Le site de Soultz-sous-Forêts, niché dans le nord de l'Alsace, est devenu un laboratoire à ciel ouvert pour l'exploration et l'exploitation de la géothermie profonde, une source d'énergie renouvelable prometteuse. Ce projet, fruit d'une collaboration franco-allemande initiée en 1987, vise à exploiter le potentiel thermique des roches chaudes situées à plusieurs kilomètres sous la surface terrestre. L'anomalie de température positive observée à cet endroit, directement liée à la géologie particulière du fossé rhénan, en fait un candidat idéal pour ce type d'exploitation.
Le choix de Soultz-sous-Forêts comme site d'étude pour l'exploitation de la géothermie profonde par stimulation n'est pas fortuit. Il correspond à une anomalie de température positive significative à l'aplomb du fossé rhénan. Les températures de l'eau récupérée en profondeur atteignent ainsi plus de 150°C, voire dépassent les 200°C à des profondeurs de 4 500 à 5 000 mètres.
Cette élévation anormale de la température s'explique par le géotherme particulier du fossé rhénan. Cette région se caractérise par une remontée du manteau terrestre par équilibrage isostatique, comme l'illustre la carte des profondeurs du Moho dans l'Est de la France. La formation du fossé, dans un contexte de divergence tectonique, a engendré un amincissement crustal et un remplissage sédimentaire. Ce phénomène crée un déficit de masse en profondeur par rapport à la situation pré-extension. La remontée du manteau, plus dense, compense ce déficit de masse tout en amincissant la croûte terrestre. De plus, la contrainte extensive agissant sur une croûte cassante se traduit par une fracturation du socle rocheux en profondeur.
Le projet de Soultz-sous-Forêts s'inscrit dans le concept de la géothermie profonde sur roches chaudes et fracturées (HFR - Hot Fractured Rocks). L'idée maîtresse est de tirer parti de la fracturation naturelle des roches en profondeur pour créer un échangeur thermique souterrain. Ce réseau de fractures permettrait la circulation d'eau injectée depuis la surface par un forage. L'eau, en circulant et en se réchauffant au contact des roches, serait ensuite captée par un ou plusieurs autres forages. Après avoir cédé son énergie thermique en surface pour produire de l'électricité, l'eau serait réinjectée dans le réseau de fractures pour un nouveau cycle.
Ce principe, bien que simple en apparence, présente des défis techniques considérables. La circulation de l'eau géothermale au fil du temps peut entraîner le déplacement de particules sédimentaires qui colmatent les failles existantes. Pour pallier ce problème et assurer une circulation d'eau efficace, il est nécessaire de "ré-ouvrir" ces fractures. Cette opération est réalisée par l'injection d'eau sous pression, provoquant un léger glissement des roches le long des fractures. Lorsque la pression est relâchée, les fractures ne se referment plus parfaitement, créant ainsi des espaces suffisants pour permettre la circulation de l'eau.
La restitution d'une circulation d'eau au sein des failles établit un lien entre l'eau de surface, plus froide, et l'eau profonde, chaude. Pour acheminer l'eau et la récupérer au niveau de ces fractures, des puits connectés à la surface ont été forés. Ces puits, souvent appelés puits de production et puits d'injection, forment la boucle géothermique.
Une fois la connexion entre les puits de forage et le réservoir souterrain d'eau géothermale établie, l'eau chaude est pompée vers la surface. L'objectif est d'en extraire les calories pour produire de l'électricité. Le processus implique généralement un fluide intermédiaire, appelé fluide caloporteur. À Soultz-sous-Forêts, l'eau géothermale, atteignant des températures d'environ 180°C à 200°C à la sortie des puits de production (débit d'environ 35 litres/seconde par puits), transmet ses calories à un fluide comme l'isobutane.
L'eau chaude de la première boucle, pompée par des puits tels que GPK 2 et/ou GPK 4, circule à travers un échangeur de chaleur. Dans cet échangeur, elle cède son énergie thermique à l'isobutane, qui est un fluide caloporteur adapté à la conversion de chaleur en électricité. Au sein de la seconde boucle, l'isobutane, enrichi en énergie, se détend à l'entrée d'une turbine. En passant à l'état gazeux, il libère une importante énergie mécanique, qui met en rotation la turbine reliée à un générateur électrique. Cette turbine convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. L'isobutane est ensuite refroidi dans des aérocondenseurs pour être réutilisé dans le cycle.
Il est possible d'estimer la quantité d'énergie thermique potentiellement extractible du sous-sol. Par exemple, si l'on considère un volume de roche de 1 km³ perdant 20°C au profit de l'eau, avec une masse volumique du granite d'environ 3000 kg/m³ et une capacité thermique spécifique de 837 J/kg/K, la quantité d'énergie thermique obtenue peut être calculée. Une application numérique donne une énergie de 5,0 x 10¹⁶ Joules. Pour comparaison, une tonne équivalent pétrole (Tep) vaut 42 GJ. Le potentiel théorique est donc considérable : 1 km³ de roches refroidi de 20°C par circulation d'eau permettrait de libérer une chaleur équivalente à la combustion de 1,275 million de Tep.
Le projet expérimental de centrale géothermique de Soultz-sous-Forêts est le fruit de plusieurs années de recherche et d'exploration du sous-sol alsacien. Initié dans le cadre d'un accord de coopération franco-allemand, il a bénéficié dès 1989 du soutien financier de la Commission européenne. Ce projet est aujourd'hui considéré comme le plus avancé au monde dans le domaine de la géothermie profonde sur roches chaudes fracturées.
Le pilotage scientifique du projet est assuré par l'« European Hot Dry Rock Association », regroupant de nombreuses équipes scientifiques françaises (BRGM, CNRS, universités) et allemandes, ainsi que des participants suisses, anglais, japonais et américains. L'Ademe joue un rôle clé dans ce programme depuis son origine, ayant contribué à son financement et à l'organisation des audits essentiels à son développement.
La mise en place d'un premier groupe turboalternateur de 1,5 MW a marqué une étape importante. Le coût total du programme s'élève à environ 114 millions d'euros, répartis entre la Communauté européenne, l'Allemagne et la France. Depuis 1995, le projet est géré par un GEIE (Groupement européen d'intérêt économique) appelé « Exploitation Minière de la Chaleur », regroupant des industriels français et allemands.
Les conditions hydrogéologiques particulières nécessaires au développement de cette technologie limitent le potentiel économiquement accessible. Néanmoins, en Alsace, ces conditions semblent réunies sur une superficie de 4 000 km², représentant un potentiel d'énergie électrique exploitable de façon pérenne de 2 000 à 3 000 MW, en limitant l'exploitation à environ 5% de la surface favorable. D'autres zones en France, comme le couloir rhodanien et la plaine de la Limagne, présentent des conditions similaires avec des potentiels équivalents.
Le projet Soultz-sous-Forêts a traversé plusieurs phases :
Une nouvelle centrale géothermique est actuellement en projet à Soultz-sous-Forêts, portée par Électricité de Strasbourg (ÉS). Ce projet, d'un coût de 30 millions d'euros pour le doublet géothermique (puits de production, puits d'injection et conduite de liaison), vise à confirmer la présence d'une ressource exploitable à partir de 150 degrés avec un débit significatif. Trois scénarios d'exploitation sont envisagés : production d'électricité seule, production de chaleur seule, ou une production combinée des deux. Cette dernière option semble privilégiée si la ressource le permet.
Depuis 1987, Électricité de Strasbourg a investi 85 millions d'euros sur le site de Soultz-sous-Forêts. Le nouveau projet vise à créer des emplois, à stimuler l'activité économique locale et à alimenter un maximum de bâtiments en électricité et en chaleur, en partageant la valeur créée avec le territoire. Les discussions sont en cours avec les élus locaux et les agences de développement pour concrétiser ces ambitions.
L'énergie géothermique exploite la chaleur interne de la Terre. Cette chaleur est le résultat de plusieurs processus :
La température croît avec la profondeur selon un gradient géothermique, qui peut être influencé par des anomalies locales, comme c'est le cas dans le fossé rhénan. Deux mécanismes principaux régissent le transfert de chaleur au sein de la Terre :
Ces principes fondamentaux régissent la disponibilité et l'accessibilité de l'énergie géothermique, faisant de sites comme Soultz-sous-Forêts des laboratoires précieux pour le développement de technologies visant à exploiter cette ressource renouvelable.
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