La chaleur de la Terre et la géothermie

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

11/03/2014

Résumé

Origine, répartition, quantification de l'énergie interne de la Terre et types d'exploitation de l'énergie géothermique, plus ou moins renouvelable.


Cet article est tiré du brouillon d'un chapitre écrit pour le livre Énergie, Énergie, titre provisoire d'un livre qui sera publié fin 2014 par Belin (en collaboration avec la fondation La main à la Pâte), collection Bibliothèque Scientifique, coordination Béatrice Salviat, Brigitte Proust et Katia Allégraud. Cet ouvrage comprendra de nombreux autres chapitres pouvant intéresser le géologue, le physicien, le biologiste… comme Le vivant se nourrit du Soleil, Climat et énergie, Énergie et océan, Le Soleil brûle-t-il ?...

Quand on parle des énergies du futur, et en particulier des énergies renouvelables, on cite souvent la géothermie. Qu'est-ce que la « chaleur de la Terre »  ? Quelle est son origine ? Comment est-elle répartie ? En quelle quantité est-elle produite ? Comment peut-on envisager de l'exploiter ? Nous verrons que c'est une énergie qui n'est pas toujours renouvelable à échelle humaine, et que ce que l'on appelle géothermie n'est pas toujours l'exploitation de la chaleur fournie par la Terre.

De la chaleur sous nos pieds

Depuis les premières mines creusées dès l'Antiquité, on sait que la température augmente quand on s'enfonce sous Terre. Mythes et religions mettaient souvent l'Enfer au centre de la Terre. D'ailleurs, ne sortait-il pas de la lave des profondeurs par les volcans, qui, en plus, sentaient le soufre, élément diabolique s'il en est ? Et les tremblements de terre viennent renforcer l'idée d'une formidable énergie accumulée sous nos pieds. Tout cela a conduit à l'idée d'une Terre « boule de magma », limitée par une très mince écorce solide. La découverte de la dérive des continents dans la première moitié du XXème siècle, réinterprétée en termes de tectonique des plaques 60 ans plus tard, a confirmé cette idée auprès du grand public et des médias : les plaques dérivent et « flottent » sur un « océan de magma » très chaud, réserve quasi-inépuisable d'énergie, et il n'y aurait plus «qu'à se baisser pour la capter.

Figure 1. Le centre de la Terre dessiné par un géologue du XVIIème siècle, Athanasius Kircher (1602-1680) dans son célèbre Mundus subterraneus

Le centre de la Terre dessiné par un géologue du XVIIème siècle, Athanasius Kircher (1602-1680) dans son célèbre Mundus subterraneus

La Terre est représentée comme une boule de magma recouverte par une mince écorce. Les volcans ne faisaient que mettre ce feu central en communication avec la surface. Cette vision est encore souvent (hélas) celle que véhiculent livres de vulgarisation, émissions de télévision… vision parfois "modernisée" par un vocabulaire plaquiste qui ne change rien au fond.


Si le début des quelques lignes qui précèdent est historiquement "vrai", la suite est soit complètement fausse (les plaques ne flottent pas sur du magma, et le manteau est solide), soit pour le moins incomplète : l'énergie qui se cache sous terre n'est pas infinie, rarement renouvelable à l'échelle humaine, souvent difficile à capter. Mais ce n'est pas une raison pour ne pas l'utiliser de la manière la plus intelligente possible.

Pour quantifier cette énergie de la Terre, de très, trop, nombreuses unités sont utilisées. Quand on parle d'énergie, on ne devrait utiliser que le Joule (J) et ses multiples et sous-multiples. Quand on parle de puissance (énergie produite ou reçue par unité de temps), on ne devrait utiliser que le watt (W) et ses multiples et sous-multiples. Très souvent, énergie et puissance sont allègrement confondues dans les médias, par les « vendeurs d'appareils, producteur ou consommateur d'énergie », par ceux qui se nomment écologistes… On entend souvent parler de kilowatt (kW) qui concerne une puissance, qu'on mélange avec les unités qui concernent des énergies, comme les kilowatt-heure (1 kWh est l'énergie fournie ou consommée par une installation produisant ou consommant 1 kW pendant 1 heure , avec 1 kWh = 3,6.106 J), de tonne équivalent pétrole (TEP, avec 1 TEP = 42.109 J), de kilotonne de TNT (1 kilotonne de TNT = 4,2.1012 J , de British Thermal Unit (BTU, avec 1 BTU = 1060 J), voire de cheval vapeur (qui est une puissance et qui vaut 735 W), ou de cheval fiscal (qui est une unité fiscale dépendant de la puissance du moteur d'une automobile et de la quantité de CO2 rejetée), et on confond tout.

Sauf avis contraire, les chiffres que nous donnerons concerneront des puissances ; les unités les plus fréquemment utilisées seront le watt (1 W = 1 J.s-1), le milliwatt (1 mW = 10-3 W = 10-3 J.s-1) et le térawatt (1 TW = 1012 W = 1012 J.s-1).

Pour apprécier ce que représentent les puissances fournies par la Terre, il faut des points de comparaisons. La surface de la planète Terre reçoit en permanence 174 000 TW du Soleil (1,74.1017 W), ce qui correspond à une énergie de 5,5.1024 J par an. Cela revient à environ 1000 W.m-2 en plein soleil, et à une moyenne jour-nuit, été-hiver, pôles-équateur de 342 W.m-2.

La puissance totale produite et consommée par l'humanité (combustibles fossiles, nucléaire, énergies renouvelables…) pour tous ses besoins est d'environ 15 TW (15.1012 W), soit environ 5.1020 J par an (chiffre de 2010), ce qui correspond à environ 1/10.000 de ce que la Terre reçoit du soleil.

La Terre perd de l'énergie venant de l'intérieur de la planète

Un volcan, ça fume et ça chauffe ! La puissance (moyennée sur plusieurs années) dégagée par l'ensemble des éruptions volcaniques de notre planète semble énorme : environ 1 TW, soit la puissance fournie par 1000 tranches de centrales nucléaires "usuelles". La puissance moyenne dégagée par les séismes (puissance principalement mécanique, thermique et potentielle gravitationnelle) est mal connue, mais sans doute du même ordre de grandeur.

Mais ces 2 TW volcaniques et sismiques ne sont que la partie émergée de l'iceberg. Dans le sous-sol, la température augmente avec la profondeur, le plus souvent entre 10 et 30°C par km dans les régions non volcaniques, où elle peut augmenter beaucoup plus. C'est ce que l'on appelle le « gradient géothermique », parfois encore nommé « degré géothermique ». Comme les roches ne sont pas des isolants parfaits, la chaleur a tendance à migrer des zones profondes chaudes vers les zones superficielles froides. Depuis Joseph Fourier au XIXème siècle, on connaît les lois de propagation de la chaleur : J = -k.dT/dh, avec "J" correspondant à ce que les géologues appellent flux de chaleur exprimé en W.m-2, "k" à la conductivité thermique du milieu traversé exprimée en W.m-1.K-1 (W par mètre et par degré) et "dT/dh" le gradient géothermique, correspondant à la variation de température (dT) en fonction de la variation de profondeur (dh), exprimé en K.m-1 (degré par mètre). Les mesures sur le terrain du gradient géothermique montrent que ce dernier varie entre 10 et 30 K.km-1 dans la plupart des régions, peut atteindre 100 K.km-1 dans certaines régions, et peut-être localement beaucoup plus fort au niveau de sites très particuliers et d'aires limitées en général au voisinage de volcans. Les mesures au laboratoire de la conductivité des roches montrent qu'elle varie peu, entre 2,5 et 3,1 W.m-1.K-1. Ces mesures permettent de calculer le flux de chaleur : sauf dans quelques zones exceptionnelles, celui-ci varie de 50 à 300 mW.m-2, avec une moyenne d'environ 70 à 80 mW.m-2. Si on intègre ce flux sur l'ensemble de la surface de la Terre, on trouve que la puissance thermique globale est comprise entre 42 et 47 TW. On retient en général la valeur de 44 TW, à laquelle il faut ajouter les 2 TW dégagés par les éruptions volcaniques et les tremblements de terre. La Terre perd donc globalement 46 TW, dont 4% de manière spectaculaire (séismes et éruptions volcaniques) et 96% de manière très discrète (le flux géothermique).

Figure 2. Deux exemples de manifestations spectaculaires mais quantitativement anecdotiques de la production / libération d'énergie par la Terre : l'éruption du Pu'u O'o en 1986, et les dégâts du séisme et du Tsunami japonais de 2011

Deux exemples de manifestations spectaculaires mais quantitativement anecdotiques de la production / libération d'énergie par la Terre : l'éruption du Pu'u O'o en 1986, et les dégâts du séisme et du Tsunami japonais de 2011

Éruptions volcaniques et tremblements de terre libèrent au maximum 2 TW (puissance moyennée sur plusieurs années). Cela ne représente, au maximum, que 4 % de la puissance libérée par notre planète.


On peut noter que ce que les géologues appellent « flux de chaleur » et qu'ils expriment en W.m-2 est appelé « flux surfacique » par les physiciens, qui appellent « flux » (tout court) ce que les géologues appellent « flux total » ou « puissance totale » et expriment en watt.

On peut comparer ces 46 TW dégagés par la Terre aux 15 TW produits et consommés par l'humanité et aux 174 000 TW reçus du Soleil : la Terre ne dégage que 3 fois ce que produit/consomme l'humanité, mais environ 4000 fois moins que ce qu'elle reçoit du Soleil. Si on a froid, il vaut donc mieux prendre un bain de soleil que de se coucher plaqué au sol au fond d'une cave !

Le gradient et le flux géothermique sont variables horizontalement et verticalement

En surface, le gradient géothermique et le flux qui en découle peuvent être très forts sur des aires très restreintes qu'on appelle des champs géothermaux, en général associés aux volcans. On connaît, par exemple, des zones où « on amuse les touristes » en faisant cuire des œufs dans des trous de moins de 1 m de profondeur. Le gradient thermique y est de l'ordre de de 100 K.m-1, ce qui correspond à un flux de 300 W.m-2.

Figure 3. Champ géothermal au milieu de la végétation tropicale à Hawaï

Champ géothermal au milieu de la végétation tropicale à Hawaï

Les personnages de droite donnent l'échelle. Sur une surface d'à peine 1 hectare, le sol est chaud, et des gaz chargés de vapeur d'eau et de gaz sulfureux s'en échappent. On pourrait faire cuire un œuf au fond d'un trou de 1 m de profondeur creusé dans la zone sans végétation. Dans de telles zones, très restreintes, le flux géothermique peut atteindre, voire dépasser, 300 W.m-2. D'autres photos de champs géothermaux peuvent être vus dans l'article Hydrovolcanologie... .


En dehors de ces zones "anormales" restreintes, le flux géothermique ne varie que de 50 à 350 mW.m-2. Les zones de fort flux thermique correspondent à l'axe des dorsales et aux lithosphères océaniques jeunes de part et d'autre, ainsi qu'à l'arrière des zones de subduction possédant un bassin en extension en arrière de leur arc volcanique (bassins d'arrière-arc). Les dorsales émettant le plus de chaleur correspondent aux dorsales rapides (Pacifique et Est-indienne). Sur les continents, ce sont certaines zones des montagnes "jeunes" et surtout les zones en extension qui ont le plus fort flux thermique ( Bassin and Range aux USA, Grand Rift Africain … Alsace). Les cartes de flux sont basées sur des mesures pas si fréquentes, inégalement réparties à la surface du globe, et surtout sur leur interpolation et sur des modèles, comme ceux qui décrivent le refroidissement de la lithosphère océanique en fonction de la vitesse d'expansion.

Si on simplifie, sur les 44 TW thermiques évacués par la Terre, 2/3 le sont par les océans, et 1/3 par les continents.

Figure 4. Carte du flux thermique mondial

Carte du flux thermique mondial

Cette carte montre que ce sont les dorsales qui libèrent, et de loin, le plus de chaleur (avec une puissance parfois supérieure à 500 mW.m-2) sur une surface dont la largeur dépend de la vitesse d'expansion. Les autres zones à fort flux thermique sont associées à des bassins d'arrière-arc (à l'Ouest des îles Mariannes, par exemple), aux volcans de subduction et à des zones en extension. L'étroite bande "rosée" correspond à l'axe des dorsales, où le flux "moyen" est supérieur à 500 mW.m-2, mais très variable, avec des zones où le flux conductif à travers le sol est modéré mais où l'essentiel de la chaleur est évacuée par des sources chaudes, les fameux « fumeurs noirs » (cf., par exemple, Serpentinisation océanique et vie primitive ).

Source : C. Jaupart, S. Labrosse, F. Lucazeau, J.-C. Mareschal, 2007- ré-édition en cours. Temperatures, Heat and Energy in the Mantle of the Earth, Treatise on Geophysics, vol. 7: Mantle dynamics (Bercovici, Schubert, eds), , Elsevier, modifié. Figure aimablement fournie par l'un des auteurs (S. Labrosse).


Figure 5. Carte du flux thermique en France métropolitaine, réalisée en 1989

Carte du flux thermique en France métropolitaine, réalisée en 1989

Les points noirs représentent des forages où des études spécifiquement dédiées au flux de chaleur avaient été réalisées à cette date. C'est au Nord de l'Alsace que le flux thermique est le plus fort. C'est l'une des raisons pour lesquelles l'installation géothermique expérimentale de Soultz-sous-Forêt y a été installée.


Nous avons vu que le gradient et le flux géothermiques ont d'importantes inhomogénéités horizontales en surface. Qu'en-est-il verticalement, vers les profondeurs du globe ? Si on extrapole en profondeur (de manière linéaire) le gradient thermique mesuré en surface, on arrive à des valeurs de température irréalistes : appliquer 30  K.km-1 sur 6371 km (le rayon de la Terre) donnerait une température au centre de la Terre de 190 000 °C. Le centre de la Terre serait un plasma, alors que l'étude de la propagation des ondes sismiques indique qu'il est solide. Cela montre que si la chaleur se transmet par conduction près de la surface, elle se transmet autrement en profondeur, par convection, ce qui homogénéise la température et limite très fortement son augmentation avec la profondeur (cf. La convection mantellique, moteur de la tectonique des plaques... ). Les vastes zones à forts gradient et flux géothermiques superficiels correspondent aux endroits où la convection fait remonter (à l'état solide) du manteau relativement profond, manteau provenant de 200 à 300 km de profondeur sous les dorsales et les bassins d'arrière-arc, et sans doute de l'interface manteau/noyau sous les points chauds comme Hawaï ou La Réunion. En utilisant les données de la sismologie, combinées aux apports des études de laboratoire sur les caractéristiques physiques des minéraux terrestres soumis à haute pression et haute température (études en cellules à enclume de diamant), on peut modéliser l'évolution de la température avec la profondeur. Le gradient n'est très fort (plusieurs dizaines de degrés par km) que dans la lithosphère et au niveau de l'interface manteau/noyau, qui correspondent à ce que l'on appelle des « couches limites thermiques ». Le gradient est beaucoup plus faible, de 0,3 à 0,5 K.km-1, dans le manteau sous-lithosphérique et dans le noyau.

Figure 6. Évolution de la température interne de la Terre en fonction de la profondeur

Évolution de la température interne de la Terre en fonction de la profondeur

Les barres d'erreur ne sont pas représentées. La température n'augmente très fortement avec la profondeur que dans deux zones restreintes : la lithosphère (d'épaisseur comprise entre 0-5 et 150 km) et de part et d'autre de la limite manteau/noyau. Ces deux zones correspondent à ce que les physiciens appellent des « couches limites thermiques », minces couches situées au sommet et à la base des cellules de convection terrestre, dans la part silicatée (croûte + manteau) et/ou dans le noyau. Entre ces couches limites thermiques dont l'épaisseur ne dépasse pas quelques dizaines de kilomètres, la variation de température avec la profondeur est très faible, et égale au gradient adiabatique (ou plus précisément isentropique).


Quelle est l'origine de la chaleur dégagée par la Terre ?

Quand un système (ici la Terre) dégage de l'énergie, il existe deux possibilités extrêmes quant à l'origine de cette énergie, avec bien sûr tous les intermédiaires possibles. La première possibilité est que cette énergie soit produite en continu à l'intérieur du système, avec égalité entre perte et production. C'est le cas d'un fer à repasser de 1000 W branché depuis longtemps et dont la température est stabilisée à 200°C (réglage coton). Ses résistances internes dégagent 1000 W sous forme de chaleur par effet Joule, mais il perd 1000 W en réchauffant linge ou air ambiant. C'est pourquoi la température du fer à repasser est constante dans le temps. La seconde possibilité est que le dégagement de chaleur soit alimenté par le refroidissement du système. Si l'on reprend l'exemple du fer à repasser, supposons qu'il vient d'être débranché mais qu'il est encore chaud. Il se refroidit en perdant de la chaleur, avec une puissance de 1000 W au début, puis de moins en moins. L'énergie était "stockée" sous forme de haute température ("agitation thermique" des atomes de la masse du fer). La quantité de chaleur restituable par refroidissement dépend entre autres d'une grandeur appelée capacité thermique ou capacité calorifique, qui dépend du matériau. Dans le cas du fer métallique, principal constituant de notre fer à repasser, 1 kg de fer aux conditions standards (P = 1 atmosphère, T ≈ 25°C) doit perdre 449 J pour voir sa température baisser d'1 degré Celsius. Les 46 TW perdus par la Terre proviennent-ils de son refroidissement ou d'une production d'énergie interne à la Terre ?

La première source d'énergie qui vient à l'esprit, c'est la radioactivité naturelle. La Terre actuelle contient quatre isotopes radioactifs abondants dont la désintégration libère de l'énergie en quantité significative : le thorium 232 (232Th), deux isotopes de l'uranium (238U et 235U) et le potassium 40 (40K). Si on connaît bien les teneurs des croûtes (continentale et océanique) et du manteau supérieur en ces quatre isotopes, on connaît mal celles du manteau inférieur et encore moins celle du noyau, dont on ne possède pas d'échantillon. Toutefois, les modèles de formation de la Terre à partir de corps de chimie chondritique nous donnent une idée de la composition globale de la Terre, donc de sa teneur en ces quatre isotopes radioactifs. On peut alors calculer la puissance produite actuellement par la radioactivité naturelle, avec une grande marge d'incertitude : entre 15 et 25 TW. On retient en général la valeur de 21 TW, qui correspond à une "petite moitié" des 46 TW perdus par la Terre. C'est la désintégration du 232Th qui contribuerait le plus (44%), puis celle de 238U (39%), du 40K (15%) et enfin de 235U (2%). Par unité de volume, la radioactivité naturelle de la croûte continentale est beaucoup plus forte que celle des autres enveloppes, en particulier que celle du noyau qui ne contiendrait quasiment ni U, ni Th ni K. Mais de par son volume (84% du volume de la Terre), c'est le manteau qui produit le plus de chaleur d'origine radioactive (les deux tiers).

Mais s'il existe une grande incertitude sur cette production de chaleur, à cause de l'imprécision que nous avons quant à la composition chimique globale de la Terre, on devrait pouvoir réduire considérablement cette incertitude dans les années qui viennent. En effet, ces désintégrations radioactives produisent des neutrinos, et l'on commence à pouvoir détecter ces neutrinos "telluriques" d'où qu'ils viennent puisque les neutrinos peuvent traverser toute la Terre sans problème. Et on sait distinguer ces neutrinos telluriques des neutrinos anthropiques (issus des centrales nucléaires) et astronomiques (issus du Soleil et des autres astres). Les mesures doivent s'étaler sur plusieurs années pour que le nombre de neutrinos détectés permette d'estimer avec une bonne précision le nombre de désintégrations par seconde de nos quatre isotopes radioactifs pour l'ensemble de la planète. On pourra alors calculer avec une bonne précision la puissance produite par la radioactivité naturelle de la Terre.

Il existe trois autres sources pour l'énergie actuellement produite dans la Terre, connues avec une grande incertitude. Premièrement, l'énergie dégagée par la lente cristallisation de la graine, qui fournit une puissance estimée à 1 TW. C'est une chaleur latente de cristallisation. Deuxièmement, une autre énergie dégagée dans le noyau en cours de cristallisation. En effet, la lente cristallisation du noyau liquide (qui contient un peu de soufre et d'autres éléments légers) produit du fer quasi pur, qui "tombe" un peu (la cristallisation a lieu près de la graine), et un liquide résiduel plus riche en éléments légers, qui "monte" beaucoup. Chute du fer solide et surtout remontée des composés légers fournissent une puissance estimée à 1 TW. C'est de l'énergie gravitationnelle. Troisièmement, l'énergie engendrée par les marées à l'intérieur de la Terre, dites marées terrestres, fournit 0,1 TW. Cette puissance est produite par les frottements engendrés par les déformations internes de la Terre dues aux autres astres (Lune, Soleil). On peut noter que les marées océaniques engendrent aussi de l'énergie et fournissent environ 3 TW. Mais cette puissance, générée dans l'océan au-dessus de la Terre solide, n'est pas prise en compte ici. L'énergie engendrée par les marées (terrestres comme océaniques) est "prise" sur l'énergie cinétique de rotation de la Terre sur elle-même, ce qui entraîne un ralentissement de cette rotation. On peut remarquer que si l'énergie engendrée par les marées est négligeable pour l'intérieur de la Terre, elle ne l'est absolument pas pour certains satellites des planètes géantes comme Encelade autour de Saturne ou Io autour de Jupiter. Sur Io, la production d'énergie par les marées serait 100 fois supérieure à celle produite par la radioactivité naturelle.

Si on ajoute toutes les productions des sources d'énergies internes à la Terre (radioactivité, cristallisation de la graine, énergies gravitationnelle et des marées), on arrive à une puissance totale de 21+1+1+0,1 = 23±4 TW. Or la Terre dégage ≈46 TW. Une moitié de la puissance dégagée par la Terre n'est donc pas produite par une quelconque source d'énergie, mais par le refroidissement de la masse de la Terre, que l'on appelle refroidissement séculaire. Si on suppose que ce refroidissement est homogène dans toute la Terre, ce qui est une hypothèse très simplificatrice, on peut calculer que ce refroidissement séculaire est actuellement compris entre 50 et 100 K par milliard d'années, ce qui est très faible : l'intérieur de la Terre n'aurait perdu en moyenne que de 3 à 6 degrés depuis la disparition des dinosaures non aviens il y a 65 millions d'années.

Si la Terre se refroidit malgré la production d'énergie interne, c'est qu'elle devait être très chaude au moment de son origine il y a 4,55 Ga, et on peut se demander d'où vient cette haute température initiale. La Terre s'est formée par agglomération, par chute les uns sur les autres de multiples corps en orbite autour du Soleil en formation. On appelle cette phase l'accrétion. Ces corps arrivaient les uns sur les autres à grande vitesse, donc avec une grande énergie cinétique, et leurs chocs ont transformé cette énergie cinétique en chaleur. À cette énergie cinétique s'est ajoutée l'énergie de désintégration d'isotopes radioactifs à courte période, comme l'aluminium 26 et le fer 60 (26Al et 60Fe, de périodes respectives 720 000 et 2 600 000 ans). Ces isotopes ont complètement disparu de nos jours de l'intérieur de la Terre, mais il y a 4,55 Ga, ils devaient être abondants et fournir beaucoup d'énergie. Cette débauche d'énergie lors de la formation de la Terre en a fait un corps presque entièrement fondu. Une fois l'accrétion terminée et la radioactivité à courte période épuisée, le refroidissement s'est, schématiquement, fait en deux phases. Pendant la première phase, brève, les silicates de la Terre, liquides, convectaient rapidement, ce qui évacuait très efficacement la chaleur. La Terre s'est donc vite refroidie, et le manteau a cristallisé rapidement. Une deuxième phase a alors commencé, qui dure encore aujourd'hui : le manteau, solide, ne peut plus convecter que très lentement, l'évacuation de la chaleur est devenue bien moins efficace et le refroidissement interne très lent.

Peut-on exploiter cette énergie, et est-elle "renouvelable" ?

La Terre perd en permanence 46 TW. Cette puissance rayonnée vers l'espace, est "gâchée" pour l'humanité, et il est tentant d'en capter tout ou partie. Comme cette puissance est dissipée en continu, beaucoup la considèrent comme énorme et renouvelable, et ils n'ont pas tort, encore que… 46 TW, c'est beaucoup, mais cela ne représente que 3 fois la puissance produite et consommée par l'humanité au début du XXIème siècle. Et comme la production-consommation de l'humanité double tous les 30 ans avec notre modèle actuel de développement économique, cette puissance totale terrestre ne suffirait pas à nos besoins à partir de 2050-2060 si on continuait sur cette lancée, même si on arrivait à la capter à 100 % par un procédé qu'il reste à inventer. Si on raisonne à l'échelle plus locale et qu'on veut, par exemple, utiliser la puissance géothermique pour éclairer un stade de façon renouvelable (ne prendre que ce qui sort "normalement" à travers la surface du stade), on voit mieux le problème. Un stade de football mesure environ 10 000 m2. Avec un flux thermique normal de 80 mW.m-2, cela correspond à une puissance de 800 W, soit une ampoule de 200 W à chaque coin du stade. Or le stade de Gerland à Lyon, pour ne prendre qu'un exemple, est éclairé par 864 ampoules de 1800 W, soit environ 2000 fois plu !

Il existe plusieurs manières d'exploiter ce qu'on appelle couramment l'énergie géothermique. On parle ainsi de géothermie à (1) très haute, (2) haute à moyenne, et (3) basse à très basse température. En France métropolitaine, on utilise surtout la géothermie "haute à moyenne" et "basse à très basse" température.

La géothermie à haute et moyenne température

La géothermie à haute et moyenne température consiste à utiliser les joules contenus dans des eaux profondes, chaudes mais non bouillantes. On utilise cette énergie surtout pour le chauffage d'habitations, de serres, ou plus rarement, pour produire de l'électricité (l'eau chaude sert à faire bouillir des liquides à basse température d'ébullition dont la vapeur entraînera des turbines). En général, on pompe de l'eau chaude contenue dans des nappes phréatiques profondes. Cette eau ne peut pas être envoyée telle quelle dans un réseau de chaleur type chauffage urbain, car elle est dans la plupart des cas très chargée en sels minéraux dont la cristallisation colmaterait rapidement toutes les canalisations du réseau. Cette eau cède sa chaleur (échangeur thermique, pompe à chaleur…) à un réseau de chauffage, puis est réinjectée refroidie dans la nappe. La réinjection est nécessaire pour deux raisons : tout d'abord, l'eau des nappes profondes est en général salée et très riche en sels minéraux divers, et ne peut pas être relâchée dans les écosystèmes de surface (rivières…) ; de plus, si on pompe l'eau sans la réinjecter dans la nappe, celle-ci voit sa pression diminuer et va finir par s'assécher au voisinage du puits de pompage. Il y a donc au minimum un puits de pompage et un puits de réinjection. On parle de doublet. Il existe une variante de cette technique : on peut aussi injecter de l'eau froide dans des roches profondes, chaudes, mais initialement sèches. L'eau ressort chaude après avoir cheminer dans un réseau de fractures naturelles ou artificielles (obtenues par fracturation hydraulique ou par des procédés voisins). Tous les intermédiaires pourraient exister entre ces deux types d'installations suivant la teneur en eau en profondeur : pompage et réinjection d'une nappe phréatique chaude ou injection et pompage dans des roches sèches et chaudes.

Le problème, c'est que tous ces types d'installation refroidissent les roches et la nappe qui les baignent entre les puits de pompage et d'injection. Au bout d'une durée assez variable estimée entre 30 et 100 ans pour les installations "classiques", un doublet est "mort" ou de moins en moins efficace, car l'eau qui ressort est de moins en moins chaude. Et ce ne sont pas les petits 80 mW.m-2 du flux géothermique qui vont empêcher le refroidissement de la nappe et des roches pendant la durée de l'exploitation. Ce type d'installation exploite donc de la chaleur non renouvelable à échelle humaine, comme on exploite un gisement de charbon, de pétrole ou d'uranium. Mais ce n'est pas parce que cette énergie n'est pas renouvelable qu'il ne faut pas l'exploiter. En effet, contrairement au charbon, au pétrole ou au nucléaire, son exploitation est "propre" et ne produit pas de déchet, que ces déchets soient du CO2 ou des déchets nucléaires. En France, environ 200 000 logements sont chauffés par géothermie, surtout dans le Bassin Parisien grâce à une nappe à environ 75°C, située à 2000 m de profondeur. Au nord de l'Alsace, une installation expérimentale pilote utilise la chaleur de roches fracturées non saturées en eau à Soultz-sous-Forêt. Le BRGM a calculé qu'exploiter toute la chaleur des roches profondes situées entre 4,5 et 5,5 km de profondeur, dans ce secteur qui correspond à 5% de la région Alsace, fournirait autant d'énergie qu'une dizaine de centrales nucléaires pendant leurs 40 ans de durée de vie.

Figure 7. Exploitation artisanale de géothermie haute température, en Islande

Exploitation artisanale de géothermie haute température, en Islande

Sur cette île, les sources chaudes abondent. Il n'est donc pas besoin de creuser profond pour récupérer de petites quantités de chaleur. Dans l'exemple présenté ici, une petite excavation a été creusée au niveau d'une source naturelle sortant à 80°C. Cette source chaude sert à réchauffer une habitation située à 100 m de là. On ne peut pas pomper directement cette eau chaude pour la faire passer dans les radiateurs de la maison : trop chargée en sels minéraux, cette eau colmaterait très rapidement les tuyauteries de la maison. Les habitants de la maison ont donc plongé dans la source un radiateur qui joue le rôle d'échangeur thermique. L'eau (pure) du circuit de chauffage est mise en mouvement par une pompe entre le radiateur et la maison. Il s'agit dans ce cas d'énergie renouvelable, car la chaleur captée est tout à fait négligeable par rapport aux pertes naturelles de cette source d'eau chaude qui évacue naturellement plusieurs dizaines de litres par seconde d'eau à plus de 80°C.


Figure 8. Fonctionnement théorique d'une exploitation industrielle de géothermie haute à moyenne température, avec un doublet de puits (puits de pompage et puits de réinjection)

Fonctionnement théorique d'une exploitation industrielle de géothermie haute à moyenne température, avec un doublet de puits (puits de pompage et puits de réinjection)

Dans le cas des installations du Bassin Parisien (les plus fréquentes de France), la nappe d'eau chaude exploitée est contenue dans les couches du Jurassique moyen, situées à environ 2000 m de profondeur et à une température d'environ 75°C. Sur la surface située entre les puits de pompage et les puits de réinjection, une telle installation capte beaucoup plus de puissance que les 80 mW.m-2 régionaux. En quelques dizaines d'années, elle va refroidir la nappe et les roches situées entre les deux puits, et d'ici 30 à 100 ans (la durée de vie estimée pour un tel doublet), l'eau pompée sera beaucoup moins chaude. Une telle installation ne fournit donc pas une énergie renouvelable à échelle humaine.


Figure 9. Les installations du site pilote de Soultz-sous-Forêt

Les installations du site pilote de Soultz-sous-Forêt

Il s'agit d'un site expérimental situé au Nord de l'Alsace, là où le gradient géothermique est le plus fort de France métropolitaine. Cette installation est intermédiaire entre les géothermies "haute" et "très haute" température. Il s'agit de montrer la faisabilité de l'exploitation de la chaleur de roches profondes, chaudes mais non saturées en eau. Plusieurs puits ont été creusés jusqu'à 5000 m de profondeur dans le socle hercynien (granite). De l'eau y est injectée, circule par des fractures (naturelles ou élargies par des techniques voisines de la fracturation hydraulique) et ressort à plus de 150°C. Il s'agit d'un mélange d'eau liquide et d'eau vapeur, non utilisable tel quel pour faire tourner une turbine "classique" qui, pour des raisons techniques, ne peut fonctionner qu'avec de la vapeur sèche. Ce mélange chaud liquide-vapeur réchauffe et évapore un fluide organique d'un circuit secondaire, qui, lui, fait tourner une turbine. L'eau refroidie dans l'échangeur thermique est réinjectée et la boucle est bouclée. Ce site, expérimental, produit de l'électricité depuis 2010 et fournit 1,5 MW électrique.


La géothermie à très haute température

Dans le cas de la géothermie à très haute température, il s'agit d'exploiter, par des forages, des nappes phréatiques (ou des roches sèches avec injection d'eau, ou tout intermédiaire entre ces deux situations extrêmes) dont la température est largement supérieure à la température d'ébullition de l'eau. Il sort donc de la vapeur "sèche" qui sert directement à faire de l'électricité dans des turbines. Si la vapeur qui sort contient un certain pourcentage d'eau liquide, la technologie nécessaire pour la production d'électricité devient beaucoup plus complexe. Il faut, entre autres difficultés, séparer vapeur et liquide avant d'envoyer la vapeur dans les turbines. Ce type d'installation à très haute température n'est possible que dans des régions à très fort gradient thermique, en général des régions volcaniques (Islande, etc). Comme pour la géothermie à haute température, il faut réinjecter la vapeur condensée et refroidie dans la nappe, ce qui en abaisse la température. Mais du fait du très fort flux thermique local, la durée de vie de ces installations peut être très longue. C'est de l'énergie "presque renouvelable", voire "vraiment renouvelable" dans les rares cas où le flux thermique traversant la zone utilisée par l'exploitation est supérieure au flux capté. La puissance totale installée sur Terre au début du XXIème siècle est d'environ 9000 MW électrique (équivalent à 9 centrales nucléaires), dont 15 MW en France (à Bouillante, en Guadeloupe).

Figure 10. Une centrale géothermique "très haute température" : la centrale du Krafla en Islande

Une centrale géothermique "très haute température" : la centrale du Krafla en Islande

Vue d'ensemble des installations. Une trentaine de puits produisant de la vapeur ont été forés depuis 1974. Ces forages produisent 110 kg.s-1 de vapeur sèche à une pression de 7,7 bars, et 36 kg.s-1 de vapeur saturée à 2,2 bars. Les vapeurs collectées sont dirigées vers la centrale électrique visible à droite. Cette centrale a une puissance installée de 60 MW (valeur de 2013). Si on suppose que les captages drainent la vapeur sur une surface d'environ 12 km2 (12 000 000 m2) et qu'elle a un rendement de 50% (hypothèse très optimiste mais non irréaliste puisque l'eau de condensation, encore chaude, est réinjectée), la centrale capte un flux thermique de 10 W.m-2, ce qui est une valeur courante dans ces régions volcaniques très récentes (la dernière éruption du Krafla, située à 3 km de la centrale, date de 1984). Cette centrale, captant autant d'énergie qu'en libérerait le sous-sol en son absence, utilise donc une énergie qu'on peut qualifier de renouvelable.


Figure 11. Une centrale géothermique très haute température : la centrale du Krafla en Islande

Une centrale géothermique très haute température : la centrale du Krafla en Islande

Détail des captages. Une trentaine de puits produisant de la vapeur ont été forés depuis 1974. Sur cette photo, qui date de 1983, on voit clairement un forage en cours (à gauche), et cinq canalisations amenant la vapeur dans un collecteur (situé au centre du panorama d'ensemble). Ces forages produisent 110 kg.s-1 de vapeur sèche à une pression de 7,7 bars, et 36 kg.s-1 de vapeur saturée à 2,2 bars. Les vapeurs collectées sont dirigées vers la centrale électrique visible à droite du panorama global. Cette centrale a une puissance installée de 60 MW (valeur de 2013). Si on suppose que les captages drainent la vapeur sur une surface d'environ 12 km2 (12 000 000 m2) et qu'elle a un rendement de 50% (hypothèse très optimiste mais non irréaliste puisque l'eau de condensation, encore chaude, est réinjectée), la centrale capte un flux thermique de 10 W.m-2, ce qui est une valeur courante dans ces régions volcaniques très récentes (la dernière éruption du Krafla, située à 3 km de la centrale, date de 1984). Cette centrale, captant autant d'énergie qu'en libérerait le sous-sol en son absence, utilise donc une énergie qu'on peut qualifier de renouvelable.


La géothermie à (très) basse température

La température du sous-sol superficiel (jusqu'à 10-20 m de profondeur) est constante au cours de l'année, et égale à la moyenne locale jour-nuit-été-hiver. Elle est d'environ 12 à 15°C en France métropolitaine. C'est la température de nos caves quand elles sont bien enterrées. Cette température du sous-sol superficiel ne dépend que du rayonnement solaire et de la température de l'air, donc de la latitude et de l'altitude ; elle ne dépend pas du flux de chaleur terrestre. Ce qu'on appelle (à tort) la géothermie basse température consiste à utiliser cette température moyenne du sous-sol et/ou des nappes phréatiques qui s'y trouvent pour réchauffer nos maisons. Une pompe à chaleur couplée à un réseau de tuyaux enterrés sous un jardin ou à une nappe phréatique superficielle extrait de la chaleur au sous-sol et/ou à la nappe en les refroidissant, et cède cette chaleur au réseau d'eau chaude (chauffage et/ou sanitaire) de la maison. Au bout de quelques mois, le sous-sol et/ou la nappe seraient refroidis, et ne pourraient plus fournir d'énergie. Mais au bout de ces quelques mois l'été revient et réchauffe le sol. On peut même inverser les pompes à chaleur, et se servir de l'installation comme climatiseur pendant l'été, l'énergie extraite de la maison réchauffant le sous-sol et/ou la nappe. Ces installations utilisent l'inertie thermique du sous-sol et/ou des nappes superficiels, qui ne servent que d'accumulateurs de l'énergie solaire. Ce qu'on appelle géothermie à (très) basse température n'est qu'une méthode indirecte permettant d'utiliser l'énergie solaire, qui, elle, est une énergie renouvelable à échelle humaine.