnement adapté aux usages : pour les pompes à chaleur, les économies d’énergie dépendent aussi de l’isolation du bâtiment, des températures de chauffage et de la qualité de l’installation. Une surveillance et un entretien réguliers sont indispensables.

Lorsqu’elle est correctement étudiée, dimensionnée et surveillée, la géothermie constitue donc une solution renouvelable particulièrement intéressante pour le chauffage et, dans les sites favorables, pour la production d’électricité. Son développement repose autant sur les progrès technologiques que sur une exploitation prudente des ressources du sous-sol.