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La Géothermie

Diaporama réalisé à partir des publications du SER de mars 20011

Patrick MONASSIERUniversité Lyon 1Faculté des Sciences et TechnologiesMaster ERGE3

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Patrick Monassier - ERGE3 Réalisé selon les publications SER 06/2011 2

La géothermie en Europe et dans le monde

La géothermie en France

Une source d’énergie renouvelable et inépuisable

Principes de fonctionnement et usages

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La Géothermie

Sommaire


La chaleur géothermique dans le monde.

Fin 2009, plus de 70 pays utilisaient la géothermie pour produire de la chaleur. L a puissance installée est estimée à 50,6 GW, ce qui correspond à une production annuelle supérieure à 120 000 GWh.

Les principaux pays producteurs sont le Japon, la Chine, la Russie, les pays d’Europe de l’est, centrale et orientale, et les Etats-Unis. L a France a joué un rôle de pionnier dans le développement de la géothermie, en particulier dans le Bassin parisien qui présente la plus grande densité au monde d’opérations de géothermie en fonctionnement, grâce à son très important gisement.


Les ressources mondiales de géothermie (source BRGM)


L’électricité géothermique dans le monde

On dénombre aujourd’hui plus de 350 installations géothermiques haute et moyenneénergie dans le monde. La puissance totale de ces centrales électriques est d’environ10 700 MW en 2010 (contre 8 000 MW en 2000), soit 0,3 % de la puissance mondialeélectrique installée sur la planète. En nombre de MWh produits, la géothermieconstitue, avec la biomasse et l’éolien, l’une des quatre principales sourcesd’électricité renouvelable dans le monde après l’hydroélectricté.

Les principaux pays producteurs se situent sur la périphérie du Pacifique : six sur lecontinent américain pour plus de 4 550 MW, cinq en Asie pour plus de 3 800 MW,deux en Océanie pour 630 MW. L ’Europe compte six pays producteurs (Allemagne,Danemark, France, Islande, Italie, Suède) pour une puissance de 1 470 MW, et deuxseulement en Afrique pour 174 MW.

La géothermie couvre 0,4 % des besoins mondiaux en électricité. Sa contribution auxbesoins nationaux peut être bien plus élevée dans certains pays, et atteindre plusieurspourcents.


La situation européenne

En 2009, on estimait la puissance électrique installée de l’ensemble des pays del’Union Européenne à environ 900 MWe. L a puissance thermique s’élevait quant àelle à environ 2 900 MWth pour l’utilisation directe de la chaleur (hors PACgéothermiques).

Le marché annuel des PAC géothermiques dans les pays de l’Union Européenne est estimé à 103 150 unités en 2009.

Le parc installé s’élevait à près de 900 000 PAC géothermiques en fonctionnement.


Un gisement favorable

En Ile-de-France, la géothermie peut être considérée comme la première énergierenouvelable : en effet, la région compte à ce jour 34 centrales géothermiques enfonctionnement, dont 16 dans le seul département du Val-de-Marne quireprésente 40 % de la géothermie française.

La France a joué un rôle de pionnier dans le développement de la géothermieavec la valorisation du Bassin parisien (aquifère du Dogger) qui présente la plusgrande densité au monde d’opérations de géothermie basse énergie enfonctionnement.

Sur l’ensemble de son sous-sol, notre pays recèle un potentiel géothermique trèsimportant, dont seule une infime partie est aujourd’hui exploitée, que se soit parla géothermie basse énergie ou par les pompes à chaleur (géothermie très basseénergie).

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Le gisement géothermique français (source : BRGM)

Réalisé selon les publications SER 03/2011


Le chauffage urbain

La France dispose de 65 installations dédiées au chauffage urbain, réalisées pourl’essentiel dans les années 1980. Elles assurent la couverture des besoins de près de200.000 équivalent-logements, dont 150.000 en région parisienne.

Après une quinzaine d’années de pause, liée aux cours relativement bas desénergies fossiles, la géothermie connaît un regain, et de nouvelles opérations voientle jour. La Région francilienne a relancé la géothermie en investissant avec l’ADEME,sur la période 2008-2013, 22 millions d’euros dans la création de six puits et laremise en état de six autres. Cette opération permettra, d’ici 2013, de chauffer30.000 logements nouveaux.


Les pompes à chaleur pour particuliers

La géothermie avec usage de pompes à chaleur sur aquifères superficiels, sur capteurs horizontaux ou sur sondes verticales connaît également un regain d’intérêt depuis quelques années pour le chauffage et le refroidissement.

La France participe au développement rapide et sans précédent de ce marché qui devient un des plus importants d’Europe :en 2010, environ 9 000 pompes à chaleur ont été installées.

Le crédit d’impôt accordé pour l’acquisition de pompes à chaleur a joué un rôle important dans la croissance de ce marché. Depuis 2010, le coût de la main d’œuvre pour la réalisation du forage est inclus dans le crédit d’impôt.


La production d’électricitéLa France est forte d’une expérience de production d’électricité à partir de lagéothermie au travers notamment de la centrale de Bouillante en Guadeloupe enservice depuis plus de 20 ans. Depuis la mise en service fin 2004 d’une secondeunité « Bouillante 2 » d’une capacité de 10 MW, la capacité actuelle de productiond’électricité de Bouillante s’élève à 15 MW. Un projet de construction d’unenouvelle unité « Bouillante 3 » est actuellement à l’étude, elle pourrait fournir unpotentiel de production supplémentaire de 10 à 40 MW. C’est d’ailleurs dans lesdépartements d’outre-mer que les perspectives de production d’électricité sont lesplus prometteuses. Des puits d’exploration sont actuellement en cours deréalisation en Martinique et à la Réunion pour évaluer les potentiels géothermiquesde ces îles.

En métropole, la production d’électricité a commencé avec le projet de Soultz-sous-Forêts qui utilise la technologie dite Enhance Geothermal Systems (EGS). Celle-ciconsiste à réchauffer de l’eau à près de 200 °C en l’injectant en profondeur aucontact de roches chaudes. Lorsque l’eau remonte à la surface sous forme gazeuse,elle est exploitée par des turbines afin de produire de l’électricité.

La géothermie : une énergie propre et durable

La géothermie produit peu de rejets, c’est une énergie propre qui ne participe pasà la dégradation du climat et qui ne nécessite pas de transport ni de stockage desubstances polluantes ou dangereuses. En profondeur, la planète dispose d’unstock de chaleur illimité à l’échelle humaine et, à sa surface, le sol est réchauffépar le rayonnement solaire et la migration des eaux de pluie.

Une énergie renouvelable

Les quantités d’eau chaude contenues dans les réserves souterraines ne vont pasdisparaître à cause des exploitations géothermiques. Au contraire, les quantitésd’eau vont se renouveler grâce au ruissellement naturel ; quant à la chaleur, celle-ci provient à 90 % du gisement minéral.


La chaleur du proche sous-sol : Le rayonnement solaire et les conditions climatiques ont une influence sur la température terrestre des premiers mètres du sous-sol. Au-delà, l’énergie géothermale provient de la chaleur stockée depuis des millions d’années dans l’écorce terrestre. La quantité moyenne d’énergie des roches de la croûte terrestre par km3 représente environ 15 millions de tep.

La chaleur de la terre : www.geothermie-perspectives.fr


Une énergie peu émettrice de CO₂

Les centrales géothermiques émettent en moyenne 55 g de CO ₂ par kWh, soitenviron 10 fois moins qu’une centrale thermique fonctionnant au gaz naturel.Ces émissions peuvent être réduites à néant lorsque l’installation réinjecte lesliquides géothermaux dans leurs réserves souterraines, ce qui est souvent lecas pour les installations modernes.

Une disponibilité planétaire

La chaleur présente dans les profondeurs vient du centre même de la Terre, etest ainsi répartie également sur l’ensemble de sa surface. Ainsi, il n’existe pasde bon ou mauvais site géothermique, la chaleur naturelle étant toutsimplement disponible partout sous nos pieds. La seule variable déterminant lechoix d’un site reposera sur la facilité d’accès à cette ressource (composition dusous-sol, situation en surface, etc.).


Géothermie très basse énergie : température inférieure à 30 °C

Elle est caractérisée par l’exploitation d’une ressource de température inférieure à30 °C ne permettant pas une utilisation directe de la chaleur par simple échange.Elle nécessite donc la mise en œuvre de pompes à chaleur qui prélèvent cetteénergie à basse température pour l’augmenter à une température suffisante pour lechauffage.


Les pompes à chaleur géothermiques

Elles valorisent les calories du sol ou de l’eau des nappes par le biais de réseaux decapteurs, de sondes ou de forages d’eau. L es capteurs étant installés à laprofondeur requise pour que la température soit quasiment constante toutel’année, ce type de PAC est performant quelle que soit la température hivernale.

Capteurs horizontaux : Ils sont répartis et enterrées horizontalement à faibleprofondeur (de 0,60 m à 1,20 m) dans le terrain. Selon la technologie employée, del’eau additionnée d’antigel ou le fluide frigorigène de la pompe à chaleur circule encircuit fermé à l’intérieur de ces capteurs.

Capteurs verticaux (ou sondes géothermiques) : Ils sont installés dans unforage et scellés par du ciment. La profondeur peut atteindre jusqu’à 200 m où latempérature du sol est stable tout au long de l’année. On y fait circuler en circuitfermé de l’eau additionnée de liquide antigel. L ’emprise au sol est minime parrapport à des capteurs horizontaux. Pour chauffer une maison de 120 m2habitables, deux sondes géothermiques de 50 m de profondeur conviennent. L eforage étant réglementé, une déclaration préalable à la DRIRE doit être demandéeavant l’installation de la PAC.


Les champs de sonde

Pour chauffer des grands bâtiments ou un groupe de logements, il est aussipossible d’installer une série de sondes géothermiques verticales. De cettemanière, on dispose d’un plus grand potentiel de chaleur terrestre. Pour unchamp de sondes, on installe plusieurs sondes géothermiques à des profondeursvariant de 30 à 300 mètres et à intervalles réguliers. L es sondes sontrassemblées dans les conduites et raccordées à une ou plusieurs pompes àchaleur.

Les PAC aquathermiques

Les PAC aquathermiques ou hydrothermiques puisent la chaleur contenue dansl’eau. L e plus souvent, c’est dans les nappes phréatiques que l’on trouve une eauà température suffisante (7 à 12 °C) et constante. Il est également possibled’utiliser l’eau d’une rivière ou un lac. L es PAC sur eau de nappe nécessitent unou deux forages de 30 à 100 m de profondeur. Ce type de captage est réglementéet doit faire l’objet d’une déclaration préalable.


Fondations thermoactives (ou pieux géothermiques)

Certains grands bâtiments nécessitent pour des raisons de portance d’être construitsavec des fondations sur pieux en béton. Il est possible d’équiper ces pieux decapteurs (tubes de polyéthylène placés au cœur du pieu) et de connecter ce systèmede captage à une pompe à chaleur pour capter l’énergie du sol et fournir de lachaleur ou du froid au bâtiment.



Géothermie basse et moyenne énergie

La géothermie basse énergie repose classiquement sur l’utilisation directe de lachaleur de l’eau chaude contenue dans les aquifères profonds.

Réseaux de chaleur et doublets géothermiques

Le chauffage d’un quartier ou d’un ensemble d’immeubles d’habitat collectif peuts’effectuer par l’intermédiaire d’un réseau de chaleur, c’est-à-dire un réseau decanalisations de grande longueur chargé de distribuer la chaleur dans des sous-stations au pied de chaque immeuble ou de chaque groupe d’immeubles.

Si l’eau de l’aquifère exploité est chargée en sels minéraux, et que son rejet ensurface n’est pas compatible avec les normes environnementales, il est nécessaire deréinjecter le fluide dans sa nappe d’origine. Son exploitation nécessite donc deuxforages, un forage de production et un forage de réinjection, c’est la technique dudoublet géothermique. Afin d’éviter les interférences de température entre les deuxforages, il convient d’espacer les puits d’une distance évaluée selon lescaractéristiques de l’opération de géothermie.


Géothermie haute énergie

La production d’électricité d’origine géothermique est possible sur les réservoirs dontla température est comprise entre 150°C et 350°C et permettant des débits deproduction de fluides suffisants.

Plusieurs méthodes et techniques de production d’électricité géothermiques existent :

• Pour les sources de vapeur haute température, que l’on retrouve notamment sur leszones de volcanisme actif, l’électricité peut être produite directement par injection dela vapeur dans une turbine ou indirectement par échange de chaleur avec une eaumoins corrosive.

• Pour les sources moins chaudes (moins de 175 °C), les techniques employées (ex :

cycle binaire) jouent sur la condensation puis la détente du fluide géothermal.

• La technologie des « Enhanced Geothermal Systems » (EGS), telle qu’elle estexpérimentée à Soultz-sous- Forêts en France, consiste à injecter de l’eau dans lesroches chaudes et à exploiter la vapeur créée pour produire de l’électricité.


Applications diverses de la géothermie

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