La géothermieLa terre est active et la géothermie (mot issu du grec « gê » = terre et « thermos » = chaud) est une spectaculaire manifestation de son énergie. La première utilisation d’eaux chaudes naturelles remontent à des milliers d’années avant J-C.
La région Midi-Pyrénées en a d’ailleurs gardé la mémoire à travers ses sites de thermalisme.
La géothermie occupe actuellement en France la 3ème place des énergies renouvelables, en terme d’énergie produite, derrière la biomasse et l’hydraulique.
En quelques années, l’image de la géothermie a énormément évolué. Depuis l’utilisation des pompes à chaleur, de la cogénération et de la filière sèche, les handicaps dont souffrait cette filière énergétique (corrosion, faible rentabilité…) ont désormais disparu.
D’où vient cette énergie ?Des profondeurs : A chaque fois que l’on descend de 100 m sous terre, on gagne 2 à 3°C en moyenne, la radioactivité naturelle des roches produisant des quantités énormes d’énergie. Cette chaleur se dirige vers la surface et réchauffe les nappes phréatiques souterraines. Si elle trouve une faille, cette eau chaude remonte par des puits artésiens et produit des sources chaudes. Dans le cas contraire, il faut aller la pomper.
Les ressources géothermiques et leur cadre géologique (source ADEME/BRGM) Du soleil : Chaque jour, la terre emmagasine l’énergie solaire et la stocke sous forme de calories dans le sol. Cette chaleur de surface peut être captée, moyennant un réseau de tuyaux enterrés. Il s’agit davantage de chauffage « géosolaire » que de géothermie, la recharge thermique n’étant assurée que par le soleil et l’infiltration de la pluie. Quelles utilisations peut-on en faire ? Selon le niveau de température, on distingue différents types de géothermie, auxquels correspondent différents usages :
| Type de géothermie | Caractéristiques du ‘réservoir’ | Utilisations | Très basse
énergie | Nappe à moins de 100 m
Température < à 30°C | Chauffage et
rafraîchissement de locaux, avec pompe à chaleur | | Basse énergie | 30°C < Température < 150°C | Chauffage urbain, utilisations industrielles, thermalisme, balnéothérapie | | Moyenne et Haute énergie | 180°C < Température < 350°C | Production d’électricité | | Géothermie profonde | Roches chaudes sèches à plus de 3 000 m de profondeur | Au stade de la recherche, pour l’électricité ou le chauffage |
La géothermie, une solution pour produire :
. directement de la chaleur
. de l’électricité
L’utilisation directe de la chaleur (basse et très basse énergie) : On estime que près de 17 000 MWth (mégawatt thermiques) sont installés dans le monde, à peu près à parts égales entre l’Amérique, l’Asie et l’Europe.
Pour la géothermie basse énergie, la température des nappes est comprise entre 30 et 150 °C.
Environ 55 pays les exploitent aujourd’hui pour la production de chaleur. Cette exploitation est en pleine expansion puisqu’ils n’étaient qu’une trentaine de pays en 1995.
Les applications étant très diversifiées (logements, serres, thermes…), le dénombrement des opérations est difficile.
En France, les régions Ile-de-France et Aquitaine ont développé l’utilisation de cette source énergétique, des réseaux de chaleur alimentés par géothermie chauffant près de 200 000 logements.
En outre, la possibilité d’y adjoindre un module de cogénération intéresse beaucoup de collectivités, cet investissement supplémentaire permettant de réduire le coût de fonctionnement des équipements en permettant la vente de la surproduction de calories d’été.
La géothermie très basse énergie est exploitée à l’aide de pompes à chaleur (PAC) dites géothermiques.
Cette technique se contente de très basses températures (moins de 35°C) et de forages peu profonds (moins de 100 m) pour aller capter les calories contenues dans l’eau ou l’air du sol. Elle est généralement utilisée pour chauffer et rafraîchir des locaux.
En Europe, la progression de cette technique est importante dans les pays ne possédant pas de gisements géothermiques importants, comme l’Allemagne et la Suisse. Elle connaît également un regain d’intérêt en France, dans le logement individuel.
La production d’électricité (moyenne et haute énergie) : La géothermie haute énergie est aujourd’hui exploitée dans le monde à hauteur de près de 8 000 MWe (mégawatt électriques installés), dont 42 % en Amérique et 38 % en Asie.
Plus de 20 pays produisent aujourd’hui une partie de leur courant électrique à partir de gisements aquifères dont les températures sont comprises entre 180 et 350 °C. En Europe, l’Italie est la plus engagée dans cette voie avec 1,7 % de sa production d’électricité issue de la géothermie haute enthalpie.
La France ne possède qu’une seule centrale de production, en Guadeloupe.
Depuis février 2000, EDF ( http://www.edf.fr ) a l’obligation de racheter l’électricité d’origine renouvelable, dont celle issue de la géothermie, les tarifs de rachat ayant été fixés par l’arrêté du 13/02/02.
Par ailleurs, des systèmes de production dite « binaire » se développent aujourd’hui, permettant de produire de l’électricité à partir de nappes à plus faibles températures (entre 90 et 150 °C). La technique consiste à utiliser un fluide intermédiaire qui se vaporise à une température plus basse que l’eau.
La filière sèche, quant à elle, n’en est encore qu’au stade de la recherche : l’objectif fixé est d’extraire la chaleur d’un sous-sol dépourvu d’aquifère (on y injecte de l’eau, on la laisse circuler et se réchauffer, puis on la pompe). Un projet de ce type est en cours en Alsace (à 5 km de profondeur, avec un réseau de 9 puits – 25 MWe attendus).
Comment ça marche ?La géothermie haute, moyenne et basse énergie : Hormis le cas des stations thermales qui bénéficient de la remontée naturelle des eaux chaudes au travers de failles dans les roches, il faut aller chercher ces gisements de calories en forant et en pompant.
En France, les forages implantés pour chauffer les logements sont profonds de 1 à 2 km. Ils captent l’eau chaude (entre 50 et 90°C) de couches géologiques des bassins sédimentaires (bassin aquitain et parisien essentiellement).
Les types d’exploitations s’inspirent des techniques pétrolières, utilisant 1 ou 2 puits.
En effet, si les caractéristiques physico-chimiques de l’eau sont particulières ou si la ré-alimentation naturelle de la nappe est insuffisante, deux forages seront nécessaires. Dans ce cas, les deux puits (ou doublet) doivent être suffisamment éloignés l’un de l’autre pour que l’eau froide réinjectée ne modifie pas les potentialités du gisement. Dans le cas d’un puits unique, l’eau est rejetée en surface.
Pour un usage thermique, un échangeur, précédé ou non d’un système de filtration, permet de restituer les calories ainsi captées au réseau de chauffage ou au process quand l’usage est industriel. La géothermie très basse énergie : Elle permet le chauffage, le rafraîchissement de locaux ou la production d’eau chaude.
La production de chaleur s’effectue à l’aide de pompe à chaleur (PAC), multiplicateur de calories.
Sous ce terme « pompe à chaleur », on regroupe plusieurs systèmes thermodynamiques, qui se différencient par :
- la nature de la source de chaleur (air, eau, ou sol),
- le vecteur d’émission de chaleur (air ou eau).
On parle ainsi de PAC sol/sol, sol/eau ou eau glycolée/eau.
Pour permettre le rafraîchissement, il faut une PAC réversible.
Il existe de multiples possibilités pour capter l’énergie :
. puits unique (et rejet de l’eau en surface),
. double puits (restitution de l’eau en profondeur),
. sonde en U (fluide en boucle fermée) dans un puits sec à la verticale ou dans les fondations (pieux ou murs de soutènement),
. tuyau développé à l’horizontal dans le sous-sol à très faible profondeur (en plein développement dans le secteur du logement individuel).
Comment fonctionne une pompe à chaleur ?
Un fluide frigorigène circule à l’état liquide dans un circuit fermé. En récupérant les calories de la source de chaleur environnante, il passe à l’état gazeux par le biais d’un détendeur et d’un évaporateur. Ce gaz est ensuite comprimé, ce qui a pour effet d’augmenter sa température. Cette chaleur est ensuite transmise au vecteur d’émission de chauffage. Enfin, en se condensant, il retourne à son état initial.
schéma PAC géothermales
(source : Graphies) La performance énergétique de chaque installation se caractérise par le coefficient de performance (COP) :
COP = quantité de chaleur fournie / énergie consommée par le compresseur et les auxiliaires.
Ce coefficient ne dépend pas que du matériel. Il peut varier considérablement si les conditions d’utilisation ne sont pas optimales. L’échelle de valeur de COP s’étend aujourd’hui de 1,5 à 4,5. Autrement dit : avec 1 kWh électrique consommé, on produit de 1,5 à 4,5 kWh thermique.
A noter : Un rapport de l’Union Européenne évalue à 100 TWh et 50 millions de tonnes de CO2 les réductions de consommation et d’émission provoquées par l’installation de PAC en remplacement du chauffage électrique direct dans 10% du parc européen des logements d’ici à 2010.
Bien définir le potentiel géothermique :  Thermes d’Argelès-Gazost (65) | La ressource en géothermie basse énergie en Midi-Pyrénées a été évaluée dans les années 80 par le BRGM. Si elle est importante, elle n’est pourtant utilisée aujourd’hui que pour quelques exploitations et pour le thermalisme.
Les usages pourraient cependant être multiples : chauffage de logements, pisciculture, lavage ou séchage dans des process industriels ou en agroalimentaire….
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Il est certain que les moyens à mettre en œuvre pour estimer de façon précise une ressource restent conséquents :
- Une étude préalable est nécessaire pour évaluer les besoins énergétiques, faire l’analyse de l’environnement géologique et de ses potentialités, estimer les coûts d’investissement et de fonctionnement en résultant ;
- Ensuite, une étude de faisabilité s’impose pour connaître les caractéristiques hydrogéologiques (pression, perméabilité, débit soutirable…) et physico-chimiques du fluide (température, teneurs en minéraux…). Ces éléments détermineront à la fois les potentialités et le type d’exploitation de la ressource.
Un forage est nécessaire à ce stade. Il nécessite des démarches administratives au titre du code minier (demande d’autorisation de recherche, étude d’impact).
Ce qu’il faut savoir… Sur la géothermie haute et basse énergie :- Les investissements initiaux sont importants et les coûts d’exploitation dépendent de nombreux facteurs : taille de l’unité de production, qualité et profondeur de la ressource, technologie utilisée.
- Les textes législatifs offrent aux collectivités un rôle prépondérant dans la création de réseaux de chaleur, avec la possibilité de les classer et ainsi d’obliger le raccordement aux réseaux.
- Il existe des systèmes de garantie couvrant le risque géologique lié à la réalisation d’un forage géothermique (Fond long terme géothermie, Aquapac…).
- Des problèmes d’exploitation peuvent apparaître : corrosion lorsque l’eau est chargée en sels, colmatage des puits, présence de fines particules dans les échangeurs, formation de gaz perturbant le bon fonctionnement des pompes…
Sur la géothermie très basse énergie :- Les PAC les plus performantes permettent de faire des économies d’énergie et, dans certains cas, de diminuer les coûts d’exploitation lorsqu’elles se substituent à un système classique.
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Les pompes à chaleur géothermiques
(source : Graphies)
| - Un captage horizontal nécessite une surface de 1,5 à 2 fois la surface habitable à chauffer. Les contraintes en terme de pose et d’utilisation du terrain sont importantes : les capteurs doivent être enterrés à plus de 60 cm de profondeur, en boucles distantes d’au moins 40 cm entre elles, se trouver à au moins 2 ou 3 mètres de tout arbre ou ouvrage (puits, fosses sceptique…) ; la surface doit rester perméable et ne pas être traversée de réseaux d’eau ….
- Un puits vertical est plus onéreux qu’un capteur horizontal mais il entraîne moins de contraintes dans la gestion du terrain et sa performance est plus constante. Par contre, il requiert plus de technicité de mise en œuvre et le nombre de foreurs qualifiés pour les réaliser en France est réduit. Il faut de plus respecter les démarches administratives concernant la protection du sous-sol (déclaration de sondage à la DRIRE, loi sur l’eau…).
- Le fluide frigorigène le plus employé dans les PAC est le R22. Son emploi étant remis en cause en raison de ses effets sur la couche d’ozone et sur l’effet de serre, de nouveaux fluides de substitution le remplacent progressivement.
- Pour fonctionner, une pompe à chaleur doit être entraînée par un moteur électrique. L’électricité constitue donc l’énergie primaire de la PAC. En conséquence, l’utilisation de PAC géothermiques relève davantage d’une démarche d’utilisation rationnelle de l’énergie que de valorisation d’énergies renouvelables.
- De plus en plus de solutions alliant solaire et PAC géothermique sont mises en oeuvre, les deux techniques pouvant se compléter pour gagner en efficacité.
- Pour une maison individuelle, un chauffage par PAC géothermique coûte de 70 à 100 euros/m2 chauffé (sans option) avec captage horizontal et de 140 à 180 euros/m2 pour un captage vertical.
Le recours aux pompes à chaleur géothermales (énergie renouvelable) dans les résidences principales peut donner droit à un crédit d’impôts :
Pose d’une sonde géothermique |  | Pose de capteurs horizontaux | (crédit photos : Graphies/ ADEME)
Des exemples en Midi-Pyrénées : - Les stations thermales où l’eau est > 50°C :
- Bagnères de Bigorre et Cauterets (65)
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Thermes de Luchon (31) |
- Les forages pour la valorisation thermique :
- Blagnac (31) : eau à 58°C - réalisé en 1981 - chauffage de logements collectifs
- Lamazères (32) : eau à 57°C - réalisé en 1981 – chauffage de serres pour plantes tropicales
- Nogaro (32) : eau à 50°C – réalisé en 1986 – Chauffage de bassins piscicoles
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