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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BE 8 590v2 – 1 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) 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...). 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 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 ........................................................................................ Doc. BE 8 590v2 L GÉOTHERMIE ______________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BE 8 590v2 – 2 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, per- formances 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 pro- duction d’électricité et la fourniture de chaleur. La production d’électricité nécessite une ressource à une température supérieure à 90 oC 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 géné- ralisation 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 investis- sements 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 dif- férentes couches sphériques concentriques. 1.1 Structure du globe Les observations directes de la structure interne du globe ter- restre ne concernent que les premiers kilomètres. Les connais- sances acquises reposent surtout sur l’étude des phénomènes de propagation (réfraction et réflexion) des ondes sismiques natu- relles 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 cen- tre, 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 oC. Autour du noyau, sur une épaisseur de 2 900 km, le manteau a une température qui varie de 1 000 à 3 000 oC. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BE 8 590v2 – 3 _______________________________________________________________________________________________________________________ GÉOTHERMIE 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 L’écorce et la partie supérieure du manteau constituent la lithos- phère (figure 1). Cet ensemble rigide repose sur une couche plus fluide située entre les parties supérieures et inférieures du man- teau 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 pro- duisent aux frontières de ces plaques. Ils se manifestent par une activité volcanique importante et des intrusions magmatiques. Cer- taines 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 Nou- velle-Zélande, en Indonésie, aux Philippines, au Japon, au Kamtcha- tka, 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 médi- terranéen avec les pays du Maghreb, l’Italie, l’ex-Yougoslavie, la Grèce, la Turquie et son prolongement vers l’Asie, visible notam- ment en Arménie et au Nord de l’Inde, ou encore le grand rift afri- cain avec Djibouti, le Kenya, la Tanzanie, etc. 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 extrac- tion du soufre et du sel. Cependant, toutes ces applications restèrent à une échelle extrêmement modeste et il faut attendre le début du XXe siècle pour que la géothermie passe du uploads/Geographie/ technique-ingenieur-geothermie 2 .pdf