Géothermie : Différence entre versions

Version du 12 octobre 2010 à 16:37

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Le mot géothermie provient du grec Géo (Terre) et Thermos (Chaud) et désigne la chaleur issue du sous-sol ainsi. Par abus de langage, on range dans la catégorie Géothermie les technologies visant à exploiter cette énergie.

Description

L'énergie géothermique

Les sols et les sous sols accumulent sans cesse des quantités immenses de chaleur provenant de la croute et émise sous forme de radioactivité. Plus on s'enfonce profondément dans le sol, plus on ressent ce phénomène. Selon les régions l'augmentation de la température avec la profondeur est plus ou moins forte, et varie de 3°C par 100 m en moyenne jusqu'à 15°C ou même 30°C. La moyenne en France se situe autours de 3,3°C/100m. Cette énergie interne est inépuisable à l'échelle de temps qui est la notre.

Les applications

L'exploitation de la ressource géothermique est ancienne. Les bains des sources chaudes étaient pratiqués dans l'Antiquité dans de nombreuses régions du monde. Elle connaît actuellement un renouveau important, notamment parce que la protection contre la corrosion et les techniques de forage se sont fortement améliorées. Les pays où la production de chaleur à partir de la géothermie est la plus importante sont la Chine, les États-Unis et l'Islande.

On est aujourd'hui capable d'extraire cette énergie de manière très sophistiquée afin de l'utiliser sous forme de chauffage, de climatisation ou d'électricité. On distingue plusieurs types de géothermie qui correspondent à des applications particulières, à ne pas mettre au même plan :

• La géothermie de surface individuelle (très basse énergie) qui concerne particulièrement les installations individuelles de chauffage et de climatisation domestique ainsi que la climatisation individuelle et collective.
• La géothermie basse énergie qui est plus propice au chauffage de bâtiments collectifs.
• La géothermie moyenne énergie qui permet l’exploitation de réseaux de chaleur à l’échelle d’un quartier ou d’une petite ville.
• La géothermie haute énergie (Géothermie profonde) permettant la production d’électricité.

Géothermie de surface

Elle permet essentiellement le chauffage ou la climatisation de maisons individuelles en collectant l'énergie des premiers mètres de sol, caractérisés par une température constante entre 12 et 30°C en moyenne. On peut collecter l'énergie du sol peu profond par trois intermédiaire différents :

• L'air grâce à un système appelé puits provençal. Il permet de climatiser naturellement l'air intérieur.
• L'eau en pompant sur les nappes phréatiques, système appelé geothermie sur nappe. Ce dispositif nécessite une pompe à chaleur et permet à la fois le chauffage et la climatisation si la pompe à chaleur est réversible
• Un fluide caloporteur qui circule dans des tubes, système appelé sonde géothermique. On distingue le captage au sol ou captage horizontal des sondes verticales. Ces dispositifs nécessitent également une pompe à chaleur et permettent aussi la réversibilité.

Ces systèmes sont très en vogue à l'heure actuelle, car ils permettent des économies très importantes notamment en comparaison de la climatisation et au chauffage traditionnels. Cependant et mis à part le système de puits provençal, les systèmes nécessitant une pompe à chaleur consomment de l'électricité. On estime qu'en moyenne pour 4kW de chaleur produite une pompe à chaleur consomme environ 1kW d'électricité. Ce système n'est donc pas autonome ni exempt d'émission de CO2 ou de consommation d'énergie fossile. Toutefois il permet de diviser par 4 la consommation d'énergie électrique en comparaison avec le chauffage électrique.

De nombreux organismes et collectivités territoriales ainsi que l'état facilitent actuellement l'installation de ce genre de système grâce à des primes, des systèmes d'assurance ainsi que des abattements d'impôt.

Dans certaines grandes villes cette technologie est utilisée pour chauffer et refroidir des plus gros bâtiments. Son utilisation massive n'est pas sans poser de problème, comme par exemple à Lyon où la nappe se réchauffe suite à l'exploitation intensive de la climatisation.

Géothermie moyenne et basse énergie

Ces géothermies permettent la production de chaleur pour le chauffage de bâtiments collectifs grâce à la géothermie sur nappe ou des sonde géothermique verticales. En basse énergie (T°C entre 30 et 90°C) on a généralement recours à une pompe à chaleur alors que la géothermie moyenne énergie (T°C entre 90°C et 150°C) n'en nécessite pas.

Géothermie profonde

C'est en Italie que cela a été pour la première fois réalisé (1903 - Larderello).

Fonctionnement

Fichier:Hot Dry Rock.jpg

La chaleur terrestre est utilisée traditionnellement dans les constructions de centrales géothermiques dans les régions volcaniques et tectoniquement perturbés où il y a des couches de vapeur près de la surface. Elles sont principalement situées aux États-Unis, aux Philippines et en Italie.

Par contre, la chaleur de la Terre peut être utilisée à de basse température ce qui est possible presque partout dans le monde. Avec le procédé Hot-Dry-Rock, la chaleur logée dans des couches plus profondes peut être utilisée pour produire du courant et de la chaleur. La chaleur terrestre provient de la décomposition des substances radioactives présentes à l’intérieur de la Terre et de la chaleur résiduelle de la formation de la Terre. Le potentiel offert par cette technique est très important. Les scientifiques estiment que les ressources géothermiques exploitables par cette technique permettront, lorsqu'elle sera économiquement viable, de satisfaire une fraction significative des besoins de puissance électrique, d'un pays telle que les USA, et ceci pour de nombreux siècles. En effet, cette énergie est considérée comme renouvelable si on n'épuise pas le potentiel thermique du sol.

Le principe de fonctionnement est relativement simple, on extrait l'énergie géothermique d'un réservoir souterrain créé artificiellement en vue de production de chaleur ou d'électricité. Dans ce but, on injecte sous forte pression de l'eau froide dans un forage, à une profondeur où la roche atteint une température d'environ 200°C. Par exemple, en Suisse, cela correspond à des profondeurs s’approchant de 5000 m. Sous l'effet de la pression, l'eau élargit les fissures existantes dans le massif rocheux ainsi une circulation d’eau continu peut alors être instaurée entre le puits d'injection et le puits de production. Pendant son trajet souterrain, l'eau injectée capte la chaleur terrestre et se transforme partiellement en vapeur lors de sa remontée dans les forages de production situés à une distance de quelques centaines de mètres.

Ce fluide caloporteur remonte donc en surface et transmet son énergie, par le biais d'un échangeur de chaleur, à un deuxième fluide dans un circuit fermé équipé d'une turbine à vapeur couplée à un générateur. L'eau du premier circuit fermé, ainsi refroidie, retourne dans le massif rocheux par le forage d'injection et se réchauffe à nouveau.

Voici les avantages et inconvénients de ce mode de production d'électricité :

Avantages

- La géothermie est une source d’énergie renouvelable. (Pas de pollution, ni émission gaz à effet de serre)

- Cette source d’énergie permet d’assurer une production importante (des puissances quelques dizaines de MW selon les installations voir des centaines de MW à proximité des points chauds), contrairement au photovoltaïque (1kW) ou aux éoliennes. (1MW)

- Cette ressource a aussi l’avantage par rapport aux autres énergies renouvelables, de produire toute l’année et toute la journée, car l’énergie géothermique est peu sensible aux variations météorologiques.

Inconvénients

- Les forages pour accéder à cette ressource sont souvent très couteux, car la production d’électricité nécessite de très haute température, donc de très grande profondeur.

- Les forages peuvent parfois s’avérer infructueux voir même dangereux, on parle de « risque géologique » : provocation de séisme notamment.

- Avant d’effectuer le forage, il faut effectuer des études de sols, des travaux d’explorations, etc.… l’implantation d’une centrale est donc un processus très long.

- Il faut faire attention à ne pas extraire plus d'énergie que pourrait en produire le sol sous peine d'épuiser ses capacités thermiques et de voir les rendements des installations diminués. En effet, l'énergie est produite par des micro-organismes et cette énergie n'est pas renouvelable à 100 % : si on puise trop ou épuise la fonction des micro-organismes, qui sont mortels, il s'ensuit une réaction en chaîne où la terre n'est plus productive ni exploitable; plus rien ne pousse... et la terre meurt.

Éléments de dimensionnement

Pour bien dimensionner une installation géothermique, il est nécessaire de bien définir le contexte géologique et hydrogéologique local avant d'implanter une centrale. Voici les paramètres qui rentrent en compte lors d'une étude de dimensionnement :

• les caractéristiques physiques du sol, notamment sa conductivité thermique qui définira la puissance spécifique (puissance par mètre linéaire) qu'il est possible d'extraire.

• la composition chimique du sol. C'est elle qui déterminera selon la dureté du sol, le nombre, la profondeur et la disposition des sondes géothermiques.

• les besoins électriques à couvrir conditionneront la taille de la centrale.

Aujourd'hui la puissance totale installée dans le monde s'élève à 10 MWe environ avec la répartition suivante :

Cependant, il important de noter que la puissance installée ne correspond pas à la puissance en fonctionnement. Ainsi, en 2007, la puissance installée était de 9737 MWe (MégaWatt électrique) alors que la puissance en fonctionnement était de 8595,4 MWe. En effet, certaines installations sont mises hors services pour des raisons de maintenance par exemple. La production d'électricité à partir de la géothermie reste en constante augmentation ces dernières années : +804,3 MWe installés dans le monde depuis 2005.

Projet de géothermie profonde de Soultz-Sous-Forêts

Ce projet pilote, lancé en 1987 à Soultz-sous-Forêts dans le Bas-Rhin, est géré par le Groupement européen d'intérêt économique (GEIE) et a nécessité 16 années d'études. Ce programme consiste à démontrer la faisabilité de l'utilisation de la chaleur issue des roches sèches fracturées et donc que la production d’électricité par géothermie profonde est un procédé efficace.

Le 13 juin 2008, la centrale de production d’électricité a été mise en route. Elle produit 1.5 MW, une quantité qui suffit à alimenter en électricité un village de 1500 habitants. L’eau est pompée en grande profondeur (à 5000 mètres sous terre), pour se charger en calories en circulant dans les fractures existantes des roches chaudes, environ à 200 °C. Elle remonte ensuite en surface, avec une température qui avoisine les 180°C. Après être passée par le système d’échangeurs de chaleur, l’eau cède ses calories à un fluide (isobutane) qui va se transformer en vapeur sèche puis entraîner une turbine, couplée à un générateur pour produire l’électricité.

Ce projet de centrale, à caractère expérimental, sera suivi par la réalisation en 2015 d'un prototype industriel de 20 MWe capable d'alimenter en électricité une ville de 20000 habitants.

Deux projets de forages géothermiques similaires sont à l'étude en Alsace pour la production de chaleur dans la région de Beinheim et de Pechelbronn (Bas-Rhin), à des profondeurs de 1000 et 3000 mètres.

Voir aussi

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Liens internes

• puits provençal
• pompe à chaleur
• énergies renouvelables
• Pieu énergétique

Liens externes

• http://www.ademe.fr/midi-pyrenees/a_2_15.html
• http://www.geothermie-perspectives.fr
• Les différents types de pompes à chaleur géothermiques
• http://www.soultz.net/fr/
• http://www.geothermie-soultz.fr/
• http://www.edf.fr/html/ecole_energie/accessibilite/glo_g_geothermie.htm
• http://www.edf.com/html/panorama/production/renouvelable/geothermie/fonctionnement.html
• http://www.crdp.ac-caen.fr/energies/Geothermie.htm
• http://www.geothermie.ch/index.php?p=geothermics_worldwide&l=fr

Bibliographie

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