La géothermie

publié le 04/01/2021 | mis à jour le 07/02/2024 | par Héloïse Lebrun-Brocail

Géothermie : qu’est-ce que c’est ?

Étymologiquement, le terme « géothermie » signifie chaleur de la terre. Cette source d’énergie est exploitée depuis des millénaires, notamment pour la production d’eau chaude.

Géothermie : principe de fonctionnement

La Terre absorbe en permanence de l’énergie solaire. Cette énergie solaire est stockée sous forme de calories dans le sol. À cette énergie solaire vient d’ajouter l’énergie produite par le sous-sol profond de notre planète. La température des roches augmente ainsi en moyenne d’un degré Celsius tous les trente mètres. Dans les zones volcaniques, cette augmentation peut être de dix degrés Celsius tous les cent mètres. On appelle ce phénomène le « gradient géothermal ».

Le site d’information Géothermies, déployé par l’Agence de la transition écologique (ADEME) et par le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) en 2020, définit alors la géothermie de la façon suivante : « L’ensemble des technologies qui permettent d’exploiter la chaleur de la Terre. »

Il existe différents types de géothermie. C’est d’ailleurs pour cette raison que certains préfèrent employer l’expression « les géothermies ». On distingue la géothermie profonde et la géothermie de surface. La géothermie regroupe :

• la géothermie basse énergie ;
• la géothermie moyenne énergie ;
• la géothermie haute énergie ;
• la géothermie de surface, également appelée géothermie très basse énergie ou géothermie superficielle.

Passons en revue ces différents types de géothermie.

Qu’est-ce que la géothermie de surface ?

La géothermie très basse énergie recouvre l’ensemble des techniques de valorisation de l’énergie du sous-sol peu profond, c’est-à-dire allant de 200 à 400 mètres de profondeur selon les pays. À ces profondeurs, la température est relativement peu élevée puisqu’elle n’est que d’une dizaine de degrés Celsius au maximum. L’utilisation d’une Pompe à chaleur (PAC) pour valoriser l’énergie prélevée est donc souvent nécessaire.

On distingue quatre types de géothermie superficielle :

• la géothermie sur capteur horizontal, utilisée pour fournir des maisons individuelles en chaud et en frais grâce à une pompe à chaleur ;
• la géothermie sur capteur vertical, qui permet également de fournir en chaud et en frais des maisons individuelles, grâce à une pompe à chaleur. La géothermie sur capteurs verticaux est utilisée lorsqu’il n’est pas possible d’installer une pompe à chaleur à capteurs horizontaux par manque de place ;
• la géothermie sur aquifère superficiel, également appelée « pompe à chaleur sur nappe ». Elle permet d’exploiter des aquifères situés entre zéro et quelques centaines de mètres de profondeur. Son utilisation est réservée aux bâtiments de plus de 2 000 m² car elle nécessite de réaliser des travaux de grande ampleur et engendre donc des coûts très conséquents. La pompe à chaleur sur nappe est ainsi constituée d’un forage de production et d’un forage de rejet de l’eau ;
• la géothermie sur champ de sondes, qui est utilisée lorsque le sous-sol ne comporte pas d’aquifères exploitables et que le bâtiment requiert une production de chaleur importante. Elle est généralement utilisée dans le cadre du résidentiel collectif, du petit ou moyen tertiaire comme les maisons de retraite ou les immeubles de bureaux, et des écoquartiers.

La méthode d’exploitation ne sera pas ailleurs pas la même selon que le sous-sol contienne un aquifère exploitable ou non. Si oui, on parlera d’opérations avec pompe à chaleur sur aquifères superficiels. Cette technologie est souvent appelée PAC sur eau de nappe. Si non, on parle d’opérations avec pompe à chaleur sur champs de sonde géothermique.

Qu’est-ce que la géothermie profonde ?

Comme le rappelle l’Agence de la transition écologique (ADEME), « la géothermie profonde consiste en la valorisation des ressources en eau profonde comprises généralement entre 400 et 2 000 mètres ». On parle de ressources géothermiques profondes ou de réservoirs ou gisements géothermiques. À ces profondeurs, la température de l’eau souterraine varie de 30 à 90 °C. La chaleur peut donc directement être exploitée, sans que l’usage d’une pompe à chaleur ne soit nécessaire. L’exploitation de cette chaleur est généralement faite grâce à un doublet de forages sur le même aquifère, avec un puits de production et un puits de réinjection.

Les ressources géothermiques profondes sont généralement situées :

• dans les aquifères profonds, notamment exploités pour produire de la chaleur ;
• dans les zones volcaniques, utilisées pour produire de l’électricité ;
• dans les fossés d’effondrement, permettant de mener des projets de cogénération et donc de produire à la fois de la chaleur et de l’électricité.

En France métropolitaine, les ressources géothermiques profondes se trouvent essentiellement dans des bassins sédimentaires et des bassins d’effondrement. Ils se trouvent majoritairement :

• en région parisienne ;
• en région aquitaine ;
• en Alsace (on parle de fossé rhénan) ;
• dans les Alpes (on parle de fossé rhodanien) ;
• dans le Massif Central ;
• dans la région du Hainaut (Hauts-de-France).

Quels sont les usages de la géothermie ?

La géothermie peut être utilisée pour trois usages très différents :

• la production de chaleur ;
• la production de frais ;
• la production d’électricité.

À chaque usage correspondent différents types de géothermie. Passons-les maintenant en revue.

Produire de la chaleur et de l’eau chaude sanitaire

Le chauffage des logements à l’aide de réseaux de chaleur géothermique est aujourd’hui le premier poste d’utilisation de la géothermie en France.

La production de chaleur peut être effectuée à la fois grâce à la géothermie de surface et à la géothermie profonde.

Géothermie profonde

La géothermie profonde peut permettre de chauffer des bâtiments, mais aussi des serres, des bassins de pisciculture, etc. Elle peut aussi s’intégrer à des procédés industriels. La France compte actuellement 59 réseaux de chaleur urbains alimentés grâce à la géothermie profonde.

En France, les bâtiments chauffés grâce à la géothermie sont majoritairement situés en Île-de-France, qui est la région qui concentre la plus grande densité de ces installations en Europe. Près de 220 000 équivalents logements y sont ainsi chauffés grâce à de l’énergie géothermique, grâce à l’exploitation de l’aquifère du Dogger, situé entre 1 600 et 1 800 m et dont la température est comprise entre 56 et 85 °C selon les zones.

L’usine d’amidonnerie Roquette Frères, située à Beinheim, dans le Bas-Rhin, est alimentée en chaleur par la centrale géothermique de Rittershoffen, dont la puissance installée est de 24 MW. L’énergie géothermique permet de couvrir environ 25 % des besoins en chaleur de l’usine. Mise en place en 2016, la centrale de Rittershoffen représentait à l’époque la première centrale géothermique à vocation industrielle au monde.

Géothermie de surface

La géothermie superficielle peut couvrir les besoins en chaleur de structures comme des maisons, des bâtiments, ou encore des écoquartiers. Cela nécessite néanmoins l’installation d’un système d’émission de chaleur basse température (radiateurs basse température, planchers chauffants ou ventilo-convecteurs).

Aujourd’hui, plus de 80 pays ont recours à la géothermie pour produire de la chaleur. La Chine, les États-Unis et la Suède sont les plus grands producteurs de chaleur géothermique.

Produire du frais

La géothermie de surface peut être utilisée pour produire du frais ou du froid. Elle peut fournir une maison individuelle, mais aussi un écoquartier ou une zone industrielle.

La production de frais et de froid peut se faire :

• sans pompe à chaleur : on parle alors de geocooling. En été, la température du sous-sol est ainsi inférieure à celle de l’air extérieur. Elle peut donc permettre de rafraîchir directement un logement ou un bâtiment ;
• à l’aide d’une pompe à chaleur réversible : on parle alors de production de froid actif ;
• à l’aide d’un puits climatique : l’air extérieur est injecté dans des tubes situés entre 1,5 et 4 mètres sous terre. Il est ensuite réinjecté dans les bâtiments et permet de les rafraîchir.

La production de froid et de frais grâce à la géothermie de surface permet d’éviter l’usage de climatiseurs aérothermiques. Ces climatiseurs présentent en effet de nombreux inconvénients :

• ils consomment une grande quantité d’électricité et sont donc extrêmement polluants ;
• ils favorisent le développement d’îlots de chaleur en rejetant de l’air chaud.

Produire de l’électricité

Les ressources géothermiques dont les températures dépassent 110 degrés Celsius permettent de produire de l’électricité. Elles se situent notamment dans les zones de volcanisme actif ou récent. La taille moyenne de ces centrales géothermiques est comprise entre 10 et 50 MW.

En France, les ressources géothermiques potentiellement exploitables pour fabriquer de l’électricité sont majoritairement situées dans les DOM-TOM. Deux sites produisent actuellement de l’électricité géothermique : le site de Bouillante en Guadeloupe et le site Soultz-Sous-Forêts, au nord d’Haguenau dans le Bas-Rhin. D’autres sites sont en cours de déploiement en Alsace.

La production d’électricité grâce à la géothermie permet l’avantage indéniable d’être presque constamment possible, à l’inverse de la production d’électricité effectuée grâce aux autres énergies renouvelables comme l’énergie solaire ou l’énergie éolienne.

Aujourd’hui, une trentaine de pays ont recours à la géothermie pour produire de l’électricité. Il s’agit majoritairement de pays situés dans des zones de volcanisme actif ou récent. Les États-Unis, l’Indonésie, le Kenya, les Philippines et la Turquie sont actuellement les plus grands producteurs d’électricité grâce à la géothermie.

Géothermie : une énergie qui joue un rôle central dans la transition énergétique

La géothermie est une énergie renouvelable, qui peut permettre à la France d’atteindre ses objectifs en matière de transition énergétique et de lutte contre le réchauffement climatique.

La géothermie, une énergie renouvelable

Selon l’Agence de la transition écologique (ADEME), on appelle énergie renouvelable une énergie « issue de sources non fossiles renouvelables ». On les oppose aux énergies fossiles dites non renouvelables, comme le pétrole, le gaz naturel, ou encore le charbon.

L’usage d’énergies renouvelables génère beaucoup moins d’émissions de gaz à effet de serre que celui des énergies fossiles. Elles sont donc un atout indéniable dans la lutte contre le réchauffement climatique.

Comparons ainsi les émissions de gaz à effet de serre entraînées par la production d’un kilowattheure d’électricité via différentes sources d’énergie à la fois fossiles et renouvelables.

On voit que le contenu en CO₂ à la production d’un kilowattheure d’électricité généré grâce à la géothermie est de 45 grammes. Il est de 418 grammes lorsque le kilowattheure est généré grâce au gaz naturel, et de 1 060 grammes lorsqu’il est produit grâce au charbon.

On constate également que la production d’un kilowattheure d’électricité grâce à la géothermie entraîne plus d’émissions de gaz à effet de serre que la production d’un kilowattheure d’électricité à grâce aux énergies éoliennes et hydrauliques.

Nous l’avons vu précédemment, la géothermie exploite la chaleur émise et emmagasinée par la terre. Il s’agit donc d’une énergie verte et renouvelable.

Certains exemples sont édifiants. La centrale géothermique de Rittershoffen permet d’éviter le rejet de 39 000 tonnes de dioxyde de carbone par an, ce qui correspond aux émissions d’environ 16 000 véhicules. De même, l’usage de la géothermie pour répondre aux besoins de chauffage du centre aquatique de Saint-Amand-les-Eaux (59) permet un gain environnemental de 744 tonnes équivalent CO₂ par an, par rapport à un chauffage au gaz traditionnel.

Comme le souligne le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) dans un article publié sur the Conversation, « les installations de géothermie de surface rejettent en moyenne moins de 10 g de CO₂ par kWh de froid produit », et 1 kWh de frais produit grâce au geocooling entraîne l’émission de 0,77 g de CO₂, ce qui est minime.

Contrairement au solaire et à l’éolien, la géothermie présente l’avantage de ne pas être intermittente. Cela signifie qu’elle permet de produire la même quantité de chaleur et/ou d’électricité de façon quasi constante.

L’énergie géothermique peut également être plus facilement stockée que d’autres énergies renouvelables comme les énergies éolienne et solaire, qui nécessitent l’utilisation de batteries coûteuses et polluantes. Comme le précise Géothermies, « la géothermie de surface peut permettre le stockage saisonnier d’énergie en utilisant l’inertie thermique du sous-sol ». Elle permet ainsi de stocker aussi bien du chaud que du frais, et rend possible leur usage différé.

La géothermie profonde rend également possible le stockage de surplus de chaleur. Cette chaleur peut ensuite être réutilisée de manière différée. On parle de stockage thermique, ou encore de stockage profond.

À quel stade de développement en est la filiale géothermique française ?

La France est aujourd’hui le deuxième pays produisant le plus de chaleur issue de la géothermie profonde à l’échelle de l’Union européenne derrière l’Italie et devant la Hongrie et l’Allemagne. C’est par ailleurs en France qu’on trouve la plus grande concentration de réseaux de chaleur alimentés par la géothermie.

En ce qui concerne la géothermie superficielle, on compte plus de 1,5 million de pompes à chaleur géothermiques en Europe en 2018. Le parc français en contenait lui autour de 210 000.

Selon l’édition 2020 des Chiffres clés des énergies renouvelables publiés par le Ministère de la Transition écologique, la géothermie représentait en 2019 1,7 % de la production primaire d’énergies renouvelables, contre 18 pour l’hydraulique (hors pompages), 10,8 % pour l’éolien et 3,6 % pour le solaire photovoltaïque. La production primaire globale d’énergies renouvelables s’élevait à 230 TWh.

On note également dans le rapport une faible évolution de la production d’énergie grâce à la géothermie ces dernières années. La production de chaleur à l’aide de la géothermie est passée de 1,25 TWh environ en 2005 à 2,1 TWh environ en 2018. La production d’électricité est-elle restée presque constante, avec une production de 0,1 TWh environ en 2005 et en 2018.

Source : Chiffres clés des énergies renouvelables, édition 2020, Ministère de la Transition écologique

La géothermie occupe donc encore aujourd’hui une place mineure dans le mix énergétique français et dans la transition écologique.

Les pompes à chaleur géothermiques, un moyen efficace de réduire son impact environnemental et ses factures d’énergie

Si vous souhaitez réduire votre impact carbone et réduire vos factures d’énergie, il vous est possible d’installer une pompe à chaleur géothermique afin de chauffer votre logement et/ou de produire de l’eau chaude sanitaire. La majeure partie des PAC géothermiques sont également en capacité de refroidir votre logement.

Comme l’explique l’ADEME dans son guide « Installer une pompe à chaleur », le prélèvement de chaleur s’effectue grâce à des tubes enterrés dans le sol, que l’on appelle des capteurs. Il peut s’agir de capteurs verticaux ou de capteurs horizontaux. Les pompes à chaleur à capteurs horizontaux sont actuellement les plus répandues en France. Leur installation coûte considérablement moins cher que celle des PAC à capteur verticaux mais nécessite de disposer d’une surface de terrain suffisante. Les PAC géothermiques à capteurs enterrés verticaux ne peuvent être installées qu’après plusieurs démarches administratives concernant le forage. Elles nécessitent notamment d’effectuer une déclaration préalable à la Direction régionale de l’industrie, de la recherche et de l’environnement (DRIRE) en vertu de l’article 131 du Code minier, et d’effectuer une demande de travaux à la mairie.

Les pompes à chaleur géothermiques peuvent s’adapter à un chauffage électrique ou à un chauffage central :

• si vous êtes déjà équipé d’un chauffage électrique, la chaleur sera diffusée par des ventilo-convecteurs alimentés par le fluide caloporteur ;
• si votre logement dispose d’un chauffage central, la pompe à chaleur pourra diffuser la chaleur directement à travers lui, que ce soit via :
  • des émetteurs haute température (comme des radiateurs classiques) ;
  • des émetteurs basse température (comme un plancher chauffant ou des radiateurs dits à chaleur douce).

L’installation d’une pompe à chaleur géothermique représente des coûts assez conséquents. Comptez environ 10 000 euros pour l’achat de la pompe à chaleur, auxquels viennent d’ajouter les frais de pose notamment liés au forage et au terrassement, variables selon le prestataire que vous aurez choisi. Le budget global lié à l’installation d’une pompe à chaleur est ainsi de 15 000 euros au minimum. À ces frais s’ajouteront également des frais d’entretien annuel de votre pompe à chaleur. La pompe à chaleur géothermique ayant besoin d’électricité pour fonctionner, vous devrez également maintenir un abonnement auprès d’un fournisseur d’électricité.

L’ADEME évalue le coût de fonctionnement des pompes à chaleur géothermiques à entre 3 à 7 € par mètre carré par an, hors abonnement d’électricité.

L’installation d’une pompe à chaleur géothermique est éligible à :

• MaPrimeRénov’ qui remplace le Crédit d’impôt transition énergétique pour l’ensemble des ménages dès janvier 2021 ;
• l’éco-prêt à taux zéro (éco-PTZ) ;
• l’aide Habiter Mieux de l’Anah.

Les pompes à chaleur ont une durée de vie d’environ 15 ans. Celle des capteurs enterrés est d’environ 40 ans.