La géothermie peut se définir simplement comme l'exploitation de la chaleur contenue naturellement dans le sous-sol.
Cette chaleur est produite pour l'essentiel par la radioactivité naturelle des roches constituant l'écorce (ou croûte) terrestre. Elle provient également, pour une faible part, des échanges thermiques avec les zones internes de la Terre, dont les températures s'étagent de 4 300 °C à 1 000 °C.

Gradient géothermal et flux de chaleur terrestre
La présence de chaleur dans le sous-sol se traduit par des manifestations de surface (volcans, fumerolles, geysers, sources chaudes, ...) bien connues, mais aussi et surtout par une augmentation constante de la température avec la profondeur.
Cette augmentation de température ou gradient géothermal est en moyenne de l'ordre de 30°C par km et peut atteindre dans certains zones (zones volcaniques notamment) jusqu'à plusieurs centaines de °C par km. plusieurs centaines de °C par km.
Le flux de chaleur terrestre - c'est à dire la quantité de chaleur, par unités de surface et de temps, transmise des profondeurs vers la surface - est de l'ordre de 0,060 W/m2 ; son intensité est ainsi environ 7 000 fois moins importante que celle du flux de chaleur dû au rayonnement solaire. Contrairement à l'énergie du soleil, l'énergie géothermale est donc plus une énergie stockée qu'une énergie renouvelable. Son potentiel, théoriquement disponible, reste cependant absolument considérable.

Gisement géothermal

La chaleur terrestre n'est en principe exploitable que lorsque les formations géologiques qui constituent le sous-sol renferment des aquifères dans lesquels circule de l'eau.
L'eau présente - et qui s'est réchauffée au contact des roches - peut alors être captée au moyen de forages. On véhicule ainsi la chaleur emmagasinée des profondeurs vers la surface pour ensuite l'exploiter.
C'est la raison pour laquelle on parle de ressources géothermales ou de gisement géothermal.

Un gisement géothermal est constitué de trois éléments principaux :
- une source de chaleur
- une roche réservoir
- un fluide
La source de chaleur peut être, soit simplement le flux de chaleur terrestre local, soit une intrusion magmatique à très haute température (> 600 °C), relativement proche de la surface (moins de 5 km).Le réservoir est une formation rocheuse perméable, appelée aussi aquifère, et dans laquelle doit circuler un fluide.

La perméabilité est soit :
- une perméabilité de pores (le fluide géothermal imprègne les pores de la roche dans lesquels il circule - cas du calcaire, du grès, ...),
- une perméabilité de fractures ou de fissures (le fluide géothermal circule dans la roche fracturée ou fissurée - cas du granite par exemple).

Le fluide géothermal se présente, selon la température et la pression dans le réservoir, soit sous forme de vapeur, soit sous forme de liquide ou soit sous la forme d'un mélange des deux. Les fluides géothermaux sont le plus souvent des eaux dites "météoriques" (eau de pluie, généralement) qui ont pénétré et circulé dans la croûte terrestre et se sont réchauffées au contact des roches. Ils contiennent des éléments chimiques dissous (sels minéraux, gaz) acquis au cours de la circulation du fluide au contact de la roche réservoir.

Les premières formes d'utilisation de la géothermie se perdent dans la nuit des temps (sources chaudes pour leurs vertus curatives, cuisson et séchage des aliments grâce aux fumerolles, récupération de soufre...), mais ce n'est qu'au début du XXème siècle - avec notamment les premiers essais de production d'électricité sur le site de Larderello en Toscane en 1904 - qu'un développement industriel de la géothermie commence sérieusement à être envisagé.
La géothermie va progressivement se développer dans plusieurs directions ; la grande variété des ressources géothermales existantes offrant la possibilité de couvrir un grand nombre d'usages et cela à l'aide de nombreuses techniques de valorisation.

LA PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ

Nature des ressources exploitées
C'est principalement la domaine de la géothermie haute énergie.
Les ressources géothermales exploitées sont contenues dans des gisements situés à une profondeur généralement comprise entre 1 000 m et 3 000 m.
Le fluide géothermal y circule dans des fractures et se présente le plus souvent sous la forme d'un mélange d'eau et de vapeur d'eau, à une température comprise entre 200 et 350 °C (Cf. page précédente le schéma d'un gisement géothermal dit de " haute énergie ").
Ces gisements se rencontrent dans des zones de volcanisme actif ou ancien ou dans des zones de tectonique active (c'est à dire aux frontières des plaques tectoniques). Exemple : "la ceinture de feu" - zone qui circonscrit l'Océan Pacifique avec la présence d'une activité volcanique (et géothermique) en Nouvelle-Zélande, en Indonésie, aux Philippines, au Japon, au Katchamka, dans les îles Aléoutiennes, en Alaska, Californie, Mexique, Amérique centrale, et dans la Cordillère des Andes.
Les mêmes zones, mais un peu moins chaudes peuvent donner lieu à des gisements dits de moyenne énergie. Les ressources géothermales se présentent alors sous forme d'eau chaude dont la température est comprise entre 90°C et 180°C. Elles peuvent être exploitées pour des usages thermiques, mais elles le sont le plus généralement pour de la production d'électricité.

Les principales techniques utilisées
Deux techniques de conversion thermo-électrique sont utilisées :
la technique du cycle à vapeur d'eau, où le fluide géothermal est directement utilisé pour produire de l'électricité par détente dans une turbine de sa fraction vapeur. Cette technique est utilisée pour la valorisation des gisements haute énergie.
La puissance électrique unitaire des installations varie de quelques MW à plusieurs dizaines de MW.
á la technique du cycle de Rankine à fluide organique (ou cycle à fluide binaire) - pour la valorisation des ressources de moyenne énergie.
Le fluide géothermal cède préalablement sa chaleur à un second fluide - présentant la propriété de se vaporiser à faible pression. En se détendant dans une turbine, ce second fluide assure alors la conversion thermo-électrique de l'énergie qu'il a reçue.
La puissance électrique unitaire des installations varie de quelques centaines de kW à quelques MW.
Situation de la filière
La production d'électricité d'origine géothermale est une activité présente dans une vingtaine de pays.

La puissance mondiale installée s'élève à environ 10 000 MW, pour une production annuelle de l'ordre de 50 TWh ; ce qui fait actuellement de cette énergie la troisième source de production d'électricité d'origine renouvelable après l'hydroélectricité et la biomasse.
En France, ce secteur d'activité concerne plutôt les DOM (Martinique, Guadeloupe et Réunion), avec notamment le site de Bouillante en Guadeloupe (15 MW installés).

LES USAGES THERMIQUES

Nature des ressources exploitées

Contrairement aux ressources précédentes, les ressources géothermales exploitées pour des usages thermiques se rencontrent plutôt dans des zones géologiquement stables ou calmes.

Les différents types de gisements exploités sont les suivants :
á Dans les grands bassins sédimentaires, la succession des terrains montre la présence fréquente de couches poreuses et perméables (calcaires, grès, conglomérats, sables, ...) contenant des aquifères.
La température du fluide géothermal peut être comprise entre 50 et 100 °C pour des profondeurs de l'ordre de 1 000 à 2 500 m.
Ces gisements sont de grande extension et ils offrent généralement une grande continuité horizontale, ce qui permet d'extrapoler les données connues en un site à d'autres sites voisins. Leur exploitation est uniquement à usages thermiques (chauffage d'habitations, de serres agricoles, pisciculture, utilisation dans des processus industriels, ...) ; on parle dans ce cas là de géothermie basse énergie.

L'exemple type est le réservoir du Dogger dans le Bassin Parisien : situé entre 1 500 et 2 000 m de profondeur, il s'étend sur environ 15 000 km2. L'eau qu'il renferme présente une température moyenne de 70 °C et des débits voisins de 200 m3/h par puits (voire plus) . Cette ressource est principalement exploitée pour des utilisations de chauffage urbain avec réseau de chaleur (plus de trente installations sont actuellement en service).

Plus près de la surface, des nappes aquifères peu profondes dont la température est comprise entre 10 et 30 °C peuvent être également exploitées au moyen de pompes à chaleur, généralement pour le chauffage et/ou la climatisation d'immeubles. C'est le domaine de la géothermie très basse énergie.
Les gisements de basse et très basse énergies sont largement répandus à la surface du globe terrestre.

C'est ce type de gisements que l'on trouve majoritairement en France avec deux bassins sédimentaires importants (le Bassin Parisien et le Bassin Aquitain) renfermant à différentes profondeurs plusieurs réservoirs, et en surface de nombreuses nappes aquifères (nappes alluviales des grands fleuves - Rhin, Seine, Rhône - nappes de la craie, nappes des calcaires de Beauce, etc.)

Les principales utilisations

Les usages thermiques de la géothermie sont très nombreux.

Le chauffage des bâtiments
Le chauffage de bâtiments par géothermie peut être assuré soit de façon centralisée par le biais de réseaux de chaleur (on valorise plutôt dans ce cas des ressources géothermales basse énergie), soit de façon plus individuelle (sont alors valorisées des ressources plus superficielles par le biais de pompes à chaleur).

Les réseaux de chaleur géothermiques
Le chauffage des habitations, à l'aide de réseaux de chaleur, est le premier poste d'utilisation de la géothermie en France (environ 150 000 logements sont ainsi chauffés). C'est un secteur important pour quelques pays dans lesquels existent des ressources à proximité de zones largement urbanisées, comme en France, en région parisienne, ou en Islande, à Riekjavik.
Pour fixer un ordre de grandeur, une opération-type de la région parisienne permet de chauffer environ 4 000 à 5 000 logements. Outre le chauffage, ces opérations peuvent aussi couvrir des besoins en eau chaude sanitaire.

Les pompes à chaleur sur eau de nappe
L'utilisation de ressources géothermales dont la température est inférieure à 30 °C (cas des nappes superficielles ou nappes phréatiques, et des nappes peu profondes) nécessite l'emploi de pompes à chaleur, compte tenu du faible niveau de température de la ressource.

Une pompe à chaleur (ou PAC) est un système thermodynamique qui permet de prélever de la chaleur à bas niveau de température (cas des ressources géothermales précédemment citées) pour la transférer dans un autre milieu à un niveau de température plus élevé. On assure ainsi le chauffage de locaux.
Une pompe à chaleur peut aussi fonctionner dans l'autre sens - on parle, dans ce cas, de pompe à chaleur réversible - elle peut assurer alors la climatisation ou le rafraîchissement de ces mêmes locaux (prélèvement de chaleur dans les locaux - d'où rafraîchissement - et rejet de la chaleur prélevée dans la nappe).

En France, on dénombre plusieurs milliers d'installations de ce type. Elles concernent principalement les grand et moyen tertiaires (immeubles de bureau, bâtiments de santé, hôtellerie, voire grandes surfaces commerciales) - et depuis plus récemment, l'habitat collectif.

Parmi les opérations emblématiques de cette technique, on peut citer par exemple, le bâtiment abritant le Parlement Européen à Strasbourg, l'immeuble du siège de la société Avantis à Lyon, plusieurs tours du quartier de la Défense, sans oublier bien évidemment la Maison de la Radio à Paris.

Le chauffage de serres
La chauffage des serres constitue une cible privilégiée pour la géothermie dans la mesure où les besoins en énergie y sont élevés. Ainsi sous nos latitudes, il faut en moyenne 200 tonnes de fioul par hectare et par an pour les cultures maraîchères et environ 400 tonnes/ha/an pour les cultures florales ; la croissance optimale des plantes est fonction de la température et varie selon le type de culture - par exemple, l'optimum de croissance s'obtient à 14 °C pour la laitue, 20 °C pour la tomate, 28 °C pour le concombre.
Plusieurs opérations de ce type existent en France (à Aigueperse, Lodève, Lamazère par exemple).

Le chauffage de bassins de pisciculture ou d'aquaculture
La pisciculture est également une application bien adaptée à la géothermie. Une augmentation de la température de quelques degrés et surtout son maintien à un niveau constant produit un accroissement du métabolisme chez les poissons et les crustacés.
De plus, pour les animaux de nos climats qui passent durant l'hiver par un stade de repos physiologique, le maintien dans une eau chaude aura pour conséquence de prolonger toute l'année leur possibilité de croissance. A titre d'exemple, le maintien d'un bassin d'élevage de saumons à 15°C permet leur mise sur le marché dans un délai de 6 à 12 mois.

Comme pour le chauffage de serres, plusieurs opérations existent aussi en France - notamment en région Aquitaine - L'installation la plus importante est celle de Mios le Teich près du Bassin d'Arcachon où sont élevés des esturgeons à la fois pour la consommation de leur chair et pour la fabrication de caviar.
En permettant la création de telles activités, qu'il s'agisse de pisciculture ou de cultures sous serres - elles-mêmes créatrices d'emplois - la géothermie participe aussi, outre son intérêt énergétique, au développement économique local.

A titre d'exemple, une exploitation de pisciculture (élevage de poissons d'ornement d'eau douce) créée en 2001, à Argelouse dans les Landes, et utilisant un ancien puits pétrolier, réhabilité, délivrant de l'eau chaude à 50 °C pour alimenter 10 000 m2 de bassins d'élevage a permis la création, à terme, d'une quarantaine d'emplois.

Situation de la filière géothermie-chaleur
En 2000, la puissance thermique mondiale installée était de l'ordre de 16 000 MW. Elle se trouvait répartie dans plus de cinquante pays, avec comme pays leaders les Etats-Unis (33 % de la puissance mondiale installée), la Chine (17%), l'Islande (9%) et la Turquie (5%).
Cette puissance installée correspondait à une production d'énergie annuelle évaluée à 45 TWh, plaçant, pour les usages thermiques, la géothermie-chaleur au deuxième rang des énergies renouvelables, après la biomasse.

En 2000, l'Union Européenne projetait un doublement de sa capacité installée pour 2010.
L'élargissement récent de l'Union Européenne aux pays d'Europe Centrale, dont certains sont dotés de ressources géothermales basse énergie très importantes (Hongrie, Slovaquie, en particulier), devrait contribuer à atteindre cet objectif.

GÉOTHERMIES DES ROCHES PEU OU PAS PERMÉABLES

La plupart des formations rocheuses qui constituent la croûte terrestre sont peu ou pas perméables, c'est à dire qu'elles ne renferment pas d'eau en quantité suffisante pour permettre, par le biais de forages, l'extraction de la chaleur contenue dans le sous-sol.

En l'absence d'eau naturelle, deux voies sont cependant possibles pour permettre cette extraction :
- installer dans le sol des capteurs enterrés (réseaux de tubes) dans lequel va circuler, en circuit fermé, un fluide caloporteur. La chaleur captée est alors transférée par le biais d'une pompe à chaleur au milieu à chauffer.
C'est le domaine des pompes à chaleur dites " à capteurs enterrés " .
- Recréer les conditions de réservoirs géothermiques naturels (par fracturation hydraulique de formations rocheuses peu perméables, afin d'en augmenter la perméabilité) dans lesquels serait injectée depuis la surface de l'eau qui serait ensuite récupérée chaude après son passage dans le réservoir créé.
C'est le domaine de la géothermie profonde des roches fracturées.

LES POMPES À CHALEUR SUR CAPTEURS ENTERRÉS

Les capteurs peuvent être implantés horizontalement ou verticalement (dans ce dernier cas, on parle de sonde géothermique).
Les capteurs horizontaux sont constitués par une ou plusieurs boucles de tuyauteries en polyéthylène dans lesquelles circule de l'eau glycolée (eau complétée à 30% de glycol). Ce circuit est relié à la pompe à chaleur à laquelle il cède l'énergie du sol qu'il a captée.
Les capteurs sont disposés dans le sol, soit en décapage, soit en tranchée, à une profondeur d'au moins 60 cm. Des distances minimales sont à respecter entre les tubes et entre chaque tranchée ainsi qu'avec les autres éléments du site (arbres, réseaux enterrés, ...).

Le domaine d'application privilégié de cette technique est celui du chauffage des maisons individuelles, sachant que la surface disponible pour le captage doit correspondre à 1.5 ou 2 fois la surface à chauffer, sous peine d'une extraction trop importante d'énergie par mètre carré de terrain ou par mètre de tube et donc de problèmes de fonctionnement.
Lorsque la surface de terrain disponible pour implanter les capteurs n'est pas suffisante, il est possible de disposer les capteurs non plus horizontalement, mais verticalement.
Le capteur est inséré dans un forage, suivant une configuration 2 tubes (dite en U) ou 4 tubes (dite en double U), d'un diamètre compris entre 25 et 40 mm.
Le forage - lui-même d'un diamètre de 110 à 125 mm - est ensuite rempli avec un mélange de ciment et de bentonite qui stabilise le trou dans sa géométrie originelle.
La profondeur du forage peut atteindre jusqu'à 200 m et en fonction de l'importance des besoins à couvrir il est possible d'installer plusieurs capteurs (et donc forages) sur le même site ; on parle alors de champs de sondes.

Le domaine d'application des capteurs verticaux concerne aussi bien le chauffage en maison individuelle que celui des logements collectifs, ou d'immeubles du petit ou moyen tertiaire.

Une technique dérivée de la sonde géothermique est le pieu énergétique.
Certains bâtiments nécessitent, pour des raisons de portance, d'être construits avec des fondations sur pieux en béton.
Les pieux étant préfabriqués en usine, le principe des pieux énergétiques consiste à y intégrer lors de leur fabrication un système de captage de l'énergie (tube en polyéthylène noyé dans le pieu renforcé par une armature en fer et dans lequel il est possible de faire circuler de l'eau ou de l'eau glycolée). Le système de captage est connecté à une pompe à chaleur.

La longueur minimum des pieux est de l'ordre de 6 m et la longueur maximum de 14 m, en fonction du diamètre du pieu. Lorsqu'il est nécessaire de créer de très longs pieux, les parties les plus basses ne sont pas utilisées pour des fins énergétiques.
Le principe de fonctionnement est le même que celui des sondes géothermiques présenté ci-avant.
Ce type de système s'applique à des immeubles de taille relativement importante (exemple : immeubles de bureau) et lorsque sont à satisfaire des besoins de chauffage en hiver et de rafraîchissement, l'été.

En mode rafraîchissement, la pompe à chaleur est généralement court-circuitée et l'eau présente dans les émetteurs de chaleur est véhiculée vers les capteurs des fondations par un simple circulateur. Cette opération permet ainsi de rafraîchir le bâtiment tout en assurant une recharge thermique des capteursChauffe-eau thermodynaniques

Il existe également sur le marché des chauffe-eau permettant de satisfaire de façon indépendante des besoins en eau chaude sanitaire et fonctionnant sur le même principe des pompes à chaleur sur capteurs enterrés destinées au chauffage.
Particulièrement économiques en coût d'exploitation (COP compris entre 3 et 4) ces appareils assurent la totalité des besoins en eau chaude sanitaire, et cela tout au long de l'année. De plus, ils peuvent être dotés d'une régulation leur permettant de ne fonctionner qu'aux heures creuses de tarification.

Situation du marché des pompes à chaleur sur capteurs enterrés
Les pompes à chaleur sur capteurs enterrés sont des systèmes connus depuis plusieurs dizaines d'années.

A titre d'exemple, la première pompe à chaleur sur capteurs enterrés horizontalement, recensée dans la littérature, est celle qui fut installée en 1945 aux Etats-Unis chez un particulier d'Indianapolis.
Leur développement industriel et commercial remonte au milieu des années 70 à l'époque du premier choc pétrolier. Mais c'est au début des années 90, que le marché commence à réellement s'installer grâce à la mise en œuvre dans quelques pays de politiques publiques de soutien aux énergies renouvelables et de lutte contre l'effet de serre.

Au plan européen, les pompes à chaleur sur capteurs enterrés sont aujourd'hui bien implantées dans des pays comme la Suisse ou la Suède, et leur diffusion est amorcée depuis quelques années dans des pays comme l'Allemagne, l'Autriche, la France ou les Pays-Bas.
Ainsi, en Suède, 95 % des maisons neuves sont équipées d'une pompe à chaleur sur capteurs verticaux.
Ces systèmes se développent bien également en Amérique du Nord.
Aux Etats-Unis, par exemple, des programmes de soutien public et privé ont été initiés avec l'objectif d'atteindre un nombre annuel de nouvelles installations de 400 000 à l'horizon 2010.
En France, le marché est émergent et commence à occuper une place intéressante en terme de parts de marché occupées (près de 10 000 installations ont ainsi été réalisées en 2003).

LA GÉOTHERMIE PROFONDE DES ROCHES FRACTURÉES

Comme indiqué précédemment, la géothermie profonde des roches fracturées consiste à recréer les conditions de réservoirs géothermiques naturels.

" Sur le papier ", le concept à mettre en œuvre est simple.
Il s'agit dans un premier temps d'accroître la perméabilité de formations rocheuses peu ou pas perméables - situées à une profondeur suffisante pour obtenir des températures intéressantes - en fracturant la roche par injection d'eau sous très forte pression, dans un ou plusieurs forages.

Dans un second temps - un réseau de fractures suffisamment dense et étendu étant ainsi créé - il suffit alors d'y faire circuler de l'eau depuis la surface pour qu'elle se réchauffe au contact des roches et de récupérer ensuite cette eau réchauffée pour l'utiliser à des fins de production d'électricité ou de chauffage.
La faisabilité technique d'un tel concept - imaginé à l'origine par les Américains au début des années 70 - n'est pas encore acquise.

Plusieurs programmes de recherche - déjà bien avancés en termes de résultats acquis - sont en cours de par le monde, dont celui conduit au niveau européen sur le site de Soultz-sous-Forêts en Alsace.
Un pilote scientifique composé de trois forages profonds de 5 000 m - forés dans le granite - y est en cours de réalisation.
Ce pilote doit faire l'objet d'une expérimentation de longue durée au cours des trois années à venir et si les résultats sont concluants conduire à la réalisation d'un prototype industriel de production d'électricité d'une puissance de plusieurs dizaines de MW.
Les enjeux des recherches entreprises sont considérables, non seulement d'un point de vue énergétique mais aussi d'un point de vue environnemental.
Il s'agit en effet d'utiliser une énergie sans émissions polluantes, dont le potentiel est énorme et dont l'exploitation pourrait participer pleinement à la notion de développement durable et à la préservation des ressources énergétiques fossiles.

Pour résumer
Le schéma présenté ci-après permet de visualiser ce qui vient d'être exposé.
Il traduit toute la diversité que recouvre l'exploitation de la chaleur contenue dans le sous-sol.
Diversité des ressources exploitables - Diversité des applications (la géothermie est probablement, de toutes les énergies renouvelables, avec la biomasse celle qui offre le plus grand spectres d'usages) - Diversité des technologies de valorisation mises en œuvre - Diversité dans la taille des opérations (du chauffage de l'habitat individuel aux réseaux de chaleur urbains, et de la production d'électricité décentralisée pour alimenter un village à celle connectée aux grands réseaux de distribution, par exemple).