Cette technique permet d’exploiter une ressource inépuisable : la chaleur stockée sous la surface de la Terre !
Plusieurs couches composent la structure interne du globe, avec au centre un noyau, et en périphérie la croûte terrestre avec une épaisseur comprise entre 30 et 60 km. La croûte est constituée de roches dont certaines contiennent des éléments radioactifs comme l’Uranium.
La désintégration de la radioactivité de ces roches et, dans une moindre mesure le refroidissement du noyau, dégagent de la chaleur.
Les différentes couches de la surface du globe
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Le saviez-vous ?
La surface de la Terre est également réchauffée par l’énergie du soleil, mais uniquement sur les premiers mètres du sous-sol. En France, la température moyenne au niveau du sol tout au long de l’année est de 10 à 14 °C puis, au fur et à mesure que l’on s’enfonce, elle augmente en moyenne de 3,3 °C tous les 100 mètres.
C’est ce que l’on appelle le gradient géothermique. Les roches peuvent ainsi atteindre 150 °C à 4 000 mètres de profondeur !
À certains endroits : le magma est parvenu à remonter vers la surface, C’est ce qui se passe avec les geysers, les volcans et les sources chaudes. Dans ces zones, le gradient géothermique peut atteindre jusqu’à 30 °C/100 m, comme c’est le cas dans les îles volcaniques. À Bouillante en Guadeloupe, par exemple, la température à 1 000 m de profondeur atteint 260 °C (alors qu’en région parisienne où le gradient est moyen, la température est de l’ordre de 45 °C à cette profondeur).
C’est une chaleur disponible 24 heures sur 24 et 365 jours par an, qui ne dépend ni du climat, ni des saisons, ni du jour ou de la nuit. L’exploitation de la chaleur du sous-sol sert à produire de la chaleur et de l’électricité.
Nous avons donc sous les pieds une réserve d’énergie quasi inépuisable, car réapprovisionnée en permanence ! Mais, cette énergie encore peu développée, a un fort potentiel notamment dans les Départements d’Outre-Mer qui pourraient produire 30 % de leur électricité grâce à la géothermie.
Comment exploiter la géothermie pour se chauffer ?
Se chauffer avec une pompe à chaleur
La pompe à chaleur géothermique capte la chaleur du sol pour la ramener à l’intérieur des bâtiments. Pour bien fonctionner, il faut qu’elle soit installée dans une zone où la température du sous-sol est stable.
Elle permet d’économiser beaucoup d’énergie car elle peut fournir jusqu’à 75 % des besoins en énergie pour chauffer une maison ! En France, on estime actuellement que près de 200 000 maisons individuelles sont chauffées grâce à l’énergie du sol.
À savoir : certaines pompes à chaleur peuvent aussi rafraîchir la maison en été. On parle alors de pompe à chaleur réversible : elle est équipée d’un dispositif permettant d’inverser le cycle du fluide frigorigène. Le condenseur devient l’évaporateur, l’évaporateur devient condenseur et la pompe à chaleur puise alors des calories dans le bâtiment pour les rejeter dans le sol… La maison est climatisée !
Se chauffer grâce à un réseau de chaleur
Pour alimenter un réseau de chaleur, on puise l’eau du sous-sol par forage (le puits de production) et on la fait passer dans un échangeur de chaleur. L’eau réchauffée circule ensuite dans un réseau de chaleur qui apportera la chaleur jusqu’aux bâtiments pour les chauffer.
L’eau qui circule dans le réseau de chaleur n’est pas celle qui a été puisée dans les roches. Dans l’échangeur de chaleur, l’eau puisée a transféré sa chaleur à de l’eau de ville qui circulera, elle, dans le réseau de chaleur. En effet, aux profondeurs où elle est prélevée, l’eau géothermale est chargée en minéraux et est corrosive. Il est donc interdit de la rejeter en surface. On fore donc un second puits (puits de réinjection) pour réinjecter l’eau dans le réservoir d’origine. Mais il faut implanter ce second puits à environ 1 500 ou 2 000 mètres du puits de production afin que l’eau réinjectée ne vienne pas refroidir celle qui est puisée !
Le saviez-vous ?
L’énergie de la géothermie est utilisée depuis longtemps par les êtres humains (avec la pratique des bains thermaux pendant l’Antiquité). L’exploitation industrielle pour se chauffer date du début du XXe siècle. C’est en 1930 à Reykjavik (Islande) que l’on voit apparaître le premier réseau de chauffage urbain.
La France compte une soixantaine de réseaux de chaleur urbains alimentés par la géothermie basse énergie. Ils se situent surtout en Île-de-France, la région qui concentre la plus grande densité de ces installations en Europe !
Comment exploiter la géothermie pour produire de l’électricité ?
Dans une centrale Flash
La chaleur terrestre n’est pas exploitable partout de la même façon. Dans les zones volcaniques, la chaleur du centre de la Terre remonte et réchauffe de gigantesques poches d’eau. Ce fluide sous pression et chargé en minéraux est extrait par forage. Lors de sa remontée dans le puits, il perd de la pression et arrive à la surface sous forme d’un mélange d’eau et de vapeur. L’eau et la vapeur sont séparées dans un séparateur-sécheur. La vapeur est ensuite envoyée directement dans une turbine couplée à un alternateur qui produit ainsi de l’électricité.
À la sortie de la turbine, la vapeur détendue est condensée et réinjectée avec l’eau séparée dans le réservoir géothermique. La puissance électrique moyenne de ces centrales géothermiques varie de 15 à 50 MW.
Dans une centrale ORC
Lorsque la température du fluide géothermal est moins importante (c’est-à -dire entre 90 °C et 150 °C), on utilise des centrales utilisant un fluide intermédiaire.
Dans une centrale ORC, le fluide géothermal est maintenu sous pression puis est amené dans un échangeur de chaleur où il cède son énergie à un fluide organique (par exemple l’isobutane) qui peut se vaporiser à faible pression et température. La vapeur produite est ensuite turbinée puis condensée et revient à l’état liquide, puis est pompée et retourne à l’échangeur de chaleur pour effectuer un nouveau cycle en circuit fermé. La turbine est couplée à un alternateur pour produire de l’électricité. Le fluide géothermal refroidi après son passage dans l’échangeur de chaleur est réinjecté dans le sous-sol dans le puits d’origine par un second forage.
Le saviez-vous ?
C’est en Italie, à Larderello, que la géothermie produit de l’électricité pour la première fois au monde, en 1904. Le prince Ginori Conti allume symboliquement cinq ampoules, annonçant pour l’année suivante la construction de la première centrale expérimentale de 20 kW. Depuis, la géothermie haute température s’est bien développée !
Un peu plus de 500 centrales ont déjà été construites dans le monde permettent d’alimenter en électricité plusieurs dizaines de millions de personnes.
En France, la production d’électricité géothermique concerne plutôt les territoires d’outre-mer avec des perspectives de développement intéressantes en Guadeloupe, en Martinique, à Mayotte ou à la Réunion. En Guadeloupe par exemple, la centrale géothermique de Bouillante couvre aujourd’hui environ 7 % de la consommation d’électricité de l’île. Sa puissance permettra bientôt de répondre à environ 13 % des besoins en électricité.
D’autres projets sont à l’étude qui devraient amener une production permettant de couvrir plus de 30 % de la consommation d’électricité. En plus de produire une électricité peu émettrice de gaz à effet de serre, la géothermie est indépendante des aléas climatiques et peut produire 24 h/24 tout au long de l’année !