Les eaux souteraines sources de chaleur

La géothermie consiste à exploiter la chaleur stockée dans le sous-sol de notre planète. Le potentiel de cette énergie est considérable, notamment en Poitou-Charentes.

Sommaire de l’article :

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Qu’est-ce-que la géothermie ?

La géothermie constitue une autre application des eaux souterraines  . Du grec gêo (terre) et thermos (chaud), la géothermie consiste à exploiter la chaleur stockée dans le sous-sol de notre planète. Le potentiel de cette énergie est considérable : 1 km2 de roche, sur une profondeur de 10 km, renferme en moyenne une quantité d’énergie équivalant à 15 millions de TEP (Tonnes Equivalent Pétrole). L’utilisation de la chaleur de la terre pour le chauffage, la climatisation ou la production d’électricité, offre beaucoup d’avantages. Cette chaleur peut être exploitée partout, elle est locale (consommation sur place), régulière (pas tributaire de conditions climatiques comme le solaire ou l’éolien), économique, et la région Poitou-Charentes ne manque pas de potentialités dans ce domaine. L’accroissement de la température en fonction de la profondeur est appelé « gradient   géothermal ». Il est en moyenne, sur la planète, de 3,3° C par 100 m de profondeur, ce qui est le cas en Poitou-Charentes. Le flux d’énergie thermique à l’origine de ce gradient   est de l’ordre de 60 mW/m2.

Schéma illustrant la structure interne de la Terre"
Schéma illustrant la structure interne de la Terre

Une partie de la chaleur de la Terre est une relique de sa formation, il y a 4,55 milliards d’années. En son centre, dans le noyau, une énergie considérable s’est accumulée. Les températures y frisent les 4 200 ° C. Le manteau de roche en fusion qui l’entoure est lui aussi très chaud avec des températures de 1000 à 3000° C. Toute cette chaleur, qui provient du refroidissement du noyau, remonte difficilement à la surface car les roches intermédiaires de l’écorce terrestre sont de très mauvais conducteurs. L’essentiel de cette énergie arrive jusqu’à nous par conduction. L’essentiel de la chaleur dégagée par notre globe n’a cependant pas pour principal responsable le refroidissement de son noyau, mais la désintégration des éléments radioactifs présents dans les roches : uranium, thorium, potassium… 90 % de l’énergie dissipée en surface provient de ce mécanisme. Cette énergie varie selon :

  • la composition chimique des roches, elle est ainsi environ 3 fois plus élevée pour les granites que pour les basaltes ;
  • l’âge des roches : les gradients géothermiques sont plus élevés dans les plates-formes jeunes, comme en France, que dans les socles anciens, comme en Scandinavie.

La géothermie a donné naissance à deux grandes filières : la production de chaleur par la très basse, la basse et la moyenne température du sol (géothermie de très basse et basse énergie) et la production d’électricité par la haute température du sol (géothermie profonde).

  • Les nappes   souterraines peu profondes (de quelques dizaines à quelques centaines de mètres) présentent des températures qui varient de 12 à 60° C selon la profondeur. La ressource peut servir pour des utilisations de chauffage et d’eau chaude sanitaire en ajoutant en surface une pompe à chaleur [PAC] qui permet de transférer de l’énergie d’un niveau à basse température vers un niveau à température élevée. Lorsqu’il n’y a pas d’eau dans le sous-sol, on peut encore exploiter la chaleur diffuse en implantant dans la terre, verticalement ou horizontalement, des capteurs chargés d’un fluide caloporteur.
  • A des profondeurs un peu plus importantes (de 500 à 2000 m) on trouve des nappes   d’eau à des températures situées entre 40 et 90° C. Ces nappes   peuvent être utilisées pour chauffer des bâtiments collectifs, directement via des réseaux de chaleur sans nécessiter une PAC.
  • La géothermie profonde : Il existe en Alsace, à Soultz-sous-Forêts, un programme européen pilote initié en 2000 qui vise à extraire la chaleur des granites profonds pour la transformer en électricité. Trois forages profonds de 5000 m ont été réalisés, un puits d’injection et deux puits de récupération. Ce dispositif fait circuler l’eau injectée dans le granite fracturé pour la réchauffer.

Qu’est-ce-qu’une Pompe A Chaleur (PAC) ?

Une PAC permet de transférer de l’énergie d’une source   à basse température vers une source   à température plus élevée. Elle utilise un fluide frigorigène (qui change de phase à des basses températures). Ce fluide récupère les calories de la source   « froide » en s’évaporant, est compressé puis, en se comprimant, transfère les calories à la source   « chaude » (l’eau circulant dans les radiateurs).
La performance d’une PAC se mesure par le COP. Le fonctionnement de toute PAC nécessite de l’électricité, Le COefficient de Performance (COP) traduit le rendement du transfert de chaleur.
COP= (Energie produite kW thermique)/( Energie nécessaire kW électrique)

Plus le COP est grand, plus l’électricité est valorisée en chaleur. Pour les machines les plus récentes, il peut être élevé et atteindre 5.

Dessin illustrant le principe d'une PAC"
Dessin illustrant le principe d’une PAC

Le potentiel géothermique de Poitou-Charentes

Géothermie basses températures (PAC)

En Poitou-Charentes, il est possible d’installer presque partout les pompes à chaleur exploitant la chaleur des nappes   de faible profondeur. Mises à part les zones de socle dans lesquelles des nappes   ne sont pas toujours présentes, les formations des bassins sédimentaires renferment en général des nappes   pouvant donner des débits plus ou moins importants. Ces aquifères   se trouvent toutefois à des profondeurs différentes allant de la surface à plusieurs centaines de mètres. De nombreuses installations ont été réalisées par des particuliers, des agriculteurs (serres), des industriels et des collectivités.

Carte du potentiel géothermique basses températures de Poitou-Charentes"
Carte du potentiel géothermique basses températures de Poitou-Charentes

Géothermie basses à moyennes températures (réseau de chaleur)

En Poitou-Charentes, pour capter des eaux profondes chaudes, il existe des potentialités uniquement dans les parties les plus profondes des bassins sédimentaires. Les aquifères   du Jurassique inférieur (Infra-Toarcien) et moyen (Dogger), voire du Trias, peuvent être exploités à cette fin. Ils renferment des eaux chaudes, fortement minéralisées, dont la température correspond au gradient   géothermique moyen (3,3° C pour 100 m de profondeur). Le lent renouvellement de ces eaux (les datations donnent en général plusieurs dizaines de milliers d’années) entraîne leur enrichissement en sulfates, chlorures, sodium, potassium… Plusieurs forages à vocation géothermique ont été réalisés dans ces nappes   à La Rochelle, Ile de Ré, Jonzac, St Jean-d’Angély…

Potentiel géothermique pour les réseaux de chaleur"
Potentiel géothermique pour les réseaux de chaleur

Géothermie pour la production d’électricité

En Poitou-Charentes, le sous-sol peut-être favorable à l’installation de pilote pour la production d’électricité. Il dispose, comme en Alsace, d’un socle fracturé pour permettre à grande profondeur la circulation de l’eau injectée. Les forages profonds (jusqu’à 1000 m) réalisés par l’ANDRA dans le Civraisien ont montré l’existence d’un socle fracturé en profondeur. Mais pour l’instant ce type de projet pilote reste du domaine de la recherche.

Le doublet géothermal pour préserver la ressource

Si les nappes   d’eau souterraines sont presque partout présentes en Poitou-Charentes, l’usage de la ressource est toutefois limité. La réinjection de l’eau dans la nappe   est donc OBLIGATOIRE après utilisation de la chaleur. Mais cette opération doit respecter certaines règles, notamment de distance entre les 2 forages. En effet, les eaux rejetées peuvent refroidir le réservoir.

Principe d'un doublet géothermal"
Principe d’un doublet géothermal

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La chaleur de la terre