La géothermie, source d’indépendance énergétique

Nous appellons géothermie, signifiant très symboliquement chaleur de la terre, l’étude et l’exploitation de l’énergie provenant des profondeurs de la Terre, dont le 99% enregistre une température dépassant les 1000°C. Sous nos pieds, la terre est chaude, et même de plus en plus chaude à mesure que l’on s’enfonce dans ses entrailles. Ce n’est pas pour rien que les traditions ont placé l’enfer au centre de la Terre. Celui-ci, à 6000 km de profondeur enregistre une température de plus de 4000°C. Cette incroyable chaleur qui remonte vers la surface, est principalement créée par la radioactivité des roches, en raison de la désintégration naturelle de l’uranium, du thorium et du potassium qu’elles contiennent.

La géothermie utilise une partie de cette énergie stockée dans la croûte terrestre à des profondeurs de 30 m à plus de 5000 m, pour générer de la chaleur et/ou de l’électricité (voir ci-dessous).

La chaleur du sous-sol, quasiment inépuisable, est capable d’actionner les turbines d’une centrale électrique, mais aussi d’alimenter des installations de chauffage à distance, en exploitant l’eau réchauffée par les roches bouillantes que comporte la croûte terrestre. Sur la base de ce constat, la géothermie a sensiblement gagné en importance ces dernières années et suscite de grands espoirs dans le domaine de l’approvisionnement en énergie. Les experts estiment que la géothermie peut produire à elle seule autant d’énergie que les autres énergies renouvelables réunies, telles que le solaire, l’éolien ou l’hydraulique.

Les aquifères, sources d’eau chaude souterraines

La croûte terrestre est traversée par des failles, c’est-à-dire des zones de cassure le long desquelles deux blocs rocheux se déplacent l’un par rapport à l’autre. Leurs grandeurs varient de l’échelle millimétrique (on parle alors de fissures) jusqu’à celles en bordure des plaques tectoniques, longues de plusieurs centaines de kilomètres. Ces failles fracturent les roches compétentes et dures en créant des fissures ouvertes propices aux cheminements et circulations d’eaux souterraines alimentées par les précipitations et la fonte nivale qui s’infiltrent sur les reliefs. Ainsi, l’eau météorique peut atteindre des profondeurs de plusieurs centaines de mètres jusqu’à 5-6 km. Les zones fracturées, perméables et remplies d’eau comme des éponges, sont appelées des aquifères. Ceux-ci peuvent être plus ou moins importants selon le volume des zones fracturées, le nombre et l’ouverture des fissures, la nature de la roche et la pluviosité du lieu. Le volume d’eau contenu dans les aquifères, qui peut atteindre plusieurs millions de m3, est appelé « réservoir ».

Le cycle de l’eau

Sous forme de liquide ou de vapeur, l’eau circule sans cesse entre la surface du globe, les nuages et le sous-sol. Elle nourrit la terre, puis s’infiltre profondément en suivant les failles créées au fil des millénaires.

Le réchauffement de l’eau

L’eau de pluie parvient à des profondeurs de plusieurs kilomètres sous la surface du sol. Elle se réchauffe au fur et à mesure de son parcours, d’environ 30°C par kilomètre, jusqu’à atteindre les zones des aquifères profonds, comparables à des éponges. La température de l’eau retenue dans ces couches particulières du sous-sol varie donc selon la profondeur des aquifères.

L’équation gagnante : PxP=S

Les paramètres essentiels pour définir la productivité et la qualité d’un aquifère sont:

sa profondeur, qui déterminera la température de l’eau puisque celle-ci augmente de 30 à 35°C par kilomètre d’approfondissement du forage;

sa perméabilité, c’est-à-dire la facilité à laisser circuler l’eau souterraine, qui déterminera la quantité d’eau, appelé aussi « débit d’exploitation », que l’on peut soutirer au réservoir. Ce débit dépend ainsi de la nature de la roche, ainsi que de la densité de fracturation et de l’ouverture des fissures.

Si la température est relativement facile à déterminer en fonction du gradient qui est souvent connu, la perméabilité est plus difficile à prévoir, bien qu’on puisse au moins localiser les formations rocheuses dures et cassantes, ainsi que les principales failles régionales par des investigations depuis la surface (coupes géologiques, sismique réfléxion). Au final, pour tout projet de géothermie, l’équation suivante est déterminante :

profondeur x perméabilité = succès.

La localisation d’aquifères productifs est donc l’élément essentiel pour implanter de manière judicieuse des forages géothermiques et d’exploiter avec succès les réservoirs profonds. Il n’existe pour l’instant aucune investigation de surface pour évaluer de manière certaine la productivité d’un aquifère, même si on arrive à prédire assez précisément la nature des formations rocheuses et la localisation des principales zones de fractures. Des forages d’exploration sont alors nécessaires pour confirmer les prévisions géologiques, mais surtout celles hydrogéologiques, et notamment la perméabilité des aquifères exploitables et leurs débits. Les chances de succès peuvent être optimisées grâce à l’évolution des techniques de forage, dont les axes peuvent être orientés pour couper de manière optimale un nombre maximal de fissures aquifères. Actuellement, ces chances sont donc sensiblement plus élevées qu’il y a 20-30 ans. Grâce à cette évolution et aux constants progrès de la technique, la géothermie est promise à jouer un rôle central dans la production d’énergies renouvelables au 21ᵉ siècle.

Forages, pompages et réinjections

Une fois l’aquifère exploitable testé par le forage d’exploration et ses caractéristiques en termes de débit et de température connus, on procède à l’équipement de ce forage en puits et à la mise en place d’un deuxième puits. On parle alors de « doublet », qui se compose d’un puits de production et d’un puits de réinjection des eaux après valorisation thermique en surface. On a donc un système en circuit fermé qui, dans le cas du projet energeÔ Vinzel atteindra un peu plus de 2000 m de profondeur. L’équipement des puits consiste en des tubages métalliques qui sont téléscopés et cimentés au fur et à mesure des étapes de perforation, dont les diamètres diminuent avec la profondeur, passant d’environ 60 cm en haut du forage jusqu’à 15-20 cm au sein de l’aquifère en fond de puits. L’eau thermale, qui remonte souvent de manière naturelle jusqu’à près de la surface, est alors aspirée au moyen d’une pompe immergée électrique installée dans le puits de production. En surface, l’eau pompée transfère son énergie thermique à l’eau circulant dans les réseaux de chauffage à distance, grâce à un échangeur de chaleur. Refroidie par le transfert de chaleur, l’eau thermale est réinjectée dans l’aquifère via le puits de réinjection, où elle se réchauffe à nouveau au contact des roches. Pour éviter un court-circuit thermique au sein de l’aquifère, les deux puits du doublet sont déviés dans deux directions opposées au sein du réservoir, pour atteindre une distance idéale de l’ordre d’un kilomètre entre la zone de pompage et celle de réinjection. Ainsi, l’exploitation à long terme de l’aquifère et la conservation des températures sur au moins 30 à 50 ans sont garanties. Passée cette période, dans la plupart des cas, la percée thermique se développe très lentement, permettant tout de même de poursuivre l’exploitation géothermique de l’aquifère.

Système de transfert de chaleur de l’eau thermale pompée dans l’aquifère

Ci-contre figure un système de transfert de chaleur de l’eau thermale pompée dans l’aquifère. Celle-ci, en circulant dans la boucle géothermale en circuit fermé, réchauffe via un échangeur l’eau circulant dans le réseau du chauffage à distance, aussi en circuit fermé. Les deux circuits d’eau n’entrent jamais en contact. L’eau provenant de la profondeur y retourne ainsi, sans subir aucune altération ou pollution, à l’exception de la baisse de température.

Trois types de géothermie

La géothermie de faible profondeur (de 50 à 300 m) ou à très basse énergie, à températures comprises entre 10°C et 20°C, permet d’alimenter des pompes à chaleur géothermique pour des immeubles et villas.

La géothermie de moyenne profondeur (de 300 à 3000 m) ou à basse énergie, à températures comprises entre 20°C et 100°C, permet la production de chaleur principalement pour alimenter des réseaux de chauffage à distance. C’est ce type de géothermie qui est prévu dans le projet d’EnergeÔ Vinzel.

La géothermie profonde (plus de 3000 m) ou à haute énergie, à températures supérieures à 100°C, permet la production d’électricité grâce à l’eau surchauffée ou la vapeur qui jaillit avec assez de pression pour alimenter une turbine. Avec la chaleur résiduelle, on peut encore alimenter des réseaux de chauffage à distance.

Le Gradient géothermique

La température du sous-sol augmente de façon continue et régulière en fonction de la profondeur. Cet accroissement de température est appelé « gradient géothermique ». Il est en moyenne de 3.0°C par 100 m de profondeur. Dans certaines régions du canton de Vaud, et notamment au pied du Jura, les conditions de gradient sont encore plus favorables, avec des valeurs >3.5°C/100m. Il peut bien entendu être nettement supérieur dans d’autres régions du globe, notamment dans les zones volcaniques. La constance du gradient géothermique est une des principales forces de la géothermie.

Evolution de la température dans le sous-sol dans les conditions du Plateau suisse. Source S. Catin CREGE

Les applications en cascade de la géothermie

Avec la géothermie, il est possible d’assurer une valorisation en cascade de l’énergie thermique, qui optimise la rentabilité énergétique et économique en couvrant les besoins en chaleur de différents utilisateurs avec des niveaux de température différents. Avec des températures supérieures à 100°C, on peut produire de l’électricité ou alimenter des processus industriels.
Au-dessous de 100°C et jusqu’à environ 45-50°C, on va alimenter des réseaux de chauffage à distance urbain, dont les niveaux de température ont été progressivement abaissés depuis 10-15 ans, notamment pour des quartiers de type Minérgie. Puis, ce sera le tour du thermalisme ou de centres aqualudiques (30–45°C), et enfin de l’agriculture et la pisciculture avec des températures < 30°C.

Le courant vert produit au travers d’un échangeur et grâce à la vapeur d’eau turbinée est injecté dans le réseau électrique de la région. La production d’électricité est en tête des applications en cascade possibles dans la région de La Côte.

Les habitations, les entreprises et les centres administratifs situés dans un rayon d’une dizaine de kilomètres des forages peuvent bénéficier des avantages de la géothermie en termes de chauffage : il s’agit là de la deuxième application en cascade.

L’eau géothermale utilisée pour la production d’électricité et pour le chauffage à distance conserve une température suffisamment élevée pour d’autres applications situées en aval : bains thermaux, piscines publiques et privées, séchage de bois, serres de culture, pisciculture en sont quelques exemples.

Proportion d’utilisation de la chaleur d’origine géothermique dans le monde pour les principales applications de chauffage (Source IGA – International Geothermal Association) :

Les atouts de la géothermie

Une énergie inépuisable et 100% naturelle

L’utilisation de la chaleur de la terre pour le chauffage, la climatisation ou la production d’électricité, contrairement aux énergies fossiles pourtant extraites elles aussi des profondeurs, semble n’offrir que des avantages :

Energie indigène, renouvelable et durable

Energie indépendante des conditions climatiques, des saisons ou du moment dans la journée

Energie en ruban, disponible 24h/24 et 365j/365

Energie satisfaisant les besoins en fonction de la demande

Source de chaleur importante en remplacement de combustibles fossiles

Sans déchets, sans nuisances et sans émissions de CO₂ ou de NOₓ

Faible emprise au sol, faible impact sur le paysage

Coûts de production relativement bas, stables et indépendants du prix des combustibles fossiles

La géothermie dans le monde

L’utilisation de l’énergie géothermique dans le monde est actuellement en forte progression, aussi bien pour la production d’électricité que de chaleur. On rappelera que pour produire de l’énergie électrique avec la géothermie, il faut des températures dépassant 100°C.

Production d'électricité

En 2005, la géothermie a produit 28 TWhél et en 2009 plus de 65 TWhél. En 2010, elle représentait 0,4% du mix électrique mondial. Il s’agit de la quatrième source d’électricité renouvelable dans le monde après l’hydraulique, l’éolien, le photovoltaïque et la biomasse. Les principaux producteurs mondiaux sont les États-Unis (3086 MWél et 16,5 TWhél produits en 2009 soit le quart de la production mondiale), les Philippines (1.904 MWél), l’Indonésie (1.197 MWél), le Mexique (958 MWél), l’Italie (843 MWél), la Nouvelle-Zélande (678 MWél), l’Islande (575 MWél) et le Japon (536 MWél). La géothermie possède une grande importance dans la production électrique de certains pays. Elle représente par exemple 15,9% du mix électrique indonésien et 10,4% du mix électrique mexicain.

Production d’électricité géothermique en 2012.

Les principales ressources géothermiques mondiales sont situées dans la région Pacifique (ceinture de feu) et dans la région du grand rift Africain. Des régions à forte activité volcanique, principale source de chaleur exploitée pour la géothermie à haute énergie.

En 2012, l’Europe produit 1672 MWél de puissance électrique

Comme mentionné précédemment, l’Italie est le cinquième producteur d’énergie géothermique au monde et le premier en Europe. Son sous-sol présente de nombreuses similitudes avec celui de l’Islande. L’Italie est le pionnier mondial de production d’électricité à partir de haute température allant jusqu’à 350°C (vapeur sèche). La nature du sous-sol est en effet particulièrement favorable à ce type de production. Les champs géothermiques toscans remplissent 25% des besoins énergétiques de la Toscane et 1,9% (5,6 GWhél en 2012) de la production électrique italienne.

Le Portugal est le second producteur européen d’électricité géothermique avec 1,9 GWhél produits en 2011 et une puissance installée de 29 MWél.

En France, et plus précisément en Alsace, à Soultz-sous-Forêts, un projet pilote de géothermie profonde a produit ses premiers mégawatts après plus de 20 années de recherches scientifiques et plus de 80 millions d’euros d’investissements. Entre 2009 et 2014, 13 permis de recherche ont été accordés pour des projets de production d’électricité géothermique. La France possède également des ressources haute énergie, appropriées pour la production d’électricité localisées dans ses départements d’Outre Mer (les îles volcaniques des Antilles: Martinique, Guadeloupe, mais aussi la Réunion dans l’Océan Indien). Une installation d’une capacité de 15 MWél est opérationnelle depuis 2004 à Bouillante en Guadeloupe. Elle produit 6% à 8% de la consommation totale d’électricité de l’île.

Une grande partie de centrales géothermiques qui produisent de l’électricité valorisent ensuite en cascade aussi la chaleur résiduelle, pour alimenter des chauffages à distance, des centres thermaux, des exploitations agricoles et des piscicultures.

Production de chaleur

L’Allemagne est le leader européen de la production de basse chaleur pour le chauffage urbain avec plus de 30 centrales géothermiques de moyenne profondeur, notamment dans les bassins munichois et rhénans, dont une partie produit aussi de l’électricité avec des températures maximales de l’ordre de 140°C. Cet ensemble représente déjà plus de 105 MW thermiques (MWth), et ce chiffre augmente continuellement. Dans ce secteur de pointe, les Allemands ont une excellente maîtrise tant industrielle que technologique. Selon Geofar, 150 projets de centrales géothermiques sont en cours de lancement, représentant un investissement de 4 milliards d’euros. Il est envisagé un taux de croissance annuel minimal de 14% pour la branche de l’énergie géothermique. Pour stimuler la géothermie profonde et la production d’électricité, cette branche est fortement soutenue par des mécanismes de financement public.

La France s’est spécialisée depuis 1970 dans la géothermie de moyenne profondeur. En 2013, le Bassin Parisien est un modèle du genre avec ses 34 centrales de chauffage à distance urbain. Ensemble, en 2011, elles ont produit 1,15 TWhth assurant le chauffage et la production d’eau chaude de 500’000 habitants soit environ 150’000 logements. Les expériences de Soultz-sous-Forêts ont permis la réalisation des forages du projet industriel ECOGI en 2014, à Rittershoffen, en Alsace également. A terme, ce projet devrait produire 24 MWth. D’autres zones prometteuses sont explorées en Gironde, au pied des Pyrénées, dans le couloir rhodanien et en Bresse.

La Suisse encore trop peu active dans le secteur géothermique

En mars 2014, en Suisse, 5 installations géothermiques de moyenne profondeur sont en fonction et produisent de la chaleur, alors que quatre projets ont été réalisés depuis 2006 à Bâle et St-Gall (production envisagée d’électricité et de chaleur), ainsi qu’à Zürich et Schlattingen, dont trois se sont soldés par un échec. En raison de ces résultats, actuellement seuls trois projets géothermiques sont au stade de la planification des forages profonds, et ils sont tous prévus en Suisse romande (lire ci-après). Par rapport aux pays voisins, la Suisse est en retard!

Situation, profondeur et état des projets de forages géothermiques profonds en Suisse effectués entre 1987 et 1998 avec l’aide de la Confédération (modifié d’après OFEN, 1998)

En comparant la puissance et la production de ces installations, on constate que la Suisse ne produit pas encore d’électricité et est sous-développée en termes de géothermie de moyenne profondeur. Les installations allemandes et françaises produisent beaucoup de chaleur, mais aussi de l’électricité. La situation est différente en Italie, où c’est principalement de l’électricité qui est produite, à raison de deux fois la production annuelle de la centrale nucléaire de Mühleberg. Et en Suisse? Pas d’électricité et 120 fois moins de chaleur que celle produite en France.

Situation actuelle et perspectives

Les installations de Riehen (BS) et Lavey (VD) fournissent de la chaleur depuis plus de 25 ans.

AGEPP Lavey (VD) : couverture du risque de forage obtenue et annonce de la RPC déposée, préparation avancée et forage profond pour fournir électricité et chaleur. On envisage d'exploiter un aquifère de fissures naturelles dont on connaît bien les caractéristiques, exploité depuis plus de 40 ans par puits pour des Bains thermaux (température de l'eau de 65°C).

GeoEnergie Suisse à Haute-Sorne (JU) : projet qui prévoit de la fracturation hydraulique pour développer un réservoir artificiel profond dans les formations de roches cristallines.

EnergeÔ La Côte (VD): 1er site de forage choisi et premier forage prévu à Vinzel. Il s'agit d'un projet de moyenne profondeur qui vise la production de chaleur pour alimenter des chauffages à distance.

Nombreuses études en cours (VD, GE, NE, FR, JU, VS, BE, AG, TG, LU, etc.). Le canton de Genève est très actif avec son programme Géothermie 2020. Des investigations par sismique réflexion sont en cours pour mieux connaître le soubassement profond.

Création de sociétés cantonales ou régionales de promotion en cours (AG, TG, LU).

Un peu d’histoire

Le début des sources thermales

A l’époque préhistorique déjà, les premiers humains se détendaient en se baignant dans des sources thermales. Les premières traces remontent à près de 20’000 ans. Tout au long de l’histoire des civilisations, la pratique des bains thermaux s’est multipliée. Les premiers écrits aussi bien que les fouilles archéologiques témoignent de ce que les habitants du Japon, de la Chine ancienne et plus tard, de l’Empire romain utilisaient l’eau chaude provenant des entrailles de la terre pour chauffer des maisons et pour le bain. Les historiens de la Préhistoire se demandent aujourd’hui quel rôle jouèrent les sources d’eaux chaudes dans la résistance de l’humanité aux dernières glaciations.

Les thermes romains

Avec l’apparition de la civilisation, la pratique des bains thermaux et l’utilisation des boues thermo minérales se répand, tant au Japon qu’en Amérique ou en Europe. Les Etrusques, puis les Romains, font des bains publics un lieu de rencontre et d’échange d’idées, ce qu’ils resteront tout au long du premier millénaire de notre ère, où malgré décadence, invasions et rudesse féodale, les thermes sont encore fort prisés. Les établissements thermaux se multiplieront ensuite dans toutes les régions du monde, et notamment dans les iles volcaniques du Japon, d’Islande et de Nouvelle-Zélande.

L’utilisation de la géothermie à des fins industrielles

En France, aux confins méridionaux de l’Auvergne, la source du Par à Chaudes-Aigues (Cantal) s’enorgueillit d’être la plus chaude d’Europe, avec ses 82°C. Dès 1330, les archives font mention d’un réseau distribuant l’eau géothermale à quelques maisons, et pour l’entretien duquel le seigneur local prélevait une taxe. Elle servait même, déjà, à quelques usages « industriels » comme le lavage de la laine et des peaux.

L’utilisation de la géothermie à des fins industrielles a quant à elle vu le jour en Italie, dans la province de Pise. Aux environs de 1830, l’aristocrate et industriel français François de Larderel creuse pour la première fois un puits de forage à Castelnuovo pour exploiter les sources d’eau chaude situées à proximité de la surface dans cette ancienne région volcanique.

A la fin du 19ᵉ siècle, les Etats-Unis remettent la tradition des systèmes de chauffage romains au goût du jour.

Récupération des émanations de vapeur à Lardarello (Italie)

Lavey

En 1831, des venues d’eau chaude sont découvertes dans le lit du Rhône à Lavey. Très rapidement, le gouvernement vaudois, faisant appel à l’ingénieur et géologue Jean de Charpentier, prend en main ce projet prometteur. En 1833, l’Etat, convaincu de l’intérêt majeur de cette trouvaille, achète à la commune de Lavey le terrain voisin, dit des Grandes Îles, et des bains provisoires sont installés. Actuellement, un important centre thermal avec hôtel et clinique est entièrement chauffé avec la géothermie. Annuellement, 550’000 m3 d’eau chaude à 65°C sont livrés aux Bains, ce qui représente 16 GWhth, à savoir les besoins en chaleur d’un village de 1000 logements.

L’hôtel des Bains de Lavey construit en 1836, est inscrit à l’inventaire cantonal vaudois du patrimoine.

La première production d’électricité

Le 20ᵉ siècle marque un tournant pour la géothermie, avec l’apparition des pompes à chaleur, dont la création n’est pas datée. En 1904, la géothermie est utilisée pour la première fois pour produire de l’électricité, en Italie, à Larderello, où cinq ampoules sont allumées grâce à la chaleur de la terre. La production d’énergie à Lardarello a été un succès commercial. Cette application a été suivie par d’autres pays présentant des sous-sols favorables à la géothermie, notamment le Japon, les Etats-Unis, la Nouvelle Zélande et le Mexique.

La machine de production électrique du Comte Piero Ginro Conti

L’évolution de la géothermie en quelques dates

20’000 ans:Vestiges sur le site de Niisato au Japon
3000 av. J.-C. :Bains publics en Italie, Grèce, France, Aix-les-Bains, Baden
1332 :1er chauffage à distance au monde à Chaudes-Aigues en Auvergne F) avec un réseau de distribution formé de tuyaux en bois.
1831 :Découverte d’une source thermale à Lavey-les-Bains
1841 :1er forage géothermique en France
1904 :Lardarello (Toscane), 5 ampoules sont allumées grâce à l’électricité produite par la vapeur issue du sol
1913 :1re usine géothermique (à Valle del Diavolo) qui produit aujourd’hui 4800 GWh/an
1919 :1er forages géothermiques au Japon
1928 :Forages géothermique à Lavey-les-Bains , à 28 m de profondeur, eau à 35-50°C
1929 :1ers forages aux Etats-Unis, à Geysers/CA
1960 :Production mondiale de 400 MWel
1969 :1er forage dans le bassin parisien
1997 :Forage de 600 m à Lavey-les-bains, eau la plus chaude de Suisse (65°C, pompage de 33 l/s)
1980 :Production mondiale de 2500 MWel
2006 :Production mondiale d’env. 9000 MWel – 57 TWh/an et d’environ 28’000 MWth 73 TWh/an

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