La géothermie
Née de l’association des mots grecs geo (la terre) et thermos, la chaleur, la géothermie est connue depuis l’antiquité et même bien avant, si l’on accepte que le bain dans une source naturelle chaude fût probablement sa première utilisation par l’humanité…
Au premier siècle de notre ère, de façon plus élaborée, on retrouve la géothermie chez les Romains qui construisent des bains thermaux avec un chauffage par le sol.
Il fallut cependant attendre le 15e siècle pour qu’apparaissent les premiers chauffages urbains géothermiques en France du côté de Chaudes-Aigues, et la fin du 19e siècle pour que cette forme d’énergie se répande dans le monde, à commencer par les États-Unis, forts bien pourvus en sources chaudes affleurantes.
C’est pourtant au 20e siècle que deux inventions cruciales pour l’expansion de la géothermie furent développées : le forage profond pour la production d’électricité, et la pompe à chaleur (PAC) une invention de 1852 que l’on doit à William Thomson (aussi connu sous le nom de Lord Kelvin) un physicien anglais, mais qui ne fut brevetée qu’en 1912 par un certain Heinrich Zoelly, un ingénieur dont le père Suisse avait émigré au Mexique.
Ce n’est que plus tard, vers 1930, que la pompe à chaleur trouva ses premières utilisations techniques, notamment auprès de Willis Carrier, un ingénieur américain à qui l’on doit les premiers systèmes de conditionnement d’air.
Toutefois, ce n'est qu'au milieu des années 1970, avec le premier choc pétrolier, que cette technique se démocratisa, et que la géothermie pour le chauffage résidentiel cessa d’être une curiosité d’ingénieurs.
Et quels sont les principes qui sous-tendent la géothermie ?
Fondamentalement, la Géothermie est, comme son nom l’indique, l’exploitation de la chaleur naturelle de la Terre, de son noyau en fusion qui atteint 6000 degrés Celsius, et de la croute terrestre qui l’entoure.
Cependant, aux profondeurs atteintes par les forages classiques, cette chaleur provient surtout de la désintégration de certains composants de la croûte terrestre, thorium, uranium, potassium, une radioactivité naturelle des roches qui participe à l’entretien du processus d’échauffement.
Pourtant, plus le forage et profond, plus la chaleur est élevée, selon un gradient géothermique qui annonce en moyenne 3 degrés Celsius de plus chaque 100 m de profondeur, mais ce gradient n’est qu’une moyenne, certains endroits pouvant s’écarter assez fortement de cette valeur selon la nature de sous-sols.
Ainsi, la géothermie est répartie en quatre catégories principales :
La géothermie de surface, dépendante de la chaleur du soleil pour les premiers mètres, et ensuite de la chaleur naturelle de la terre (5 C à 10 C au maximum) soit de basse intensité.
La géothermie de faibles profondeurs, sur quelques centaines de mètres, elle aussi de basse intensité, puisque qu’en général, la température n’excède pas les 50 C.
La Géothermie profonde, dite de haute intensité, qui peut atteindre une température supérieure à 120 degrés Celsius et ainsi être utilisée pour produire non pas seulement de la chaleur, comme les deux précédentes, mais aussi de l’électricité par le biais d’une turbine à vapeur.
La quatrième catégorie est une géothermie d’origine volcanique. Sur ce type de site, le gradient de température classique peut être pulvérisé avec des températures de l’ordre de mille degrés Celsius, voire plus, ce qui représente une quantité d’énergie très importante, quasi inépuisable, capable d’alimenter une centrale électrique de grande taille.
"Blue lagon" en Islande, ou la géothermie en février !
Renouvelable, la géothermie ?
Oui, mais parfois sous réserves.
En effet, sauf pour la géothermie volcanique dont les réserves excèdent pour l’instant nos possibilités de captage, il n’est pas possible d’extraire d’un site, roche ou aquifère, plus d’énergie que la terre n’en produit à cet endroit précis, sous peine d’un affaiblissement progressif des températures et donc du bénéfice retiré. Ceci est surtout vrai pour les profondeurs faibles et moyennes.
Contrairement à d’autres énergies renouvelables, comme le solaire et l’éolien, dont on peut utiliser toutes les ressources qui nous parviennent sans crainte d’épuisement, la géothermie, comme la biomasse et l’hydraulique, doit être exploitée avec discernement, sans dépasser leur taux de renouvellement naturel.
Cependant, à partir d’une certaine profondeur, la géothermie ne dépend plus des conditions météorologiques, ni du cycle jour / nuit, ce qui lui assure un rendement stable et régulier, en particulier pour la production d’eau chaude, le chauffage et le refroidissement des bâtiments en association avec une pompe à chaleur réversible.
Ce type d’usage dit de faible profondeur (30 à 500 m) est le plus répandu en Suisse. Il repose sur des sondes géothermales enfoncées dans le sol dans lesquelles circule un fluide caloporteur qui se réchauffe au contact du sous-sol dans un circuit fermé.
Cette chaleur est ensuite captée (échangée) par la pompe à chaleur au profit du bâtiment et le liquide caloporteur est ensuite réinjecté dans les sous-sols pour un nouveau cycle.
Cette technique est généralement sûre, car le circuit fermé garantit que les fluides utilisés n’entrent pas en contact avec le sol.
Lorsqu’une nappe d’eau (aquifère) est présente sans les sous-sols, d’autres méthodes d’extraction de la chaleur géothermale sont mises en œuvre pour l’exploiter, comme celle des doubles forages : le premier, capte l’eau chaude, c’est le forage d’exploitation, et le second situés à un espace suffisant du premier, réinjecte le liquide froid afin de maintenir le niveau de l’aquifère.
Selon le volume et la profondeur de la nappe d’eau, ces forages peuvent délivrer un grand volume de chaleur, mais les coûts de réalisation peuvent être importants, car il est nécessaire de préserver l’aquifère contre toute dégradation ou pollution extérieure.
Une chaleur inépuisable, celle de la terre, captée par une usine à vapeur, et le type de foret utilisé pour creuser en profondeur.
Enfin, la géothermie profonde, dite industrielle (jusqu’à 5000 m et plus) vise, à l’aide d’une centrale thermique, à chauffer à distance toute une ville ou encore à produire de l’électricité. Ce type de captation nécessite un investissement conséquent, et surtout une étude rigoureuse des sous-sols, car les forages profonds peuvent, dans certains cas, provoquer de mini séismes, ou encore aboutir à des rendements insuffisants malgré les importants efforts financiers consentis.
Pourtant, en cas de succès, la géothermie profonde produit une grande quantité d’électricité locale permanente et renouvelable, ce qui lui offre une place de choix dans un mix énergétique où chaque énergie possède ses avantages comme ses inconvénients.
La géothermie est donc aussi ancienne que la terre elle-même, même si les hommes ne l’exploitent que depuis peu, à cause de la relative complexité de son captage en profondeur.
En raison de l’abondance d’autres sources de chauffages et de leurs prix particulièrement bas, le mazout et le gaz restaient plus simples à déployer, en particulier pour le chauffage domestique, sans même parler de l’électricité, encore souvent produite par la combustion d’énergies fossiles aussi polluantes que le charbon...
Il fallut attendre la fin du 20e siècle, et les sirènes insistantes du réchauffement climatique, pour que l’on comprenne enfin que pour une climatisation propre et durable des bâtiments, au présent comme au futur, la solution pourrait bien être sous nos pieds !
