Géothermie : L’énergie de la Terre

La géothermie consiste à capter la chaleur de la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l’électricité.
Mettre à profit la chaleur des roches souterraines, à 5000 mètres de profondeur, c’est le principe de la géothermie, à Soultz-sous-Forêts (Lorraine), comme à Bouillante (Guadeloupe).

Le principe

Le gradient géothermique
La température des roches augmente en moyenne de 1 °C tous les 30 mètres de profondeur : c’est le gradient géothermique terrestre moyen.
En certains points du globe, et notamment dans les régions volcaniques, qui correspondent à des intrusions de magma dans la croûte terrestre, le gradient géothermique est plus élevé. Par exemple 10 °C par 100 mètres en Alsace et même exceptionnellement 100 °C par 100 mètres à Larderello, Italie, et seulement 1 °C par 100 mètres près de Padoue (Ville italienne de la région de la plaine du Pô).

La géothermie moyenne et haute température
Une seule forme d’énergie géothermique permet de produire de l’électricité : la géothermie moyenne et haute température, à partir de 150 °C, qui permet la production d’électricité, soit directement à partir de gisements de vapeur ou d’eau chaude ou après injection d’eau en profondeur et récupération de chaleur.

La géothermie pour le chauffage des bâtiments
Les autres formes de géothermie, qui exploitent des températures plus basses, sont exploitées pour le chauffage seul ou en association avec la climatisation.
A partir de 20 m de profondeur, la température du sous-sol est constante. Des capteurs, enfouis dans le sol, récupèrent cette énergie et la restituent à l’intérieur des bâtiments via des planchers chauffant ou des ventilo-convecteurs.


Les différentes ressources géothermiques

Il existe 3 formes de ressources géothermiques pour produire de l’électricité.

Par réservoir de vapeur
Lorsque l’eau de gisement est partiellement vaporisée, elle est récupérée sous la forme de vapeur sèche directement utilisable pour faire tourner les turbines des centrales géothermiques. Mais ces gisements de vapeur sont relativement rares.
Les plus connus sont Lardarello (Italie), Geysers (Californie) et Matsukawa (Japon).

Par réservoir d’eau chaude
Pendant sa remontée vers la surface, l’eau chaude subit une baisse de pression. Elle se transforme alors en vapeur, de sorte qu’en tête de puits, sort un mélange eau-vapeur dont on peut utiliser la phase gazeuse pour alimenter des turbines.

Par roches fracturées
Elle consiste à récupérer la chaleur de roches chaudes en profondeur dans des sous-sols composés de roches naturellement fracturées, grâce à de l’injection d’eau.

(1) De l’eau froide est injectée à 5 000 m de profondeur par un puits.
(2) L’eau circule dans les fractures et se réchauffe au contact de la roche chaude à plus de 200 °C.
(3) L’eau est pompée par la centrale pour remonter à la surface par un 2em puits.
(4) En surface, par l’intermédiaire d’un échangeur thermique, l’eau chaude du circuit primaire se transforme en vapeur dans le circuit secondaire.
(5) La vapeur entraîne une turbine et un alternateur qui produit de l’électricité.
(6) L’eau est ensuite renvoyée dans les roches.

Les systèmes de conversion utilisés en fonction de la température de la ressource

En fonction de la température et de la pression du fluide géothermal, trois techniques permettent de convertir la chaleur en électricité.

Les systèmes de conversion dits directs
Ils peuvent être utilisés si le fluide géothermal est de la vapeur, qui est dans ce cas directement utilisée dans une turbine.

Les systèmes à vaporisation flash
Ils permettent l’exploitation d’un fluide géothermal se présentant sous forme de liquide pressurisé ou de mélange liquide-vapeur. Il s’agit du cycle de surface le plus employé.

Les systèmes de conversion binaire
Ils sont utilisés lorsque la température ou la composition chimique de la ressource géothermale ne permet pas son utilisation directe.
Ils consistent à séparer le circuit en deux, le fluide géothermal et un fluide de travail circulant chacun en boucle fermée. Le transfert de chaleur entre les deux fluides est réalisé via un échangeur.
Deux types de fluides de travail sont utilisés : les fluides organiques (cycles ORC), ou un mélange eau-ammoniac (cycle de Kalina).

La centrale de Soultz-sous-Forêts

La technologie EGS (Enhanced Geothermal System) ou SGS (systèmes géothermiques stimulés) est une solution prometteuse de production de chaleur et d’électricité.
La stimulation est une opération consistant à injecter dans la roche un fluide sous pression à base d’eau pour augmenter la perméabilité du milieu.
A Soultz, on remonte de l’eau d’une température de 200°C circulant à 5 000 m de profondeur dans un réseau de roches fracturées.
Le passage du watt thermique au watt électrique se fait encore aujourd’hui au prix d’un rendement thermodynamique faible : 1,5MW par an d’électricité produite pour 13MW de chaleur extraits.

Cette production propose d’exploiter plusieurs projets.
L’un d’entre eux est de développer sur le plan local les applications agricoles, agro-alimentaires et industrielles utilisatrices de chaleur directe comme des serres géothermiques pour produire fleurs, fruits et légumes au séchage pour la filière bois, de la pisciculture aux installations touristiques ou de loisirs.

La Région Alsace est fortement impliquée dans cette démarche et s’est engagée à développer 5 projets de géothermie profonde en 2015 dans le cadre du Pacte Écologique Alsacien.
Soultz a permis de réaliser d’importants progrès techniques, en particulier sur le rendement des turbines. Un forage à 3 000 mètres pour récupérer une eau autour de 140/150°C devenant suffisant pour coupler une centrale électrique à un réseau de chaleur et faire de la cogénération.

Vidéos

Énergéticien majeur en Alsace depuis plus de 100 ans, acteur local de référence au sein d’EDF, le Groupe ÉS (Électricité de Strasbourg) fait partie des grands acteurs du secteur énergétique français. Co-fondateur du GEIE de Soultz-sous-Forêts, le Groupe ÉS y a développé son expertise et ses compétences depuis plus de 25 ans, et a créé sa filiale ÉS Géothermie spécialisée et reconnue en Europe dans le pilotage de projets géothermiques.
ÉS Géothermie compte déjà plus d’une dizaine de projets et de références en France et à l’international.

 



 

 




 

Principe de fonctionnement ECOGI

Le projet ÉCOGI à Rittershoffen vise à extraire la chaleur du fluide géothermal qui circule dans un réseau faillé à plus de 2 500 m de profondeur pour alimenter, après transport dans une boucle d’eau douce surchauffée, directement les process industriels de l’usine Roquette Frères à Beinheim.
Avec une puissance cible estimée à 24 MWth, et le renfort d’une chaudière biomasse, la chaleur géothermique va permettre à l’usine Roquette de Beinheim de passer de 100% énergie fossile (gaz) à un mix énergétique à 75% d’énergies renouvelables (EnR) (50% d’origine biomasse, 25% d’origine géothermale).
Le projet ÉCOGI permet directement la substitution de 16 000 TEP/an et une réduction des émissions de CO2 de 39 000 t/an.