Qu’est-ce que la géothermie ?

D’où vient la chaleur ?

La chaleur stockée dans l’écorce terrestre a pour origine, à la fois le refroidissement du noyau terrestre (99% de la masse de la terre est à plus de 1 000°C), et surtout la désintégration naturelle des éléments radioactifs contenus dans les roches profondes. A cela s’ajoute, pour les premiers mètres de profondeur, le stockage de la chaleur issue du rayonnement solaire.

Coupe du globe terrestre ©ADEME-BRGM

Grâce aux propriétés thermiques du sous-sol, la température est régulée dès les premiers mètres sous la surface : elle s’affranchit des fluctuations saisonnières et reste constante pour une profondeur donnée.

Expérimenté concrètement par des générations de mineurs de fond et aujourd’hui bien mesuré, l’accroissement de la température en fonction de la profondeur est appelé « gradient   géothermal ». Ainsi, ce gradient   est en moyenne de 4°C tous les 100 m en France, excepté dans le nord de l’Alsace : 10°C/100 m, et au pied des Pyrénées : 2°C/100 m.

Quelles sont les utilisations de cette chaleur ?

Le schéma suivant illustre les différentes utilisations de la chaleur, en fonction de la température récupérée :

• la géothermie superficielle (température inférieure à 30°C), qui permet autant le rafraîchissement que la production de chaleur avec le recours de pompes à chaleur ;
• la géothermie basse énergie (température entre 30 et 90°C) ;
• la géothermie haute énergie (température supérieure à 150°C) ;

Les usages de la géothermie ©ADEME-BRGM

Comment fonctionne la géothermie profonde ?

Pour la géothermie basse et haute énergie, au minimum deux forages sont nécessaires : l’un pour pomper l’eau chaude, l’autre pour réinjecter l’eau refroidie (de manière à protéger l’environnement et à garantir la pérennité de la ressource). En surface, la chaleur contenue dans l’eau est utilisée pour chauffer des bâtiments ou pour des applications industrielles. Dans le cas de la haute énergie, elle est utilisée pour faire tourner une turbine et produire ainsi de l’électricité.

Principe du doublet de forages pour réseau de chaleur géothermique ©ADEME-BRGM

Comment fonctionne la géothermie superficielle ?

Pour la géothermie superficielle, ce sont les propriétés de régulation thermique du proche sous-sol, indépendantes des variations saisonnières, qui sont mises à profit pour des usages très diversifiés (logements individuels et collectifs, bâtiments publics et tertiaires, agriculture, piscines, industrie, surfaces de distribution) :

• pour la production de chaleur, la température est généralement insuffisante pour une utilisation directe ; les calories contenues dans le sous-sol sont extraites à l’aide d’une pompe à chaleur (PAC), à des coûts maîtrisés (généralement moins d’un quart du coût électrique équivalent) ; la constance des températures prélevées assure des rendements supérieurs à ceux observés sur les systèmes captant l’air ambiant ;
• pour le rafraîchissement, le proche sous-sol, qui affiche des températures d’une dizaine de degrés, permet une utilisation directe sans mettre la pompe à chaleur en marche : il s’agit du rafraîchissement passif (ou geocooling), dont les coûts de fonctionnement sont infimes ; les calories prélevées aux bâtiments sont réinjectées dans le sous-sol, ce qui fait de cette filière une solution efficace pour lutter contre les effets d’îlots de chaleur urbains ; dans certains cas, ces calories pourront être réutilisées pour produire de la chaleur en hiver.
• pour le stockage d’énergie dans le milieu souterrain : cela peut s’appliquer pour une installation qui fonctionne en mode réversible pour chauffage et rafraîchissement, mais cela peut répondre également aux problématiques croissantes de stockage de la chaleur « fatale », pour permettre sa valorisation ; ce peut être le cas par exemple de la chaleur produite par une activité industrielle ou un site d’incinération, stockée toute l’année pour pouvoir être valorisée en chauffage au lieu d’être dissipée dans le milieu naturel.

Principe de la pompe à chaleur (PAC) géothermique ©BRGM

L’utilisation de ces atouts thermiques du sous-sol peut se faire :

• en faisant circuler un fluide dans des sondes étanches (systèmes en boucle fermée),
  
• en pompant directement l’eau souterraine lorsqu’une nappe   est présente (systèmes en boucle ouverte).

  

  Schéma de pompe à chaleur sur nappe ©BRGM

L’Ademe a édité en 2017 une brochurerelative à la filière géothermie superficielle. Son contenu, à vocation promotionnelle et pédagogique, est illustré par un panel d’exemples de réalisations diversifiées, dont plusieurs sont en Nouvelle-Aquitaine.