La géothermie : Types, prospections et exploitations

Exploitation de la chaleur interne du sol, la géothermie s’avère une discipline prometteuse. Au XIXe siècle, François de Larderel, comte de Toscane, émit l’idée d’une exploitation de cette chaleur de la Terre dans sa région d’adoption. À partir de 1904, le village de Larderello, ainsi baptisé en l’honneur de son bienfaiteur, a pu satisfaire l’ensemble de ses besoins énergétiques. L’eau, récupérée par forage à une température supérieure à 100 °C, à l’état de vapeur haute énergie, actionne une turbine en vue d’une production d’électricité. Dans le cas d’une température inférieure à 100 °C (vapeur basse énergie), l’eau chaude liquide peut servir uniquement à chauffer des habitations.
Le gradient géothermique La température s’élève quand on s’enfonce dans les mines et un gradient géothermique a été défini, qui est l’élévation de température correspondant à une augmentation de profondeur de 1 km. Les valeurs moyennes de ce gradient sont de 20 à 30 °C par kilomètre. La surface de la Terre reçoit ainsi de l’intérieur un flux de chaleur. Ce flux d’énergie est faible: en moyenne de 0,06 Wm2, il varie d’un point à un autre du globe, les valeurs importantes correspondant aux limites des plaques (dorsale, zone de subduction), les valeurs sont par contre plus faibles pour les vieux boucliers (Bouclier canadien, par exemple). Cependant, même les valeurs les plus fortes (0,25, voire 0,5 Wm2) constituent un flux d’énergie trop faible pour être exploité.
Si, de façon générale, l’énergie géothermique est inutilisable, il n’en est pas de même quand un fluide est mis en jeu. Dans des conditions favorables de gradient géothermique et de perméabilité des roches, les fluides chauds, peu denses, montent tandis que les fluides froids descendent: il se forme des cellules de convection.
Ce phénomène de convection se produit, par exemple, sous les volcans importants pour le magma stocké dans les chambres magmatiques. L’eau contenue dans les roches perméables peut entrer également dans un circuit de courants de convection. L’eau constitue le vecteur qui apporte en surface des températures élevées, donc de l’énergie utilisable. Si un «réservoir» d’eau se trouve à une profondeur d’environ 1 à 2 km dans une zone à gradient normal, cette eau pourra être utilisée pour le chauffage: c’est ce qu’on appelle la géothermie basse énergie. Mais si le réservoir est situé dans une zone à gradient élevé, par exemple au voisinage de gros volcans, la température de l’eau peut atteindre 150 °C et même dépasser 350 °C. À ces profondeurs, la pression est suffisante pour que l’eau reste liquide; toutefois, dans des cas où la configuration des réservoirs et leur alimentation en fluide sont favorables, il peut se former des réservoirs de vapeur. Ces derniers, relativement rares, sont les plus intéressants économiquement.
Il existe donc des gisements d’énergie géothermique, comme il y a des gisements de pétrole. De même que la combustion du pétrole permet la production d’électricité, la chaleur de l’«eau géothermique» peut être transformée en énergie électrique.
Les différents types de gisements géothermiques On distingue les gisements géothermiques suivant leur profondeur et leur température.
La géothermie de basse énergie Les gisements de basse énergie sont constitués par des nappes situées entre 1 500 et 2 000 m de profondeur, où la température de l’eau varie entre 50 et 90 °C. Pour exploiter ces gisements, on crée un «doublet», composé de deux puits: un puits par lequel on pompe l’eau de la nappe et un autre par lequel on réinjecte l’eau dans la nappe, à une température d’environ 25 °C, après en avoir soutiré la chaleur au moyen d’un échangeur. L’eau des nappes étant fortement chargée en sels, les échangeurs et les tubes de forage doivent être soigneusement protégés contre la corrosion. La principale utilisation de la géothermie de basse énergie est le chauffage urbain. Cette application est rentable dans les zones d’habitation comprenant au moins 1 500 à 2 000 logements. Un doublet de 200 m3/h est capable de chauffer 2 000 à 3 000 logements.
Pour utiliser au mieux cette énergie géothermique, on complète l’installation par une chaufferie traditionnelle, qui couvre en hiver 50 % des besoins de chauffage, l’énergie géothermique couvrant la totalité des besoins d’eau chaude sanitaire. On peut également installer des pompes à chaleur pour diminuer la température de l’eau avant de la réinjecter dans le sol et récupérer ainsi un complément de chaleur.
Globalement, sur l’ensemble d’une année, 80 % des besoins caloriques des logements peuvent être assurés par la géothermie, également utilisable pour le chauffage industriel et le chauffage des serres. Un doublet de 100 m3/h répond à 80 % des besoins d’une surface de serres de 350 ha. En France, les régions les plus favorables sont le Bassin parisien, le Bassin aquitain et la vallée du Rhône.
La géothermie de moyenne énergie Les gisements de moyenne énergie sont constitués par des nappes situées à une profondeur de 2 000 à 3 000 m, où la température de l’eau est comprise entre 90 et 150 °C. Cette température est suffisante pour produire de l’électricité. Les gisements de moyenne énergie sont peu importants en France: il en existe en Alsace et en Limagne (Auvergne).
La géothermie de haute énergie La géothermie dite de haute énergie est utilisée dans les régions volcaniques où de la vapeur d’eau ou de l’eau sous pression, dont la température varie entre 150 et 320 °C, est disponible à faible profondeur. Cette température est suffisante pour produire de l’électricité. Les grandes installations sont bien connues: Larderello (400 MW) et Monte Amiata (Italie), The Geysers (Californie) avec 1 000 MW, Wairakei et Broadlands (Nouvelle-Zélande), etc. La France a une installation à Bouillante (Guadeloupe): 5 MW. Les Philippines ont récemment accédé au rang de «grand» dans ce domaine: 5 330 MW.
La prospection géothermique Si les techniques de prospection géologique et géophysique des gisements géothermiques diffèrent peu des techniques générales de prospection, les méthodes de prospection géothermique ont connu un développement particulier. Par exemple, pour les gisements d’eau très chaude, diverses méthodes permettent de prévoir la température du réservoir profond en analysant certains constituants des eaux thermales issues de ces réservoirs; ces constituants sont des géothermomètres.
Par exemple, dans un réservoir chaud et profond qui alimente une source thermale (ou un groupe de sources), la concentration de silice dissoute augmente fortement avec la température (47 mg à 100 °C, 260 mg à 200 °C, etc.). Quand l’eau monte vers la surface, sa température s’abaisse, mais généralement sa teneur en silice ne varie pas. Ainsi, certaines sources thermales à 80 °C contiennent 260 mg de silice; on en déduit que la température profonde est de 200 °C. Toutefois les teneurs en silice peuvent être perturbées par divers processus (mélange, dépôt d’argiles, etc.). D’autres géothermomètres sont utilisés par les géochimistes.
Les exploitations actuelles L’utilisation de la géothermie reste néanmoins limitée à des régions très particulières, et des impératifs économiques se greffent sur les problèmes strictement scientifiques. Seuls de grands ensembles (zones d’intérêt économique, hôpitaux, universités) peuvent utiliser cette énergie. Comme toute énergie, la géothermie est polluante. Elle représente, cependant, un apport (moins de 5 %) à la production énergétique de certains pays (Islande, Nouvelle-Zélande), ce qui est loin d’être négligeable.
Parmi les gisements à eau chaude exploités, outre les noms précédemment cités, ajoutons ceux de Wairakei et de Broadlands (Nouvelle-Zélande), ceux d’El Tatio (Chili), de Cero Prieto (Mexique) et de Reykjavík (Islande). Le Japon s’est intéressé tardivement à la géothermie; ses possibilités, immenses, commencent à être mises en valeur (centrales de Hakore, de Hatchobaru, etc.). L’Europe occidentale, à part l’Italie, qui fut un pionnier, n’a pas jugé suffisantes ses potentialités en géothermie de haute énergie.
En revanche, la géothermie basse énergie est exploitée dans le Bassin parisien (Creil, Melun, Orléans) et en Aquitaine.