L’énergie géothermique est un type d’énergie renouvelable obtenue à partir de la chaleur stockée à l’intérieur de la Terre.
Elle est considérée comme une source propre et durable, car elle ne nécessite pas la combustion de combustibles fossiles et génère de faibles émissions de gaz à effet de serre. Cette énergie peut être utilisée directement sous forme de chaleur ou convertie en électricité grâce à des centrales géothermiques.
Origine de l'énergie géothermique
L'énergie géothermique provient de la chaleur interne de la Terre, qui provient de deux sources principales :
- La désintégration des éléments radioactifs : Les isotopes tels que l'uranium 238, le thorium 232 et le potassium 40 se désintègrent naturellement dans le manteau terrestre, générant une quantité constante de chaleur sur des millions d'années. Ce processus contribue de manière significative au maintien de températures élevées à l’intérieur de la planète.
- Chaleur résiduelle de la formation de la Terre : Lors de l'accrétion planétaire il y a environ 4,5 milliards d'années, la collision des corps célestes et le compactage ultérieur des matériaux ont libéré d'énormes quantités d'énergie thermique. Bien qu'une partie de cette chaleur se soit dissipée dans l'espace, une grande partie reste piégée dans les couches internes de la planète, en particulier le noyau et le manteau.
La croûte terrestre agit comme un isolant naturel, mais dans certaines régions, appelées zones géothermiquement actives , la chaleur est plus accessible en raison de la présence de volcans, de failles géologiques, de geysers ou de sources chaudes.
Ces zones se trouvent principalement aux limites des plaques tectoniques, où l'activité magmatique et la circulation de fluides hydrothermaux facilitent la transmission de la chaleur de l'intérieur de la Terre vers la surface.
Comment l’énergie géothermique est-elle extraite ?
La chaleur géothermique est obtenue en forant des puits souterrains pour accéder à la chaleur interne de la Terre.
Selon la température et la profondeur de la ressource, il existe différentes méthodes d’exploitation :
- Systèmes à vapeur sèche : Ils sont utilisés dans les champs où la vapeur émerge naturellement du sous-sol. La vapeur est canalisée directement dans une turbine pour produire de l’électricité. Exemple : la centrale géothermique de Geysers en Californie, aux États-Unis.
- Systèmes à eau chaude ou à fluide géothermique : Dans ce cas, l'eau chaude ou un mélange de vapeur et d'eau est extrait du sous-sol et passe dans un séparateur qui sépare la vapeur du liquide. La vapeur entraîne une turbine et l’excès d’eau peut être réinjecté dans le réservoir pour maintenir la durabilité de la ressource.
- Cycle neuf : Utilisé dans les sources à température moyenne, où l'eau extraite n'est pas suffisamment chaude pour générer directement de la vapeur. On fait circuler un fluide secondaire à point d'ébullition plus bas, qui se transforme en vapeur et entraîne la turbine.
- Systèmes de chauffage et de climatisation : Pour les températures basses ou très basses, on utilise des pompes à chaleur géothermiques, qui extraient la chaleur du sous-sol pour chauffer les bâtiments en hiver et dissiper la chaleur en été.
Processus de production d'énergie géothermique
Dans les maisons et les bâtiments
L’une des principales utilisations de l’énergie géothermique est la climatisation des bâtiments et des maisons. Grâce aux pompes à chaleur géothermiques, il est possible d’extraire la chaleur du sol en hiver pour chauffer les espaces et de dissiper la chaleur de l’intérieur en été pour les rafraîchir.
Processus en hiver :
- L’eau à l’intérieur du circuit du capteur géothermique circule dans le sous-sol et est chauffée.
- Un échangeur de chaleur transfère l’énergie thermique au circuit émetteur, qui chauffe la maison.
Processus en été :
- La chaleur de l’intérieur du bâtiment est transférée au sous-sol, refroidissant ainsi l’environnement intérieur.
- L'énergie géothermique permet un système de refroidissement efficace et durable.
De plus, l’énergie géothermique est utilisée dans les systèmes de chauffage par le sol et pour la production d’eau chaude.
Dans les centrales géothermiques
Les centrales géothermiques convertissent la chaleur de l'intérieur de la Terre en électricité grâce à un cycle thermodynamique :
- Extraction de chaleur : Des puits géothermiques sont forés pour extraire de l’eau chaude ou de la vapeur.
- Conversion en énergie mécanique : La vapeur entraîne une turbine reliée à un générateur électrique.
- Production d'électricité : L'énergie mécanique est transformée en électricité, qui est injectée dans le réseau électrique.
- Recirculation de l'eau : Une fois utilisée, l'eau refroidie est réinjectée dans le sous-sol pour maintenir l'équilibre de l'aquifère.
Types de sources géothermiques
Ces sources d’énergie renouvelables sont obtenues en extrayant la chaleur interne de la Terre grâce à des puits géothermiques. Il existe plusieurs zones avec des sources chaudes.
Ces eaux thermales peuvent être celles utilisées dans les spas ou autres centres. Ces eaux sont chauffées par la température de l’intérieur de la Terre.
L'eau chaude à haute énergie interne peut circuler naturellement grâce aux impulsions des flux d'eau et de vapeur ou par pompage. La méthode à utiliser doit être choisie en fonction de celle qui est la plus rentable économiquement.
Il n’existe pas de méthode unique pour exploiter ce type d’énergie. Dans certains pays, des projets ont dû être rejetés en raison de leur non-faisabilité économique.
Le magma (roche en fusion) est une excellente source d’énergie géothermique, car les roches ne se trouvent à l’état liquide qu’à des températures extrêmement élevées. Cependant, avec la technologie disponible, cela n’est pas viable économiquement.
Les opérations d’extraction d’eau chaude comportent généralement un nombre pair de puits géothermiques. L’eau chaude est extraite de l’un et l’eau refroidie est réinjectée dans l’aquifère à partir de l’autre.
Types de sources géothermiques
L'énergie géothermique est classée en fonction de la température de la ressource thermique, qui détermine son application possible :
1. Haute température (> 150 °C)
Cette source se trouve principalement dans les zones volcaniques actives, où le magma est relativement proche de la surface de la Terre. Ce type d’énergie permet la production efficace d’électricité grâce à l’utilisation de turbines à vapeur dans des centrales géothermiques conventionnelles. Dans certains gisements, la température peut atteindre jusqu’à 400°C, ce qui maximise l’efficacité du processus de conversion d’énergie.
Un exemple frappant de son application est la centrale géothermique de Hellisheiði en Islande, l’une des plus grandes au monde.
2. Température moyenne (70°C - 150°C)
Les sources de température moyenne sont situées dans des régions à activité géothermique modérée, où les eaux souterraines peuvent être chauffées à des niveaux adaptés à la production d’énergie. Il est principalement utilisé dans les centrales électriques à cycle binaire, qui utilisent des fluides à bas point d'ébullition pour produire de l'électricité dans des turbines.
Il est également utilisé dans les réseaux de chauffage urbain, où la chaleur est distribuée à plusieurs bâtiments via un système centralisé. Un exemple d’application est celui des installations de chauffage urbain en Allemagne et en France, qui exploitent ces ressources pour réduire l’utilisation des combustibles fossiles.
3. Basse température (50°C - 70°C)
Ce type est commun dans les formations géothermiques plus étendues, mais avec une intensité thermique plus faible. Il est principalement utilisé pour chauffer les maisons, les serres et les processus industriels tels que le séchage des produits agricoles et le dessalement de l'eau.
Il peut être utilisé en combinaison avec des pompes à chaleur pour augmenter l'efficacité énergétique dans les environnements résidentiels et commerciaux.
Un exemple de cette utilisation est l’utilisation de l’énergie géothermique dans les serres aux Pays-Bas pour optimiser la croissance des cultures dans les climats froids.
4. Très basse température (<50°C)
L’énergie géothermique à très basse température représente la forme d’énergie géothermique la plus accessible, car même dans les zones non volcaniques, il est possible d’exploiter la chaleur du sous-sol. Il est utilisé dans les systèmes de climatisation utilisant des pompes à chaleur géothermiques, qui permettent d'extraire la chaleur en hiver et de la dissiper en été.
Son efficacité énergétique est supérieure à celle des systèmes de chauffage et de climatisation traditionnels, ce qui en fait une option durable pour les maisons et les bâtiments commerciaux.
Parmi ses exemples d’application, on peut citer les systèmes CVC géothermiques dans les aéroports et les centres commerciaux aux États-Unis et au Canada.
Exemples d'utilisations et d'applications
L’énergie géothermique a une large gamme d’utilisations :
- Climatisation des bâtiments : Permet un chauffage efficace en hiver et un refroidissement en été, réduisant ainsi la consommation d'énergie conventionnelle.
- Eau chaude sanitaire : Utilisée dans les maisons, les hôpitaux et les centres sportifs, fournissant un approvisionnement constant et efficace en eau chaude.
- Production d’électricité : Dans des centrales géothermiques qui profitent des températures élevées pour produire de l’électricité de manière durable.
- Procédés industriels : Il est utilisé dans le séchage des produits agricoles, la distillation, la pasteurisation et la stérilisation dans diverses industries, optimisant l'efficacité thermique.
- Spas et tourisme thermal : Profiter des eaux thermales aux bienfaits thérapeutiques, promouvoir le tourisme de bien-être et de santé.
- Agriculture et serres : Réchauffer les sols et les environnements pour améliorer la production agricole, permettre la culture dans des conditions climatiques défavorables et réduire la dépendance aux combustibles fossiles.
- Dessalement de l’eau : Utilisation de la chaleur géothermique pour dessaler l’eau de mer, offrant une solution durable pour l’approvisionnement en eau potable dans les régions arides.
- Dégivrage des routes : Application de la chaleur géothermique pour empêcher l’accumulation de glace sur les routes et les aéroports, améliorant ainsi la sécurité routière dans les climats froids.