géothermie.
Publié le 06/12/2021
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géothermie.
1
PRÉSENTATION
géothermie, science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre.
La géothermie intègre les données géophysiques, géochimiques et géologiques dans des modèles, afin de reproduire et de comprendre la mécanique thermique de la croûte terrestre. Son application pratique principale est la recherche de
concentrations naturelles d'eau chaude, utilisées pour produire de l'électricité, comme moyen de chauffage ou comme source de chaleur dans certains procédés industriels.
2
HISTORIQUE
Les sources chaudes sont utilisées depuis l'Antiquité pour leurs vertus thérapeutiques ou comme moyen de détente. Les premiers immigrants d'Islande transportaient l'eau des sources chaudes jusqu'à leurs abris à l'aide de conduits de bois.
L'utilisation rationnelle des sources d'eau chaude naturelle n'est apparue que plus tard.
Le premier réseau connu de distribution de chaleur géothermique se situe en France à Chaudes-Aigues (Cantal). Des archives datant de 1330 font mention d'un réseau de distribution d'eau chaude naturelle alimentant plusieurs maisons de ce bourg.
La source naturelle, dite la source du Par, est la plus chaude d'Europe (82 °C). À cette époque, la distribution de l'eau chaude s'effectuait à l'aide de tuyaux de bois de pin, creusés dans leur longueur à l'aide d'une longue tarière et emboîtés les uns
dans les autres.
En 1827, François Larderel, Français émigré en Italie, remplace le bois de chauffage par la vapeur naturelle. Celle-ci étant insuffisante, il entreprend en 1833 le premier forage géothermique pour obtenir davantage de vapeur à une température
supérieure. Les travaux de François Larderel sont poursuivis par le prince Pierro Conti en Toscane ; en 1904, ce dernier parvient à allumer cinq ampoules électriques au moyen d'une dynamo entraînée par une turbine à vapeur géothermique.
Cette expérience marque le début du développement des applications industrielles de la géothermie, en particulier pour la production d'électricité et le chauffage urbain (comme à Reykjavik où la quasi-totalité de la capitale est chauffée par l'énergie
géothermique). Par ailleurs, l'énergie géothermique constitue une source d'énergie renouvelable à fort potentiel, notamment dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique.
3 ÉNERGIE GÉOTHERMIQUE
3.1 Sources géothermiques
La température augmente au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans les couches internes de la Terre, exception faite des quelques dizaines de mètres qui subissent des contraintes extérieures périodiques (rayonnement solaire par exemple). À
l'exception des sources thermales naturelles, le flux géothermique est beaucoup trop faible à la surface pour être exploité directement. L'énergie géothermique est transférée à la surface de la Terre par diffusion dans des milieux géologiques
particuliers, par les mouvements de convection du magma lorsque celui-ci effleure la surface, et par la circulation d'eau chauffée en profondeur, remontant par une cheminée restée perméable dans le plan d'une faille. L'eau chaude qui atteint la
surface terrestre apparaît sous la forme de sources chaudes, de geysers et de fumerolles. La puissance géothermique de la Terre est estimée à plus de 30 milliards de kilowatts par an.
3.2
Moyens de production
La crise pétrolière des années 1970 a suscité d'importantes recherches en géothermie. Certaines sources géothermiques ont connu un développement opérationnel (utilisation des nappes aquifères profondes, emploi des pompes à chaleur sur nappe).
D'autres font encore l'objet de recherches en amont, comme l'extraction de la chaleur des roches compactes profondes et de celle des volcans. Dans les centrales électriques, la production de vapeur à partir des fluides naturellement chauds, qui
existent dans les systèmes géothermiques, est une alternative à la production de vapeur sous pression produite en brûlant les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbons et hydrocarbures) ou en utilisant l'énergie nucléaire. Dans les systèmes
géothermiques, les forages sont réalisés à des profondeurs pouvant dépasser 3 000 m, atteignant des concentrations d'eau et de vapeur chauffées par des magmas situés encore plus en profondeur. La vapeur est purifiée à la tête du puits avant d'être
transportée par de grandes canalisations isolées jusqu'aux turbines.
Les fluides géothermiques sont également utilisés pour chauffer des groupes de bâtiments à Budapest, à Paris, à Reykjavik et dans bien d'autres villes.
La plus grande centrale électrique utilisant l'énergie géothermique, construite au début des années 1990, se trouve aux États-Unis, dans le nord-est de la Californie. Cette centrale, appelée The Geysers, avait en 1989 une capacité de production
d'environ 2 000 mégawatts (MW), assez pour satisfaire la demande en électricité d'une ville de la taille de San Francisco (située à environ 120 km au sud de la centrale). Mais sa ressource s'épuisant, la production de la centrale diminue chaque année.
Pour parer ce déficit naturel, les eaux usées des villes alentour sont traitées et réinjectées dans les poches géothermiques, permettant ainsi de stabiliser la production d'électricité de la centrale géothermique à 750 MW environ.
Une nouvelle technique pour exploiter l'énergie géothermique, dite géothermie des roches chaudes sèches (ou Hot Dry Rock en anglais), a été testée au Nouveau-Mexique : il s'agit de forer dans de la roche chaude et sèche située au-dessus d'un
système volcanique au repos, en fracturant la roche compacte pour qu'un liquide puisse y circuler, et en injectant de l'eau qui revient sous forme de vapeur surchauffée. Selon ce principe, le prototype de Los Alamos a été construit en 1992 au
Nouveau-Mexique. Il constitue un échangeur thermique souterrain à 3 600 m de profondeur, récupérant une eau à 180 °C en sortie, avec une production de 4 MW. Des problèmes liés aux pompes ont compromis ce projet. Cette technique, ainsi que
les études pour l'exploitation de l'énergie volcanique, font toujours l'objet de recherches poussées.
Parmi les programmes de recherche sur les roches chaudes fracturées (HFR -- Hot Fractured Rock ou EGS -- Enhanced Geothermal System), le projet européen de géothermie profonde de Soultz-sous-Fôrets, en Alsace, ouvre une voie prometteuse
dans la problématique énergétique mondiale (voir économies d'énergie). En effet, ce projet, qui vise à extraire la chaleur des granites profonds pour la transformer en électricité, ne génère ni déchet ni gaz à effet de serre. Toutefois, le concept est
extrêmement compliqué à mettre en oeuvre du point de vue technique (forages à environ 5 000 m de profondeur, réalisation d'un échangeur thermique performant, etc.) et l'industrialisation du procédé n'est envisagée qu'à l'horizon 2010.
3.3
Formes d'énergie géothermique
En géothermie, on exploite la chaleur du fluide soit directement, pour le chauffage de locaux ou la production d'eau chaude sanitaire par exemple, soit indirectement en produisant de l'énergie électrique. On distingue la géothermie basse énergie
(production de chaleur) de la géothermie haute énergie (production d'électricité), la frontière entre les deux -- un peu arbitraire -- correspondant à la température sous laquelle on ne peut produire de l'électricité avec un rendement suffisant, soit
entre 120 °C et 180 °C. La géothermie n'est économiquement intéressante que pour des situations géologiques particulières combinées à des états de surface adéquats. Les différentes formes d'énergie géothermique connaissent donc des
développements différents selon les régions, les caractéristiques géologiques des ressources géothermiques et les aspects technico-économiques de l'utilisation de l'énergie. C'est pourquoi on classe généralement les énergies géothermiques en quatre
catégories.
3.3.1
Géothermie haute énergie
La géothermie haute énergie (150 °C-320 °C) n'est exploitable que dans des régions géologiques particulières présentant par exemple une convection magmatique qui réchauffe les réservoirs d'eau superficiels. Elle est généralement utilisée dans des
régions volcaniques comme aux Philippines, en Indonésie, en Amérique du Nord ou encore en Guadeloupe.
3.3.2
Géothermie moyenne énergie
La géothermie moyenne énergie (90 °C-150 °C) correspond à l'exploitation de la chaleur des nappes profondes dans des régions géologiques présentant un gradient de température non particulier comme dans le cas précédent. Après forage, on
injecte dans le sol un fluide calorifuge, tel que le Fréon ou l'ammoniac, qui est chauffé et ramené à la surface où on l'utilise pour chauffer des bâtiments, produire de l'eau chaude sanitaire. Le principe est identique à celui d'une machine frigorifique
fonctionnant à l'envers.
3.3.3
Géothermie basse énergie
La géométrie basse énergie (50 °C-90 °C) est beaucoup plus répandue que les précédentes, elle peut être exploitée dans les régions à gradient de température normal, où des formations géologiques adéquates existent à des profondeurs suffisantes
pour atteindre les températures recherchées, comme dans les bassins sédimentaires (fluides à 60 °C-80 °C, en moyenne). On réalise un forage qui permet d'atteindre une nappe d'eau chaude ; la profondeur des nappes exploitables varie entre 800
et 3 000 m selon les régions. On récupère cette eau pour diverses applications (chauffage de logements, de bâtiments, de serres, etc.), puis on la réinjecte dans le forage de manière à préserver la pression du gisement et son exploitation à long
terme, mais surtout pour protéger l'environnement géothermique.
3.3.4
Géothermie très basse énergie
La géothermie très basse énergie (12 °C-50 °C) a des caractéristiques identiques à la précédente. Elles en diffèrent toutefois par la profondeur beaucoup plus faible de la source géothermique (de 0 à 1 000 m). Le forage est donc plus rapide et moins
coûteux. De plus, il n'est pas toujours nécessaire de réinjecter le fluide calorifuge, ce qui rend l'installation moins complexe. Cette énergie, si elle a surtout été utilisée pour chauffer des serres en agriculture ou de petits groupes d'habitations, est
maintenant entrée dans le domaine du chauffage individuel des maisons neuves.
3.4
Production mondiale
La capacité mondiale de production des installations géothermiques était d'environ 5 800 MW en 1990, de plus de 15 000 MW en 2000, et de l'ordre de 28 000 MW en 2005. Les États-Unis sont les premiers producteurs d'énergie géothermique, avec
7 817 MW en 2005, suivis par la Suède (3 840 MW), la Chine (3 687 MW), l'Islande (1 791 MW), la Turquie (1 177 MW), le Danemark (821 MW)..., la France étant dans le peloton de queue avec seulement 305 MW.
La filière géothermique est en pleine progression en Europe (une tendance liée en grande partie aux préoccupations environnementales des différents pays) et devrait également connaître un développement important dans les pays où les ressources
sont abondantes (Europe centrale et orientale, Russie et Chine).
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géothermie.
1
PRÉSENTATION
géothermie, science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre.
La géothermie intègre les données géophysiques, géochimiques et géologiques dans des modèles, afin de reproduire et de comprendre la mécanique thermique de la croûte terrestre. Son application pratique principale est la recherche de
concentrations naturelles d'eau chaude, utilisées pour produire de l'électricité, comme moyen de chauffage ou comme source de chaleur dans certains procédés industriels.
2
HISTORIQUE
Les sources chaudes sont utilisées depuis l'Antiquité pour leurs vertus thérapeutiques ou comme moyen de détente. Les premiers immigrants d'Islande transportaient l'eau des sources chaudes jusqu'à leurs abris à l'aide de conduits de bois.
L'utilisation rationnelle des sources d'eau chaude naturelle n'est apparue que plus tard.
Le premier réseau connu de distribution de chaleur géothermique se situe en France à Chaudes-Aigues (Cantal). Des archives datant de 1330 font mention d'un réseau de distribution d'eau chaude naturelle alimentant plusieurs maisons de ce bourg.
La source naturelle, dite la source du Par, est la plus chaude d'Europe (82 °C). À cette époque, la distribution de l'eau chaude s'effectuait à l'aide de tuyaux de bois de pin, creusés dans leur longueur à l'aide d'une longue tarière et emboîtés les uns
dans les autres.
En 1827, François Larderel, Français émigré en Italie, remplace le bois de chauffage par la vapeur naturelle. Celle-ci étant insuffisante, il entreprend en 1833 le premier forage géothermique pour obtenir davantage de vapeur à une température
supérieure. Les travaux de François Larderel sont poursuivis par le prince Pierro Conti en Toscane ; en 1904, ce dernier parvient à allumer cinq ampoules électriques au moyen d'une dynamo entraînée par une turbine à vapeur géothermique.
Cette expérience marque le début du développement des applications industrielles de la géothermie, en particulier pour la production d'électricité et le chauffage urbain (comme à Reykjavik où la quasi-totalité de la capitale est chauffée par l'énergie
géothermique). Par ailleurs, l'énergie géothermique constitue une source d'énergie renouvelable à fort potentiel, notamment dans le cadre de la lutte contre le réchauffement climatique.
3 ÉNERGIE GÉOTHERMIQUE
3.1 Sources géothermiques
La température augmente au fur et à mesure que l'on s'enfonce dans les couches internes de la Terre, exception faite des quelques dizaines de mètres qui subissent des contraintes extérieures périodiques (rayonnement solaire par exemple). À
l'exception des sources thermales naturelles, le flux géothermique est beaucoup trop faible à la surface pour être exploité directement. L'énergie géothermique est transférée à la surface de la Terre par diffusion dans des milieux géologiques
particuliers, par les mouvements de convection du magma lorsque celui-ci effleure la surface, et par la circulation d'eau chauffée en profondeur, remontant par une cheminée restée perméable dans le plan d'une faille. L'eau chaude qui atteint la
surface terrestre apparaît sous la forme de sources chaudes, de geysers et de fumerolles. La puissance géothermique de la Terre est estimée à plus de 30 milliards de kilowatts par an.
3.2
Moyens de production
La crise pétrolière des années 1970 a suscité d'importantes recherches en géothermie. Certaines sources géothermiques ont connu un développement opérationnel (utilisation des nappes aquifères profondes, emploi des pompes à chaleur sur nappe).
D'autres font encore l'objet de recherches en amont, comme l'extraction de la chaleur des roches compactes profondes et de celle des volcans. Dans les centrales électriques, la production de vapeur à partir des fluides naturellement chauds, qui
existent dans les systèmes géothermiques, est une alternative à la production de vapeur sous pression produite en brûlant les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbons et hydrocarbures) ou en utilisant l'énergie nucléaire. Dans les systèmes
géothermiques, les forages sont réalisés à des profondeurs pouvant dépasser 3 000 m, atteignant des concentrations d'eau et de vapeur chauffées par des magmas situés encore plus en profondeur. La vapeur est purifiée à la tête du puits avant d'être
transportée par de grandes canalisations isolées jusqu'aux turbines.
Les fluides géothermiques sont également utilisés pour chauffer des groupes de bâtiments à Budapest, à Paris, à Reykjavik et dans bien d'autres villes.
La plus grande centrale électrique utilisant l'énergie géothermique, construite au début des années 1990, se trouve aux États-Unis, dans le nord-est de la Californie. Cette centrale, appelée The Geysers, avait en 1989 une capacité de production
d'environ 2 000 mégawatts (MW), assez pour satisfaire la demande en électricité d'une ville de la taille de San Francisco (située à environ 120 km au sud de la centrale). Mais sa ressource s'épuisant, la production de la centrale diminue chaque année.
Pour parer ce déficit naturel, les eaux usées des villes alentour sont traitées et réinjectées dans les poches géothermiques, permettant ainsi de stabiliser la production d'électricité de la centrale géothermique à 750 MW environ.
Une nouvelle technique pour exploiter l'énergie géothermique, dite géothermie des roches chaudes sèches (ou Hot Dry Rock en anglais), a été testée au Nouveau-Mexique : il s'agit de forer dans de la roche chaude et sèche située au-dessus d'un
système volcanique au repos, en fracturant la roche compacte pour qu'un liquide puisse y circuler, et en injectant de l'eau qui revient sous forme de vapeur surchauffée. Selon ce principe, le prototype de Los Alamos a été construit en 1992 au
Nouveau-Mexique. Il constitue un échangeur thermique souterrain à 3 600 m de profondeur, récupérant une eau à 180 °C en sortie, avec une production de 4 MW. Des problèmes liés aux pompes ont compromis ce projet. Cette technique, ainsi que
les études pour l'exploitation de l'énergie volcanique, font toujours l'objet de recherches poussées.
Parmi les programmes de recherche sur les roches chaudes fracturées (HFR -- Hot Fractured Rock ou EGS -- Enhanced Geothermal System), le projet européen de géothermie profonde de Soultz-sous-Fôrets, en Alsace, ouvre une voie prometteuse
dans la problématique énergétique mondiale (voir économies d'énergie). En effet, ce projet, qui vise à extraire la chaleur des granites profonds pour la transformer en électricité, ne génère ni déchet ni gaz à effet de serre. Toutefois, le concept est
extrêmement compliqué à mettre en oeuvre du point de vue technique (forages à environ 5 000 m de profondeur, réalisation d'un échangeur thermique performant, etc.) et l'industrialisation du procédé n'est envisagée qu'à l'horizon 2010.
3.3
Formes d'énergie géothermique
En géothermie, on exploite la chaleur du fluide soit directement, pour le chauffage de locaux ou la production d'eau chaude sanitaire par exemple, soit indirectement en produisant de l'énergie électrique. On distingue la géothermie basse énergie
(production de chaleur) de la géothermie haute énergie (production d'électricité), la frontière entre les deux -- un peu arbitraire -- correspondant à la température sous laquelle on ne peut produire de l'électricité avec un rendement suffisant, soit
entre 120 °C et 180 °C. La géothermie n'est économiquement intéressante que pour des situations géologiques particulières combinées à des états de surface adéquats. Les différentes formes d'énergie géothermique connaissent donc des
développements différents selon les régions, les caractéristiques géologiques des ressources géothermiques et les aspects technico-économiques de l'utilisation de l'énergie. C'est pourquoi on classe généralement les énergies géothermiques en quatre
catégories.
3.3.1
Géothermie haute énergie
La géothermie haute énergie (150 °C-320 °C) n'est exploitable que dans des régions géologiques particulières présentant par exemple une convection magmatique qui réchauffe les réservoirs d'eau superficiels. Elle est généralement utilisée dans des
régions volcaniques comme aux Philippines, en Indonésie, en Amérique du Nord ou encore en Guadeloupe.
3.3.2
Géothermie moyenne énergie
La géothermie moyenne énergie (90 °C-150 °C) correspond à l'exploitation de la chaleur des nappes profondes dans des régions géologiques présentant un gradient de température non particulier comme dans le cas précédent. Après forage, on
injecte dans le sol un fluide calorifuge, tel que le Fréon ou l'ammoniac, qui est chauffé et ramené à la surface où on l'utilise pour chauffer des bâtiments, produire de l'eau chaude sanitaire. Le principe est identique à celui d'une machine frigorifique
fonctionnant à l'envers.
3.3.3
Géothermie basse énergie
La géométrie basse énergie (50 °C-90 °C) est beaucoup plus répandue que les précédentes, elle peut être exploitée dans les régions à gradient de température normal, où des formations géologiques adéquates existent à des profondeurs suffisantes
pour atteindre les températures recherchées, comme dans les bassins sédimentaires (fluides à 60 °C-80 °C, en moyenne). On réalise un forage qui permet d'atteindre une nappe d'eau chaude ; la profondeur des nappes exploitables varie entre 800
et 3 000 m selon les régions. On récupère cette eau pour diverses applications (chauffage de logements, de bâtiments, de serres, etc.), puis on la réinjecte dans le forage de manière à préserver la pression du gisement et son exploitation à long
terme, mais surtout pour protéger l'environnement géothermique.
3.3.4
Géothermie très basse énergie
La géothermie très basse énergie (12 °C-50 °C) a des caractéristiques identiques à la précédente. Elles en diffèrent toutefois par la profondeur beaucoup plus faible de la source géothermique (de 0 à 1 000 m). Le forage est donc plus rapide et moins
coûteux. De plus, il n'est pas toujours nécessaire de réinjecter le fluide calorifuge, ce qui rend l'installation moins complexe. Cette énergie, si elle a surtout été utilisée pour chauffer des serres en agriculture ou de petits groupes d'habitations, est
maintenant entrée dans le domaine du chauffage individuel des maisons neuves.
3.4
Production mondiale
La capacité mondiale de production des installations géothermiques était d'environ 5 800 MW en 1990, de plus de 15 000 MW en 2000, et de l'ordre de 28 000 MW en 2005. Les États-Unis sont les premiers producteurs d'énergie géothermique, avec
7 817 MW en 2005, suivis par la Suède (3 840 MW), la Chine (3 687 MW), l'Islande (1 791 MW), la Turquie (1 177 MW), le Danemark (821 MW)..., la France étant dans le peloton de queue avec seulement 305 MW.
La filière géothermique est en pleine progression en Europe (une tendance liée en grande partie aux préoccupations environnementales des différents pays) et devrait également connaître un développement important dans les pays où les ressources
sont abondantes (Europe centrale et orientale, Russie et Chine).
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