L'exploitation de l'énergie géothermique connaît un nouvel essor, intimement lié à la décarbonation du mix énergétique, tant au niveau français qu'international. Cette énergie, issue de la chaleur intrinsèque du sous-sol terrestre, offre une alternative prometteuse aux énergies fossiles, particulièrement pertinente dans le contexte de la lutte contre le changement climatique. Les villes, consommant plus des deux tiers de l'énergie mondiale, jouent un rôle capital dans cette transition. Une part considérable de leur consommation énergétique est dédiée au chauffage et au refroidissement, rendant l'amélioration de l'efficacité énergétique primordiale. La géothermie, par sa nature constante et son faible impact environnemental, s'impose comme un pivot essentiel dans cette démarche.
La géothermie, dont le nom dérive des termes grecs "gê" (terre) et "thermos" (chaud), désigne l'ensemble des techniques visant à récupérer la chaleur naturellement présente dans le sous-sol et les nappes d'eau souterraines (aquifères) pour l'utiliser comme source d'énergie. Le principe est simple : puiser de l'eau chaude en profondeur pour produire de la chaleur. La température du sous-sol augmente avec la profondeur, suivant un gradient thermique moyen d'environ 3 °C tous les 100 mètres à l'échelle mondiale.
Selon la température du sous-sol, les méthodes de récupération de la chaleur et son exploitation varient. On distingue plusieurs niveaux de température :
Les échangeurs thermiques jouent un rôle clé dans l'exploitation des avantages de l'énergie géothermique. Ils sont les dispositifs qui permettent le transfert de chaleur entre le fluide géothermal (eau ou vapeur extraite du sous-sol) et le fluide du réseau de distribution (généralement de l'eau de circuit secondaire). La conception et la performance de ces échangeurs sont cruciales pour l'efficacité globale du système.
Cependant, l'eau des nappes phréatiques et des profondeurs peut contenir des niveaux élevés de chlorure et autres impuretés. Ces substances peuvent entraîner de la corrosion, de l'entartrage et une diminution des performances de l'échangeur au fil du temps. Un échangeur thermique qui fonctionne mal impacte directement la sécurité, la qualité du produit (dans le cas d'applications industrielles) et les coûts énergétiques. C'est pourquoi la fiabilité et la performance des échangeurs sont d'une importance capitale.
L'Institut AHRI* (Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute) est un organisme indépendant qui contrôle les performances thermiques des échangeurs. Il assure que les valeurs nominales publiées par le fabricant seront respectées, garantissant ainsi la fiabilité des installations. Des entreprises comme Alfa Laval, avec près d'un siècle d'expérience dans le transfert et la récupération de chaleur, proposent des solutions d'échangeurs thermiques spécifiquement conçues pour résister aux conditions parfois difficiles rencontrées dans les applications géothermiques, tout en optimisant le transfert d'énergie. La surveillance à distance et les préconisations sur mesure permettent un fonctionnement plus précis et efficace, une prise de décision éclairée et des interventions ciblées pour maintenir les performances optimales.
Les villes, par leur concentration d'activités et leur forte consommation énergétique, sont des acteurs centraux de la lutte contre la crise climatique. L'amélioration de l'efficacité énergétique dans ces environnements est primordiale. La géothermie offre une réponse concrète aux impératifs de décarbonation, s'inscrivant parfaitement dans les engagements climatiques des municipalités et des grands groupes.
Les municipalités et les distributeurs d'énergie ont l'habitude de travailler sur les problématiques des réseaux de chaleur urbain. La géothermie est une solution idéale pour alimenter ces réseaux. Un principe typique consiste à prélever de l'eau chaude à une profondeur considérable, souvent plus de 1 500 mètres, via un réseau de conduits primaire. Cette eau chaude est ensuite utilisée pour chauffer, à la surface, un circuit d'eau secondaire grâce à un échangeur thermique. L'eau chauffée du circuit secondaire est ensuite injectée dans le réseau de chaleur urbain pour alimenter les bâtiments. En parallèle, l'eau qui a été prélevée dans la nappe aquifère est réinjectée dans le sous-sol, assurant ainsi la pérennité de la ressource.
Un exemple concret est le projet d'équipement d'un vaste réseau de chaleur dans la province d'Izmir en Turquie, mené par Alfa Laval. Pour de tels projets d'envergure, le choix du fournisseur est crucial. Il doit être en mesure de prouver une forte capacité pour les services après-vente et une préparation adéquate aux situations d'urgence, garantissant ainsi la continuité de l'approvisionnement.
Les plateformes aéroportuaires, par leur taille et leur consommation énergétique, représentent un potentiel considérable pour l'adoption de solutions géothermiques. La géothermie s'inscrit dans les engagements climatiques de groupes comme ADP (Aéroports de Paris).
À Paris-Charles de Gaulle, la mise en place d'une infrastructure de géothermie, initialement prévue pour le Terminal 4, a été réorientée vers les installations existantes, au niveau de la centrale thermofrigo électrique (CTFE). Ce projet s'inscrit pleinement dans la feuille de route « 2020 Pioneers », visant à décarboner les infrastructures existantes pour réduire significativement les émissions de CO2. Ce projet ambitieux permet une économie de 19 000 tonnes de CO2 par an, soit environ 35 % des émissions internes du groupe ADP sur la plateforme Paris-Charles de Gaulle.
La gestion d'un tel projet est un travail de longue haleine, nécessitant la collaboration d'équipes pluridisciplinaires (design, pilotage, contrôle, etc.) pour assurer sa cohérence et sa réussite. L'étude de faisabilité a débuté en 2021, suivie des études de conception d'avant-projet (AVP) puis des études de projet (PRO) jusqu'à la mi-2022. Les autorisations administratives de recherche minière pour les forages ont été obtenues fin juin 2023, permettant le début des travaux préparatoires en juillet 2023. Les forages dans la nappe aquifère sont prévus pour septembre 2024, pour une durée de trois mois, avec une mise en service de l'installation de géothermie attendue courant 2026. Les aéroports Paris-Orly et Paris-Le Bourget sont également en cours de conversion à la production de chaleur à partir de la géothermie.
Marc Donnart souligne que la géothermie est une énergie renouvelable disponible toute l'année, très peu polluante. Bien que l'investissement initial soit important, elle devient ensuite une énergie économique, peu dépendante des fluctuations des énergies fossiles et bien maîtrisée. Le recours à la géothermie s'inscrit dans une démarche plus globale de sobriété énergétique et de réduction de l'impact carbone.
Bien que la géothermie soit une source d'énergie théoriquement accessible partout, sa production à grande échelle présente certains défis. La température au centre de la Terre est comparable à celle de la surface du soleil (6 000 °C), mais l'exploitation de cette chaleur n'est pas tributaire des conditions météorologiques, un avantage majeur par rapport aux énergies solaire et éolienne. Contrairement à ses consoeurs, elle présente l'avantage non-négligeable de ne pas dépendre des aléas météorologiques.
La chaleur géothermique est généralement exploitée en pompant de l'eau chaude à une profondeur allant de 1,5 à 3 kilomètres sous terre. Cependant, les régions riches en sources chaudes peu profondes et autres réservoirs d'eau chaude naturels sont rares. Pour accéder à la chaleur à n'importe quel point de la planète, les entreprises géothermiques, dont la profondeur maximale de forage est généralement de 5 kilomètres, seraient dans l'obligation d'aller beaucoup plus profondément, ce qui implique des moyens financiers et techniques considérablement accrus.
Les coûts initiaux de développement des systèmes géothermiques restent élevés, s'élevant à environ 2 000 € par kilowatt installé pour les installations les plus importantes, soit près du double des parcs éoliens. L'exploration et le forage de nouveaux réservoirs représentent généralement la moitié des coûts totaux. Cependant, les systèmes géothermiques s'avèrent plus compétitifs sur le long terme puisqu'ils requièrent une maintenance moindre. De plus, les centrales géothermiques sont généralement assez compactes, occupant moins d'espace par GWh que les parcs solaires ou éoliens.
Le secteur pétrolier et gazier apporte son expertise à la géothermie. À mesure que la géothermie se taille une place de choix au sein des énergies vertes, elle offre aux sociétés pétrolières l'opportunité d'appliquer leur savoir-faire en exploration et forage dans un secteur renouvelable. Chevron et BP ont ainsi investi dans des sociétés de géothermie, démontrant l'intérêt grandissant de ces acteurs. Avec la multiplication des startups géothermiques, les géants du secteur pétrolier et gazier ont l'occasion de contribuer par le transfert de compétences techniques, l'investissement dans des entreprises prometteuses et le développement de nouvelles technologies.
Des innovations technologiques visent à surmonter les défis actuels :
L'idée d'exploiter la chaleur du sous-sol, y compris celle générée dans les infrastructures de transport comme les métros, pour chauffer des logements prend de plus en plus d'ampleur. Ces "géostructures énergétiques" font partie de la famille des dispositifs géothermiques de surface, installés dans le proche sous-sol.
Le principe consiste à utiliser les fondations de bâtiments ou les ouvrages de génie civil (tunnels, stations de métro) comme échangeurs géothermiques, en y intégrant des tubes échangeurs de chaleur lors de leur construction. Ces éléments, nécessaires structurellement, se voient ainsi conférer une double fonction énergétique, permettant de faire l'économie de forages dédiés. Le surcoût est souvent très faible par rapport aux bénéfices obtenus.
Plusieurs projets illustrent ce potentiel :
Ces projets, bien qu'encore sous-exploités, représentent une solution avantageuse tant sur le plan économique qu'environnemental. Ils fournissent un fond d'énergie non intermittente, qui peut être complété par des énergies intermittentes.
L'intégration de la géothermie dans les projets de construction, notamment pour les géostructures énergétiques, nécessite une collaboration étroite entre les différents corps de métier dès la phase de conception (bureaux d'études géotechniques et thermiques, architectes, maîtres d'ouvrage). La méconnaissance de cette technologie peut également générer de la frilosité chez les contrôleurs techniques, chargés d'homologuer les installations.
Cependant, les études récentes montrent que les cycles de chauffage et de refroidissement n'affectent généralement pas la résistance des ouvrages. Les résultats des projets en cours, comme ThermetRennes, sont attendus avec intérêt pour confirmer ces observations.
Malgré les coûts initiaux parfois élevés et la nécessité de surmonter des obstacles administratifs et techniques, la géothermie s'impose comme une énergie d'avenir incontournable. Sa capacité à fournir une chaleur constante, son faible impact environnemental et son potentiel d'intégration dans les infrastructures urbaines en font un pilier de la transition énergétique. L'innovation continue dans les techniques de forage, le développement de systèmes plus efficaces et l'exploitation de ressources jusqu'alors inexploitées promettent un déploiement encore plus large de cette énergie propre et durable dans les années à venir. La géothermie, en exploitant la chaleur de notre propre planète, offre une voie concrète vers un avenir énergétique plus sobre et respectueux de l'environnement.
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