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Formes de la géothermie

Selon la profondeur et la chaleur utilisée, on peut faire la distinction entre deux formes de géothermie: la géothermie profonde et la géothermie peu profonde (jusqu’à environ 400 mètres). Le Service Sismologique Suisse (SED) se consacre uniquement à la géothermie profonde. Il s’agit en effet de la seule forme de géothermie, en l’état actuel des connaissances, à pouvoir entraîner des séismes induits. Les autres activités dans le sous-sol terrestre susceptibles d’induire des séismes sont mentionnées ici.

Les explications qui suivent ont pour but de présenter brièvement les notions centrales sur la géothermie et proviennent de différentes sources dont les références sont indiquées.

Géothermie profonde

Dans le cas de la géothermie profonde, les structures de la roche concernées sont situées à au moins 400 mètres sous la surface terrestre. Différentes utilisations sont possibles selon les températures du sous-sol.

Les aquifères profonds (nappes aquifères) que l’on trouve entre 400 et 2000 mètres de profondeur sont caractérisés par des températures allant de 20 à 70° C. Les eaux chaudes qu’ils contiennent sont idéales pour se baigner, mais également pour la production de chaleur. Cela peut-être réalisé en mettant à profit le même type d’appareils que ceux que l’on utilise pour le drainage de l’eau lors des travaux de construction de tunnels (OFEN, L’utilisation de la chaleur terrestre - Aperçu, technologies, visions).

Entre 4000 et 6000 mètres, les températures sont comprises entre 150 et 200° C. Les projets géothermiques qui accèdent aux masses rocheuses situées à cette profondeur se servent le plus souvent d’une partie de cette énergie directement pour produire de l’électricité. Le reste peut alimenter un réseau de chaleur à distance.

On peut distinguer deux systèmes pour la production d’énergie en profondeur: pétrothermal et hydrothermal.

Les systèmes pétrothermaux consistent à introduire pendant plusieurs jours dans les profondeurs du sol quelque 10’000 mètres cubes (1 m3 = 1000 l) de liquide (généralement de l’eau injectée à une très forte pression), le plus souvent dans le soubassement cristallin. Le but est de réactiver l’ensemble des très nombreuses failles existantes qui formeront ensuite un réservoir. On augmente en continu la perméabilité de la roche au moyen de microséismes de différentes forces, afin d’améliorer la circulation de l’eau. Le système de fissures qui est ainsi créé est idéal pour une exploitation géothermique (on parle en anglais de «Enhanced Geothernal System (EGS)»). Il sert de réservoir souterrain dans lequel l’eau circule et se réchauffe. Les microséismes sur lesquels s’appuie ce processus sont très surveillés. D’une part, afin de contrôler au mieux la sismicité induite (voir Mesures d’endiguement de la sismicité induite). D’autre part afin d’en tirer des informations quant à l’état et à l’étendue d’un réservoir en expansion constante. Un second forage permet ensuite de créer un circuit artificiel afin de diriger vers la surface l’eau chauffée par l’énergie géothermique. L’eau circule alors dans un système qui n’est qu’en partie fermé et dans lequel la pression du réservoir et l’écoulement du liquide sont contrôlés par les débits de circulation et de production.

Le procédé utilisé pour accroître la perméabilité, appelé stimulation, déclenche toujours de petits séismes. Il ne s’agit donc pas d’un effet secondaire non souhaité, mais bien de l’outil avec lequel on opère dans le sous-sol. Dans la plupart des cas, ces séismes sont tellement faibles que l’être humain ne les perçoit pas. Une stimulation réussie consiste à créer un système de fissures qui permette de faire circuler de manière régulière un aussi gros volume de liquide que possible. Ce système ne doit comporter aucun «raccourci». Un raccourci se forme lorsque l’eau se déplace trop rapidement dans la roche et passe d’un puits de forage à l’autre sans avoir été suffisamment chauffée. Il convient par ailleurs d’éviter les séismes trop importants, car ceux-ci peuvent entraîner des dommages. Partout dans le monde, des scientifiques et des industriels cherchent la meilleure manière de réussir ce qui s’apparente à un vrai numéro d’équilibriste. Vous trouverez des informations générales à ce sujet dans Geothermie Roadmaps (en anglais) du Centre suisse de compétence en recherche énergétique – approvisionnement d’électricité (SCCER-SoE).

Le système pétrothermal, autrefois connu sous les termes de «procédé Hot-Dry-Rock» ou encore de «Deep Heat Mining», a été employé entre autres à Bâle. Des systèmes pétrothermaux sont mis en place dans à peu près toute la Suisse. Pour être économiquement intéressant, un système pétrothermal doit fournir entre 50 et 200 litres d’eau par seconde et la température de cette eau doit être comprise entre 150 et 180° C. De plus, la réduction de la température de l’eau au cours des quelque 30 années d’exploitation doit être lente.

Les systèmes hydrothermaux s’appuient en principe sur les masses rocheuses (les aquifères) dans lesquelles l’eau circule déjà dans les sédiments, et font remonter cette eau naturellement chaude à la surface. Pour une production d’électricité rentable, la température de l’eau dans les aquifères utilisés doit s’élever au minimum à 100 °C (au-delà de la température habituelle des sources thermales). Après en avoir capté la chaleur, l’eau refroidie est parfois réintroduite dans le sous-sol par pompage au travers du second puits de forage. Ce système ne nécessite habituellement qu’une stimulation minimale de la roche, dès lors que l’eau se trouve en quantité suffisante dans le sous-sol. Par conséquent, et contrairement aux systèmes pétrothermaux, cette méthode ne déclenche pas nécessairement de microséismes.

Le projet de géothermie de Saint-Gall repose sur un système hydrothermal. Les systèmes hydrothermaux, dans la mesure où ils ont besoin d’aquifères existants et suffisamment perméables ainsi que de températures élevées, doivent se limiter à des emplacements déterminés. Ainsi, il est bien souvent nécessaire de réaliser au préalable des tests complets de reconnaissance sismologique afin d’identifier des sites adaptés.

Géothermie peu profonde

La géothermie peu profonde s’appuie sur des sondes géothermiques ou des champs de sondes géothermiques, sur l’exploitation de la chaleur des eaux souterraines, sur des pieux énergétiques ainsi que sur des géostructures. Ce type de géothermie se limite à une profondeur maximale de 400 mètres dans le sous-sol (BMU, 2009, Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie in Deutschland) et progresse par couches dont les températures sont comprises entre 8 et 20° C (OFEN, Utilisation de la chaleur terrestre).

Le plus souvent, des sondes géothermiques sont mises en place afin de faire fonctionner des pompes à chaleur. Elles captent la chaleur de la Terre, de l’air ou de l’eau. Une géothermie peu profonde au moyen de sondes géothermiques peut être employée pour chauffer des locaux et pour la production d’eau chaude, bien que des pompes de ce type nécessitent par ailleurs de l’électricité. Une pompe à chaleur fonctionne selon un principe inverse à celui d’un réfrigérateur et a par conséquent besoin d’une source d’énergie (pour une description plus précise, voir le site internet du Groupement professionnel suisse pour les pompes à chaleurs). Dès lors que la profondeur n’excède pas 200 mètres environ, les sondes géothermiques peuvent également être employées pour rafraîchir des locaux (Géothermie Saint-Gall).

Des séismes induits ne sont pas à craindre avec ce type de géothermie, qui implique des profondeurs réduites et des systèmes généralement fermés.