Géothermie
La chaleur géothermique est disponible 24 heures sur 24 et ce indépendamment des saisons, de la météo ou des conditions climatiques. Dans de nombreux pays à travers le monde, la géothermie est déjà utilisée pour produire de l’électricité ou directement sous forme de réseaux thermiques. C’est en particulier dans les pays où les conditions préalables sont favorables d’un point de vue géologique (par ex. dans la Ceinture de feu du Pacifique (« Ring of Fire ») ou les régions volcaniques, température > 200 °C), que la géothermie constitue une base solide de production énergétique écologique, avantageuse au niveau des coûts et durable. La chaleur géothermique disponible dans la croûte terrestre est principalement issue de processus de désintégration radioactive dans le noyau de la terre ou de la chaleur résiduelle datant de l’époque où la terre s’est formée. Au-delà, les couches supérieures emmagasinent également de la chaleur provenant des rayons du soleil. Dans des pays comme l’Allemagne, l’Italie, l’Indonésie, les Philippines, le Mexique, les USA ou l’Islande, l’exploitation de la chaleur géothermique s’inscrit depuis de nombreuses années déjà dans le concept de l’exploitation énergétique. Sur le continent africain également, notamment au Kenya, la géothermie au service de la production d’électricité rencontre actuellement un grand succès.
L’industrie allemande de la géothermie recouvre tout l’éventail des technologies de géothermie : de la géothermie à basse profondeur à la géothermie de profondeur hydrothermale et HDR pour la génération de chaleur, de froid et d’électricité.
Technologies et applications
En fonction de la profondeur de forage, on distingue la géothermie profonde et la géothermie peu profonde.
Géothermie profonde
Il n’existe certes pas de limite stricte, mais on présuppose, en Allemagne, lorsque l’on parle de géothermie profonde, une profondeur minimale de 400 m (limite selon la directive allemande VDI 4640). La géothermie profonde permet de produire à la fois de l’électricité dans des centrales électriques ainsi que de la chaleur dans de grands réseaux thermiques pour les secteurs de la production industrielle ou pour l’approvisionnement en chaleur de bâtiments. L’un des avantages par rapport aux autres énergies renouvelables est que la géothermie profonde n’est pas tributaire de fluctuations saisonnières ou horaires. Elle est donc en d’autres termes disponible de manière constante et ne doit pas faire l’objet de mesures de sécurisation. En Allemagne, la géothermie est adaptée pour couvrir la fourniture électrique de base. On fait la distinction entre la géothermie hydrothermale, les systèmes HDR et les sondes géothermiques profondes.
La géothermie hydrothermale exploite directement la chaleur en puisant l’eau chaude dans des couches à grande profondeur. La couche rocheuse imprégnée d’eau (réservoir) doit permettre une pénétration verticale et latérale la plus profonde possible afin de garantir une utilisation à long terme. La géothermie hydrothermale peut être employée pour produire de la chaleur et / ou de l’électricité selon le débit et la température de l’eau thermale.
GFZ German Research Centre for Geosciences
Principe de la géothermie HDR selon le procédé Organic Rankine Cycle (ORC).
L’exploitation de réservoirs de chaleur situés dans les couches de roches profondes, qui ne contiennent aucune ressource naturelle en eau ou pas suffisamment, est qualifiée de géothermie HDR. Les roches sédimentaires cristallines ou denses, situées de trois à six kilomètres de profondeur, et dont les températures correspondantes sont élevées (plus de 150 °C), servent de réservoir. Le raccordement a lieu par le biais de deux ou plusieurs forages, effectués dans des pierres denses situées en profondeur. Des fissures et des crevasses sont générées dans la pierre par le biais de procédés de simulation hydrauliques ou chimiques (Enhanced Geothermal Systems, EGS). À l’aide d’un forage d’injection, de l’eau est pressée dans la pierre sous haute pression, où elle se réchauffe et réaccède ensuite vers le haut, étant soutirée à la surface par le forage de refoulement. L’eau chaude, à son tour, réchauffe des substances actives dont le point d’ébullition est faible (les dénommés procédés de cycle de Kalina et cycle ORC (Organic Rankine Cycle) pour générer de la vapeur dans une turbine. La chaleur peut par ailleurs être alimentée par le biais d’un échangeur thermique dans le réseau de chaleur à distance. En Allemagne, les systèmes HDR, qui représentent 90 % de la génération d’électricité géothermique, constituent le principal potentiel dans ce domaine.
La sonde géothermique profonde est un système fermé destiné à la production de chaleur géothermique, qui consiste en un unique forage à une profondeur minimale de 400 m et pouvant descendre jusqu’à plusieurs milliers de mètres. Ce système fonctionne de manière similaire au système des sondes employées dans la géothermie peu profonde (voir plus bas), mais la sonde géothermique profonde atteint des températures plus élevées, si bien que, généralement, le recours à une pompe à chaleur est inutile et l’utilisation simultanée du froid emmagasiné est impossible. L’énergie obtenue est directement utilisée sous forme de chaleur. Ainsi, ce système offre des possibilités complètes d’utilisation de la chaleur, passant de températures élevées atteintes par la chaleur des processus industriels et artisanaux, à des basses températures pour une utilisation agricole. La génération d’électricité n’est pas économique, même à température élevée, en raison de la faible surface des échangeurs thermiques de la sonde.
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Distribution naturelle des températures en basse profondeur.
Géothermie à basse profondeur
On parle de géothermie à basse profondeur lorsque les profondeurs n’excèdent pas 400 m. Étant donné que la terre affiche une température bien plus homogène que la chaleur emmagasinée dans l’air ou dans les eaux, elle est adaptée de manière idéale aussi bien pour le refroidissement que pour le chauffage de bâtiments. Jusqu’à une profondeur de 15 m environ, en fonction des circonstances géologiques jusqu’à 40 m au maximum, la température pp 50, dans les couches terrestres supérieures, est soumise aux fluctuations saisonnières et est ainsi déterminée par l’influence des rayonnements du soleil. Les températures qui règnent ici ne sont que légèrement supérieures à la température moyenne annuelle de la surface terrestre. À partir de cette profondeur, la température augmente, conformément aux gradients géothermiques, d’env. 3 °C tous les 100 m, pour atteindre 20 – 25 °C à 400 m. La chaleur qui peut être extraite de la terre est par ailleurs déterminée par la nature du sol par extension de la pierre.
Différents systèmes tels que les capteurs géothermiques, les sondes géothermiques, les pieux énergétiques ou autres pièces de béton en contact avec le sol permettent d’exploiter la géothermie. La chaleur extraite du sous-sol peu profond à l’aide de pompes à chaleur est généralement utilisée pour le chauffage des bâtiments ou de l’eau sanitaire. En cas de chauffage, les pompes à chaleur reliées à la terre augmentent le niveau de température qui prévaut dans le sol aux températures nécessitées dans le bâtiment. Dans ce cadre, la chaleur est ainsi extraite du sol au cours d’un processus cyclique. Mais les températures constantes qui règnent dans le sous-sol peuvent aussi être exploitées sans recourir à une pompe à chaleur pour refroidir directement le bâtiment. Si la puissance de refroidissement du sous-sol ne suffit pas, la pompe à chaleur peut fournir le manque en puissance de refroidissement dans le sens inverse.
- Représentation schématique de l’exploitation de la chaleur de l’environnement à l’aide de capteurs et de sondes géothermiques par le biais du recours à une pompe à chaleur.
Les capteurs géothermiques sont posés à 80 – 160 cm de profondeur à l’horizontale et sont fortement soumis, d’un point de vue thermique,
aux influences atmosphériques prédominantes sur la surface. Le besoin de surface est supérieur à celui nécessité par les pieux énergétiques (une maison individuelle nécessite une surface de terrain d’environ 200 – 250 m²). Un fluide caloporteur qui absorbe la chaleur du sol environnant et la transmet à la pompe à chaleur, circule dans ces tuyauteries en méandre.
Les sondes géothermiques sont des types d’installation largement répandues en Europe centrale et du nord. Elles sont placées à une profondeur de 50 à 160 m pour utiliser la géothermie à basse profondeur. Leur encombrement est faible et elles profitent d’un niveau de température constant. Elles se composent de tuyaux en plastique (PEHD) qui forment des circuits et sont reliées au système
de chauffage et de refroidissement du bâtiment. Un fluide caloporteur, qui absorbe la chaleur du sol environnant et la transmet à la pompe à chaleur, circule dans ces sondes. Cette technique permet de chauffer ou de refroidir des espaces de tailles différentes, de la petite unité d’habitation à la zone résidentielle complète.
Pour élaborer des pieux énergétiques, il faut équiper des pieux en béton atteignant de grandes profondeurs, des rideaux souterrains ou d’autres éléments en béton statiques, implantés dans le sous-sol, avec des tuyaux en plastique qui exploitent la chaleur ou le froid de la terre avec l’eau en tant que fluide intermédiaire. L’eau froide se réchauffe dans les pieux en béton par l’intermédiaire de la chaleur terrestre. L’eau chaude chauffe le bâtiment par l’intermédiaire d’une pompe à chaleur. En été le système peut être utilisé pour générer un léger refroidissement.
