Qu’est-ce que la géothermie ?

La géothermie consiste à exploiter la chaleur naturelle émise par la Terre pour produire de l'énergie. Cet article explique les principes et les différentes techniques de cette source d'énergie renouvelable, ainsi que ses avantages et son développement en France.

Définition et principes de la géothermie

La géothermie est une source d'énergie renouvelable qui exploite la chaleur naturelle présente dans le sous-sol de la Terre. Cette énergie provient principalement de la désintégration des éléments radioactifs contenus dans les roches profondes et de la chaleur résiduelle issue de la formation de notre planète il y a plus de 4,5 milliards d'années. Comprendre les principes de base de la géothermie est essentiel pour saisir son potentiel en tant qu'alternative durable aux énergies fossiles.

Étymologie et définition de la géothermie

Le terme "géothermie" est dérivé des mots grecs gêo (terre) et thermos (chaleur). Il désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et l'ensemble des technologies permettant d'exploiter cette chaleur à des fins énergétiques. La géothermie consiste donc à capter l'énergie thermique contenue dans le sous-sol pour la convertir en chaleur ou en électricité utilisable par l'homme.

Gradient géothermique et sources de chaleur

La température du sous-sol augmente avec la profondeur selon un gradient géothermique moyen d'environ 3°C tous les 100 mètres. Cependant, ce gradient peut varier considérablement d'une région à l'autre en fonction de la structure géologique et de l'activité tectonique. Dans certaines zones volcaniques, il peut atteindre 10°C/100m, offrant ainsi un potentiel géothermique particulièrement intéressant. La chaleur terrestre a deux origines principales :

• La désintégration naturelle des éléments radioactifs (uranium, thorium, potassium) présents dans les roches profondes, qui génère environ 80 à 90% de la chaleur.
• La chaleur résiduelle issue de la formation de la Terre il y a 4,5 milliards d'années, qui représente les 10 à 20% restants.

Composition géothermique de la Terre

La Terre est composée de plusieurs couches concentriques présentant des températures et des propriétés différentes :

Couche	Profondeur	Température
Croûte terrestre	0 - 70 km	0 - 1000°C
Manteau supérieur	70 - 400 km	1000 - 1500°C
Manteau inférieur	400 - 2900 km	1500 - 3500°C
Noyau externe	2900 - 5100 km	3500 - 5000°C
Noyau interne	5100 - 6371 km	5000 - 6000°C

C'est principalement dans la croûte terrestre et le manteau supérieur que se concentre le potentiel géothermique exploitable par l'homme, grâce à la présence de réservoirs d'eau chaude ou de vapeur piégés dans les roches poreuses et fracturées.

Les différentes techniques et types de géothermie

La géothermie offre différentes techniques d'exploitation de la chaleur du sous-sol, adaptées à diverses profondeurs et températures. Ces techniques permettent de produire de la chaleur, du froid ou de l'électricité de manière renouvelable et locale.

La géothermie superficielle

La géothermie superficielle exploite la chaleur présente dans les premiers mètres du sous-sol, généralement jusqu'à 100 mètres de profondeur. À ces faibles profondeurs, la température est relativement stable toute l'année, autour de 10 à 15°C. Cette chaleur provient principalement du rayonnement solaire stocké dans le sol. La technique la plus courante pour valoriser cette ressource est l'utilisation de pompes à chaleur géothermiques (PAC). Ces systèmes transfèrent la chaleur du sol vers un bâtiment en hiver, et inversement en été pour le rafraîchir. Les PAC géothermiques peuvent être couplées à des capteurs horizontaux enterrés à faible profondeur ou à des sondes verticales descendant jusqu'à 100 mètres.

La géothermie de moyenne profondeur

Entre 100 et 1000 mètres de profondeur, on parle de géothermie de moyenne profondeur. Les températures rencontrées varient de 30 à 90°C, grâce au gradient géothermique qui augmente d'environ 3°C tous les 100 mètres. Cette chaleur est principalement exploitée via des doublets géothermiques. Un doublet géothermique est constitué d'un puits de production qui puise l'eau chaude d'un aquifère profond, et d'un puits de réinjection qui renvoie cette eau refroidie dans le même aquifère après prélèvement des calories. La chaleur extraite peut alimenter des réseaux de chaleur urbains ou des process industriels.

La géothermie profonde

Au-delà de 1000 mètres de profondeur, on trouve des ressources géothermiques à haute température, généralement supérieures à 150°C. Cette géothermie profonde est exploitée pour produire de l'électricité dans des centrales géothermiques. Il existe trois principaux types de centrales géothermiques :

• Les centrales à vapeur sèche qui utilisent directement la vapeur d'un réservoir pour entraîner une turbine
• Les centrales flash qui convertissent brutalement l'eau très chaude en vapeur dans une turbine
• Les centrales binaires qui transfèrent la chaleur de l'eau à un fluide secondaire qui actionne ensuite la turbine

Les forages géothermiques profonds peuvent atteindre 5000 mètres dans les contextes géologiques les plus favorables comme les zones volcaniques. L'Islande, l'Indonésie, les Philippines ou la Toscane en Italie possèdent de nombreuses centrales géothermiques.

Types de géothermie	Profondeur	Température	Usages
Géothermie superficielle	0 à 100 m	10 à 30°C	Chauffage et rafraîchissement avec PAC
Géothermie de moyenne profondeur	100 à 1000 m	30 à 90°C	Réseaux de chaleur, process industriels
Géothermie profonde	> 1000 m	> 150°C	Production d'électricité

Avantages et inconvénients de la géothermie

La géothermie présente de nombreux avantages qui en font une source d'énergie attractive dans le cadre de la transition énergétique. Cependant, comme toute technologie, elle comporte également certains inconvénients qu'il convient de prendre en compte. Examinons en détail les points forts et les limites de cette énergie renouvelable.

Les atouts environnementaux de la géothermie

Le premier avantage de la géothermie réside dans son caractère renouvelable. Contrairement aux énergies fossiles, la chaleur de la Terre est inépuisable à l'échelle humaine. Son exploitation n'engendre que de faibles émissions de gaz à effet de serre, principalement liées au fonctionnement des pompes et des installations. Selon l'ADEME, les émissions de CO2 des réseaux de chaleur géothermiques sont en moyenne de 23,5 g/kWh, contre 205 g/kWh pour le gaz naturel et 385 g/kWh pour le fioul. De plus, la géothermie offre une disponibilité continue, indépendante des conditions météorologiques. Elle peut ainsi fournir une énergie de base stable, complémentaire aux autres énergies renouvelables intermittentes comme le solaire ou l'éolien. Enfin, la géothermie est une ressource locale, consommée à proximité de son lieu de production, ce qui limite les pertes et les coûts liés au transport.

Des coûts d'investissement significatifs

Le principal frein au développement de la géothermie réside dans les coûts d'investissement initiaux élevés. Les forages profonds et les installations complexes représentent des dépenses conséquentes. À titre d'exemple, un doublet géothermique de 2000 mètres de profondeur peut coûter entre 10 et 20 millions d'euros. Cependant, une fois en fonctionnement, les coûts d'exploitation sont relativement faibles, avec une durée de vie des installations pouvant atteindre 30 à 50 ans.

Profondeur	Coût moyen du forage
1000 m	1,5 à 3 M€
2000 m	5 à 10 M€
3000 m	10 à 20 M€

Les risques sismiques et l'épuisement des réservoirs

La géothermie profonde peut, dans certains cas, engendrer des risques sismiques. Les forages et les injections d'eau sous pression peuvent fragiliser les roches et provoquer des séismes de faible magnitude. C'est notamment ce qui s'est produit en Alsace, où plusieurs projets ont été mis à l'arrêt suite à des secousses répétées. Des études d'impact approfondies et une surveillance constante sont donc nécessaires pour prévenir ces risques. Par ailleurs, les réservoirs géothermiques peuvent s'épuiser progressivement, au fur et à mesure de leur exploitation. La réinjection de l'eau dans les aquifères permet de limiter cet épuisement, mais une gestion durable des ressources reste primordiale pour assurer la pérennité des installations.

L'Islande, un exemple de réussite géothermique

Certains pays, comme l'Islande, ont su tirer parti de leur potentiel géothermique de manière exemplaire. Grâce à sa situation géologique favorable, l'île produit près de 30% de son électricité et chauffe 90% de ses bâtiments grâce à la géothermie. La centrale de Hellisheiði, par exemple, fournit 303 MW d'électricité et 133 MW de chaleur, couvrant les besoins de la capitale Reykjavik. Cet exemple montre que, dans les conditions adéquates, la géothermie peut devenir un pilier de la transition énergétique.

La géothermie en France : état des lieux et perspectives

La géothermie est une source d'énergie renouvelable prometteuse en France, avec un potentiel important pour contribuer à la transition énergétique du pays. Bien que son développement soit encore limité par rapport à d'autres pays européens, la France dispose de ressources géothermiques significatives et met en place des initiatives pour favoriser leur exploitation.

État actuel de la géothermie en France

En 2021, la production d'énergie géothermique en France s'élevait à 2,2 TWh, dont 0,1 TWh provenant de la géothermie profonde. Le site de Bouillante en Guadeloupe est le principal producteur d'électricité géothermique du pays, avec une puissance installée de 15 MW. Ce site a produit 84 GWh en 2020, soit environ 6% de la production d'électricité de l'île. En métropole, un projet de géothermie profonde est en cours de développement à Vendenheim, en Alsace. Ce projet, porté par Électricité de Strasbourg et la société Fonroche Géothermie, vise à exploiter une ressource géothermique à plus de 5 000 mètres de profondeur pour produire de l'électricité et alimenter un réseau de chaleur. La mise en service est prévue pour 2024, avec une puissance installée de 24 MW. La géothermie de surface, principalement utilisée pour le chauffage et le rafraîchissement des bâtiments, est plus développée en France. En 2020, on comptait environ 200 000 pompes à chaleur géothermiques installées, pour une puissance totale de 2,5 GW. L'Île-de-France et le Grand Est sont les régions les plus actives dans ce domaine.

Objectifs et initiatives pour développer la géothermie

Le gouvernement français a fixé des objectifs ambitieux pour le développement de la géothermie dans le cadre de la Programmation Pluriannuelle de l'Énergie (PPE). D'ici 2028, la France vise à doubler le nombre d'installations de pompes à chaleur géothermiques par rapport à 2017, pour atteindre 400 000 unités. La PPE prévoit également une augmentation significative de la production de chaleur géothermique, avec un objectif de 5,2 TWh en 2028 contre 2,9 TWh en 2016. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs initiatives ont été mises en place :

• Le Fonds Chaleur, géré par l'ADEME, soutient financièrement les projets de géothermie de surface et profonde. En 2020, ce fonds a été doté de 350 millions d'euros.
• Le dispositif Aquapac, lancé en 2019, vise à simplifier les démarches administratives pour les projets de géothermie de minime importance.
• Des appels d'offres spécifiques à la géothermie profonde ont été lancés pour soutenir le développement de cette filière.

Perspectives de développement

Malgré ces initiatives, le développement de la géothermie en France reste en deçà de son potentiel. Selon une étude du BRGM, la géothermie pourrait couvrir jusqu'à 10% des besoins de chaleur du pays à l'horizon 2050. Pour y parvenir, il sera nécessaire de lever certains freins, notamment :

• Améliorer la connaissance du sous-sol et des ressources géothermiques disponibles
• Réduire les coûts d'investissement et les risques liés aux projets de géothermie profonde
• Renforcer l'acceptabilité sociale des projets en impliquant les acteurs locaux et en communiquant sur les bénéfices de la géothermie
• Former et structurer la filière pour répondre à la demande croissante

Pays	Production électrique géothermique (GWh) en 2020	Capacité installée (MW) en 2020
États-Unis	16 930	3 676
Indonésie	15 604	2 133
Philippines	11 765	1 928
Turquie	8 179	1 549
Nouvelle-Zélande	7 602	1 005
France	127	17

La France dispose d'un potentiel géothermique important, notamment dans les bassins sédimentaires comme le Bassin parisien et le Bassin aquitain, ainsi que dans les régions volcaniques comme la Guadeloupe et la Martinique. En exploitant pleinement ces ressources, la géothermie pourrait devenir un pilier de la transition énergétique française, contribuant à la décarbonation du mix énergétique et à l'indépendance énergétique du pays.

L'essentiel à retenir sur la géothermie, une énergie d'avenir

La géothermie représente une source d'énergie renouvelable et locale prometteuse pour la transition énergétique. Bien que son développement nécessite des investissements initiaux importants, les coûts d'exploitation sont faibles et les impacts environnementaux limités. Avec les progrès technologiques et la volonté politique, la géothermie devrait connaître un essor significatif en France et dans le monde dans les prochaines années.