Face à l'urgence climatique, matérialisée par l'Accord de Paris de 2016, la France s'est engagée dans une voie ambitieuse de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). En 2016, la consommation d'énergie d'origine fossile représentait 70 % des GES, et 61 % de la chaleur produite provenait également de ces sources non durables. La loi relative à la Transition Énergétique pour la Croissance Verte (LTECV) de 2015, complétée par la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC) et la Programmation Pluriannuelle de l'Énergie (PPE), trace la feuille de route de la France vers la neutralité carbone en 2050. Ces outils législatifs et stratégiques visent à maîtriser la demande d'énergie, à en réduire les coûts, à promouvoir les énergies renouvelables et à garantir la sécurité d'approvisionnement. Dans ce contexte, le recours à un mix énergétique diversifié, incluant la géothermie, apparaît comme une solution incontournable, aucune source d'énergie unique ne pouvant satisfaire l'ensemble des besoins.
La géothermie, issue des termes grecs "géo" (Terre) et "thermos" (chaleur), est une technologie exploitant la chaleur intrinsèque du sous-sol terrestre. Cette ressource énergétique, disponible en continu et indépendante des conditions climatiques, offre un potentiel considérable pour la production de chaleur et d'électricité. La température du sous-sol, stable à partir d'une dizaine de mètres de profondeur, augmente avec la distance à la surface, un phénomène appelé gradient géothermique.
La valorisation de la chaleur terrestre dépend intrinsèquement de sa température, conduisant à différentes classifications de la géothermie :
Géothermie très basse température (< 30 °C) : Cette catégorie concerne l'exploitation de la chaleur des sols et des nappes phréatiques à des profondeurs inférieures à 200 mètres. Elle nécessite l'utilisation de pompes à chaleur (PAC) pour élever la température et la rendre utilisable pour le chauffage, le rafraîchissement, la climatisation et la production d'eau chaude sanitaire. Cette approche est particulièrement développée en France, étant la moins coûteuse et la plus facile à mettre en œuvre, tout en présentant un risque minimal grâce aux systèmes en boucle fermée. Dans les Hauts-de-France, par exemple, la température du sous-sol jusqu'à 200 mètres de profondeur se situe entre 10 et 14 °C en moyenne, rendant l'usage d'une PAC indispensable.
Géothermie basse température (30 à 90 °C) : Cette forme de géothermie exploite des gisements situés dans des aquifères profonds, à des profondeurs allant de quelques centaines de mètres à environ 2 500 mètres. La température atteinte, bien qu'insuffisante pour la production d'électricité, est idéale pour alimenter des réseaux de chaleur urbains ou des procédés industriels et agricoles. En Île-de-France, par exemple, de nombreux doublets géothermiques sont installés pour chauffer des quartiers entiers en utilisant des aquifères profonds situés entre 1,5 et 2 km de profondeur, avec des températures moyennes comprises entre 60 et 85 °C.
Géothermie moyenne énergie (généralement supérieure à 90 °C) : Les projets de géothermie moyenne énergie visent des profondeurs plus importantes et des températures plus élevées, permettant de produire de la chaleur, et dans une moindre mesure, de l'électricité, voire les deux simultanément.
Géothermie haute température (90 à 150 °C) : À ces températures, la chaleur peut être captée sous forme de vapeur ou d'eau chaude. Ces gisements se trouvent dans des zones ciblées à moins de 1 000 mètres de profondeur, ou dans des bassins sédimentaires entre 2 000 et 4 000 mètres. La chaleur est alors utilisée pour générer de l'électricité grâce à des turbines, comme c'est le cas dans des installations telles que la centrale de Bouillante en Guadeloupe, située dans une zone volcanique active.
Géothermie très haute température (> 150 °C) : Cette catégorie est associée à des réservoirs fracturés, c'est-à-dire des zones du sous-sol présentant des failles naturelles. L'exploitation implique des forages profonds (souvent au-delà de 1 500 mètres) pour faire remonter l'eau présente dans ces fractures. Dans certains cas, de l'eau est injectée sous pression pour produire de la vapeur. La centrale géothermique de Soultz-sous-Forêts, dans le fossé rhénan, en est un exemple, captant une ressource d'environ 165 °C à 5 000 mètres de profondeur pour produire de l'électricité. Le champ géothermal de Larderello en Italie, pionnier de la production électrique géothermique dès 1904, illustre également ce potentiel.
La mise en œuvre de la géothermie repose sur deux procédés principaux, différenciés par leur profondeur d'action et leur technologie :
Exploitant l'inertie thermique du sous-sol dans les premiers 200 mètres, ce procédé utilise la chaleur ambiante pour le chauffage et le froid. L'énergie est généralement captée via :
Le procédé sur nappe : Il consiste à utiliser l'eau d'une nappe phréatique (système ouvert) ou d'un aquifère profond. Un doublet (ou multiplet) de forages est mis en place : un premier pour le pompage de l'eau, et un second pour sa réinjection dans la même nappe, conformément à la réglementation. Le transfert d'énergie s'effectue via un échangeur géothermique, sans que l'eau pompée ne soit directement réinjectée dans le réseau de distribution. La faisabilité de ce procédé dépend de la disponibilité et de la pérennité de la ressource en eau, de l'influence des pompages voisins, de la qualité de l'eau et de la possibilité de réinjection. Dans le Nord et le Pas-de-Calais, bien que la géothermie profonde ne soit pas encore exploitée faute de connaissances géologiques suffisantes, un potentiel pourrait exister dans le Hainaut, par analogie avec les développements en Belgique.
Le procédé sur sondes verticales : Ce système utilise un champ de sondes géothermiques, qui sont des forages de petit diamètre dans lesquels circule un fluide caloporteur (eau glycolée) via une sonde verticale. Ces sondes transfèrent l'énergie du sous-sol à un échangeur. Elles sont scellées dans le terrain par un ciment thermiquement adapté. Le nombre de sondes est proportionnel à la puissance de la pompe à chaleur. Ce procédé est applicable sur environ 90 % du territoire et dépend de moins de paramètres que le procédé sur nappe. Il est particulièrement adapté en milieu urbain dense, où les sondes peuvent être disposées sous le bâtiment.
La performance d'une installation de géothermie de surface est évaluée par le Coefficient de Performance (COP) en mode chauffage et le coefficient d'efficacité frigorifique (EER) en mode rafraîchissement-climatisation. Les machines actuelles atteignent des performances moyennes de 4 à 5 pour le COP, signifiant que 1 kW d'électricité peut fournir 5 kW de chaleur, les 4 kW restants étant l'énergie prélevée au sous-sol. L'EER peut atteindre 6.
La géothermie profonde exploite des réservoirs géothermiques situés à des profondeurs moyennes de 1 000 à 3 000 mètres, avec des températures comprises entre 30 et 80 °C pour les réseaux de chaleur, et supérieures à 100 °C pour la production d'électricité.
Production de chaleur : Dans le Bassin parisien, par exemple, on capte à 2 000 mètres de profondeur une chaleur d'environ 80 °C, utilisable pour alimenter des réseaux de chaleur, des procédés industriels ou agricoles.
Production d'électricité : Lorsque la température est suffisamment élevée, la géothermie profonde permet la production d'électricité. Les deux installations françaises emblématiques sont :
Dans les zones volcaniques, la chaleur du centre de la Terre remonte et réchauffe d'immenses poches d'eau. Ce fluide, sous pression et chargé en minéraux, est extrait par forage. Lors de sa remontée, il perd de la pression et arrive à la surface sous forme d'un mélange d'eau et de vapeur. Ces éléments sont séparés, la vapeur actionne une turbine couplée à un alternateur pour produire de l'électricité, puis est condensée et réinjectée dans le réservoir d'origine via un second puits.
Une alternative pour la production d'électricité à partir de ressources à température plus basse est la centrale à cycle organique de Rankine (ORC). Dans ce système, le fluide géothermal cède son énergie à un fluide organique (comme l'isobutane) qui se vaporise à plus basse pression et température. La vapeur produite actionne une turbine, puis est condensée et recyclée.
La mise en œuvre d'un projet géothermique, quel que soit son type, suit généralement quatre étapes clés :
Étude de pertinence : Cette première phase, réalisée sans travaux, consiste en une analyse documentaire du contexte géologique, hydrogéologique, environnemental et réglementaire, ainsi qu'une première évaluation des besoins thermiques du bâtiment. Pour des projets d'envergure comme le déménagement du siège de la Métropole Européenne de Lille (MEL) dans le bâtiment "Biotope", cette étude a permis d'identifier l'absence de contraintes majeures et la présence d'aquifères exploitables (craie du Sénonien-Turonien et calcaire carbonifère). L'objectif de rester sous un certain seuil de débit d'exploitation (80 m³/h) était crucial pour éviter des délais administratifs incompatibles avec le calendrier de construction.
Étude de faisabilité : Si la première étape est concluante, cette phase implique la réalisation d'un forage d'essai ou d'une sonde verticale test. Pour le projet "Biotope", un forage d'essai (Fr1cr) a été créé en octobre 2017 pour capter la nappe de la craie. Ce forage de 24,5 mètres a été développé par acidification pour "ouvrir" les fissures et augmenter la productivité.
Dimensionnement des ouvrages d'exploitation : L'interprétation des essais réalisés lors de l'étude de faisabilité permet de définir précisément les besoins thermiques et de dimensionner les forages d'exploitation. Pour le procédé sur nappe, cela implique de déterminer le débit d'exploitation du doublet et l'espacement des ouvrages.
Réalisation et exploitation : Cette dernière étape concerne la construction et la mise en service de l'installation.
Bien que les investissements initiaux en géothermie puissent être plus importants que pour les énergies fossiles, le recours à cette énergie se révèle économiquement très intéressant sur le long terme. La durée de vie des ouvrages souterrains est considérée comme illimitée pour les sondes verticales et supérieure à 40 ans pour les procédés sur nappe, à condition qu'ils soient réalisés dans les règles de l'art. Les pompes à chaleur peuvent fonctionner pendant plus de 25 ans. En termes d'économie d'exploitation en chauffage, le recours à la géothermie peut atteindre 60 % du coût de l'énergie primaire de référence (le gaz).
La géothermie présente de nombreux avantages significatifs pour la transition énergétique :
Cependant, des défis subsistent :
La France dispose d'un potentiel géothermique significatif, notamment dans le Bassin aquitain et en Île-de-France pour la géothermie basse température, et dans les départements d'Outre-Mer pour la géothermie haute température. Le pays compte une soixantaine de réseaux de chaleur urbains alimentés par la géothermie basse énergie.
La réglementation, notamment le Code Minier, classe les gîtes géothermiques en haute et basse température selon la température du fluide au forage (< ou > 150 °C). La géothermie de "minime importance" bénéficie de régimes administratifs simplifiés, sous réserve de qualifications spécifiques pour les entreprises de forage et les experts.
L'innovation continue dans le domaine de la géothermie, avec l'intégration de technologies intelligentes comme le monitoring par capteurs IoT, la régulation prédictive par intelligence artificielle, et le couplage avec le solaire thermique ou photovoltaïque. Ces avancées transforment les installations géothermiques en systèmes autonomes et optimisés, renforçant leur compétitivité et leur intégration dans les écosystèmes des bâtiments intelligents et des communautés d'énergie.
En conclusion, la géothermie, dans ses diverses formes, représente une pierre angulaire de la transition énergétique. Exploitant une ressource propre, stable et abondante, elle offre une alternative concrète aux énergies fossiles, contribuant ainsi à la lutte contre le dérèglement climatique et à la construction d'un avenir énergétique plus durable. Son développement, bien que confronté à des défis techniques et financiers, est essentiel pour atteindre les objectifs ambitieux fixés par la France et la communauté internationale.
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