L’énergie géothermique – Un avenir durable pour la transition énergétique de Suisse
La Suisse va toujours de l’avant dans sa quête d’énergie géothermique pour l’électricité. En tant que d’autres pays Européen ont bénéficié des avantages de l’énergie géothermique depuis 1904 qu’il a été découvert en termes d’électricité avantages de refroidissement et de chauffage, etc, la Suisse va de l’avant jusqu’à ce que ses efforts se manifestent.
L’énergie géothermique est l’énergie thermique qui émane de sous de la croûte terrestre. C’est à l’origine d’une proportion à peu près égale de la combinaison à la fois de la chaleur dérivée pendant la formation de la planète et aussi de la désintégration radioactive des matériaux.
De façon intéressante, l’eau chaude et la vapeur sous la surface de la terre sont utilisées comme une alternative pas chère et durable aux combustibles fossiles. L’énergie géothermique est l’une des rares sources d’énergie renouvelables capable de fournir l’approvisionnement d’une énergie durable vingt-quatre heures sur vingt-quatre heures.
Dans de bonnes conditions, l’énergie géothermique peut concurrencer économiquement avec le charbon ou le gaz naturel, ça veut dire que les pays peuvent réduire leur dépendance aux carburants importés et améliorer leur sécurité énergétique. L’énergie géothermique est une source d’électricité plus propre et donc peut jouer également un rôle important dans la ‘dé carbonisation de l’industrie de l’énergie.
Cette source d’énergie peut être utilisée directement (sans l’exigence de la production de l’énergie dans des centrales électriques, en utilisant uniquement la chaleur générée par la terre) ou indirectement (lorsque la chaleur est envoyée à une industrie qui la transforme à l’énergie électrique).
L’énergie géothermique peut être utilisée pour chauffer l’eau dans les zones résidentielles ou même toutes les villes pendant l’hiver. Il peut être utilisé également pour la production de chaleur et pour une utilisation dans les radiateurs ou les appareils thermiques dans les serres, les lieux de pêche ou les zones de loisirs.
Au Brésil par exemple, l’énergie géothermique n’est utilisée que dans les zones de loisirs. Deux villes qui utilisent leurs sources thermales pour le tourisme sont Pocos de Caldas (MG) et Caldas Novas (GO). Ces emplacements reposent sur l’émergence d’eau chauffée par le processus géothermique. En plus des températures élevées, ces eaux ont de grandes quantités de minéraux qui sont bons pour la peau et l’ensemble du corps, comme le potassium, le sélénium, le calcium, le zinc, les chlorures et le magnésium.
Comment la Terre est structurée
Pour comprendre comment l’énergie géothermique est générée, on doit savoir comment notre planète est construite. La terre n’est pas un corps solide complètement. Elle se compose de trois couches différentes – la croûte, le manteau et le noyau. Notre planète peut être comparée au mieux à une pêche : Comme une pêche, la terre a une peau, une pulpe et un noyau. La peau solide de la terre est la croûte terrestre, la vue la plus extérieure sur laquelle nous vivons. Le manteau suit sous la croûte terrestre.
Dans notre pêche, cela correspond à la pulpe. Le noyau de la terre se trouve sous le manteau terrestre. Imaginez-vous faire un voyage à l’intérieur de la terre : les premiers kilomètres vous mènent à travers de la roche solide. Après quelques kilomètres vous sentirez qu’il fait de plus en plus chaud. Dans la partie supérieure de la croûte terrestre, la température augmente de 3 degrés Celsius par 100m.
Après environ 30 kilomètres, il fait très chaude que la roche solide fond. Il devient magma. Les températures ici sont plus élevées que dans un feu normal, il fait environ 900 degrés Celsius ici. Bien que la roche fonde, elle ne devient pas liquide. La pression à cette profondeur est trop élevée pour ça. Au lieu de devenir liquide, la roche se comporte comme de la pâte à modeler. Il devient plastique.
Vous êtes maintenant dans le manteau terrestre. Il n’y a pratiquement plus de roche solide ici, seulement du magma. Les températures dans le manteau terrestre sont d’environ 2500 degrés Celsius. Il fait beaucoup plus chaud que dans un haut fourneau. Vous continuez à voyager de plus en plus loin dans la terre. Après 2900 kilomètres, vous arrivez au noyau extérieur de la terre.
Le noyau terrestre n’est plus constitué de magma, mais de fer et un autre métal, le nickel. Des températures de 5500 degrés Celsius prévalent dans le noyau inférieur de la terre. Il fait aussi chaud qu’à la surface du soleil ! Dans la zone extérieure du noyau terrestre, les métaux sont encore liquides. Au milieu de la terre, la pression est si grande que les métaux sont encore solides malgré la grande chaleur.
La source de chaleur sous la croûte de La Terre
Maintenant que vous avez compris comment la terre est structurée et imagine à quel point le manteau et le noyau pourraient être chaud, regardons comment cette grande chaleur est entrée dans la terre, d’où elles viennent réellement.
Il n’y a pas de combustion comme dans un haut fourneau. Mais il doit toujours y avoir une sorte de fourneau qui produit constamment une nouvelle chaleur. Sinon, notre terre se serait refroidie depuis longtemps. Après tout, notre planète a presque 5 milliards d’années.
A sa naissance. La terre n’était guère plus qu’une accumulation lâche de gaz et de poussière dans l’espace. Cette collection de matière ressemblait à un énorme nuage et elle était beaucoup plus grande que notre terre d’aujourd’hui. Au fil du temps, les substances dans le nuage se sont rapprochées de plus en plus, le nuage se condense de plus en plus et forme des massifs solides. Ces morceaux de gaz et de poussière se sont transformés en météorites.
Bientôt, il y avait beaucoup de météorites dans le nuage qui sont entrées en collision. De telles collisions ont causé d’énormes explosions et les météorites ont fondu ensemble. Pendant ces collisions, les météorites se sont réellement échauffées qu’elles ont briller.
De plus en plus de poussière et de gaz se sont condensés en massifs qui sont devenus de grosses météorites. La gravité dans le nuage est devenue plus élevée. En conséquence, il a commencé à s’effondrer. Comme le nuage devenait de plus en plus petit, mais que sa masse restait la même, la pression à l’intérieur du nuage augmentait. A un moment donné, le nuage était composé de nombreuses météorites qui se sont heurtées et ont fusionné. Cela a duré jusqu’à ce que presque toutes les météorites soient épuisées. Ce qui restait était un corps céleste grand et brillant : la terre.
Au cours des millions d’années qui ont suivi, la surface de la terre s’est refroidie. Une fine croûte s’est formée qui s’est progressivement épaissie. Comme une marmite de soupe, les parties lourdes ont coulées au fond. Ils formaient le manteau et le noyau lourd de la terre. Les substances lourdes qui se sont accumulées dans le noyau terrestre comprenaient non seulement du nickel et du fer, mais aussi des substances radioactives.
L’uranium est une matière radioactive. Les atomes des substances radioactives se décomposent en leurs éléments constitutifs. Cela libère de l’énergie. Une grande partie de l’énergie libérée est de la chaleur – la chaleur géothermique. C’est le même processus que dans une centrale nucléaire. Ainsi, le fourneau à l’intérieur de la terre est une sorte de centrale nucléaire naturelle.
Vous pouvez parfois voir les restes du nuage de poussière et de gaz. La nuit, des petites météorites brûlent dans les couches supérieures de l’atmosphère. Avec un peu de chance, vous verrez une merveilleuse étoile filante. Faites un vœu!
Les centrales géothermiques
Les centrales géothermiques transforment l’énergie géothermique obtenue à partir de la chaleur qui vient de l’intérieur de la Terre en électricité, et sont installées près de zones où il y a une grande quantité de vapeur et d’eau chaude. De cette façon, les réservoirs géothermiques fournissent l’énergie nécessaire pour alimenter des turbogénérateurs qui produisent de l’électricité. La première centrale géothermique a été construite en Italie en 1904.
Les centrales géothermiques utilisent des ressources hydrothermales qui contiennent à la fois de l’eau (hydro) et de la chaleur (thermique). Les centrales géothermiques requièrent des ressources hydrothermales à haute température (300 °F à 700 °F) qui viennent soit de puits de vapeur sèche, soit de puits d’eau chaude. Ces ressources sont utilisées par les humains en creusant des puits dans la terre, puis en acheminant de la vapeur ou de l’eau chaude jusqu’à la surface. L’eau chaude ou la vapeur alimente une turbine qui produit de l’électricité.
Comment est produite l’énergie géothermique ?
Les centrales géothermiques sont responsables de la conversion de la chaleur interne de la Terre en énergie électrique. La première étape de ce processus est la capture d’eau chaude ou de vapeur à l’intérieur de la Terre à travers des tubes spécialement conçus. Cette vapeur est ensuite dirigée vers les centrales, où elle est libérée sous forte pression. Lorsqu’elle est libérée, la vapeur met en mouvement des turbines qui tournent mécaniquement. Finalement, les turbines entraînent le générateur qui produit de l’énergie électrique.
Dans certains systèmes de production d’énergie électrique qui utilisent la chaleur de la Terre, l’eau est injectée dans le sous-sol chauffé pour qu’elle se transforme en chaleur et retourne sous forme de vapeur, qui, comme dans le cas précédent, fait active les turbines qui activent le générateur.
Les techniques de forage profond et la connaissance des formations souterraines donnent la promotion à un type d’exploration de l’énergie géothermique en profondeur à des températures élevées dans le manteau terrestre jusqu’à quatre kilomètres. À des profondeurs de ce niveau, la planète contient des roches extrêmement chaudes, dans lesquelles de l’eau peut être injectée et chauffée.
D’autres méthodes de forage avancées sont en cours de développement, dans le but d’augmenter l’exploitation de cette source électrique et de réduire les coûts résultant de la perte de machines. Si cela est possible, les sources géothermiques pourraient rivaliser sur les marchés mondiaux de l’énergie, qui sont en ce moment contrôlés par l’utilisation de combustibles fossiles.
Les avantages de l’énergie géothermique
Les principaux avantages de l’énergie géothermique sont :
- Il ne fonctionne pas en brûlant des combustibles. Donc, il n’est pas nécessaire d’importer et d’acheter des matières premières, ce qui réduit les coûts de production. On dépense moins pour les centrales géothermiques que pour les centrales pétrolières ou nucléaires, dont le coût d’acquisition des produits primaires est élevé.
- Il n’émet pas de gaz polluants. Ça veut dire qu’il ne contribue pas à l’intensification de l’effet de serre, contrairement aux carburants fossiles.
- Il n’endommage pas le sol. Malgré les perforations internes, l’énergie géothermique s’érode pas le sol, n’inonde pas de grandes surfaces ou ne contamine pas les eaux souterraines, comme c’est le cas avec d’autres sources d’énergies.
- Il n’est pas vulnérable aux intempéries. Les variations climatiques n’interfèrent pas l’opération des centrales géothermiques, contrairement à ce qui se passe avec l’énergie solaire ou éolienne par exemple.
- L’avantage pour les zones périphériques. Dans les zones où l’accès au réseau électrique n’est pas suffisant, les centrales géothermiques peuvent répondre aux besoins de la population, en particulier dans les régions propices à leur installation.
- Il a une production flexible. La production d’électricité de ces centrales peut varier en fonction de la demande, et non des réservoirs d’eau ou de la disponibilité des matières premières, entre autres.
Les désavantages de l’énergie géothermique
Les principaux désavantages sont :
- Enfoncement possible du terrain. Bien qu’elles n’utilisent pas le sol, les centrales géothermiques peuvent user les zones internes de la croûte, ce qui peut provoquer des chocs en surface. Par conséquent, dans certains cas, il est nécessaire d’injecter de l’eau ou un autre composant pour remplir les compositions internes.
- Bien que rarement, le forage profond peut induire une sismicité et provoquer des tremblements de terre. En 2017, le système géothermique de Pohang a provoqué un séisme de magnitude 5,4.
- Nuisances sonores et chauffage local élevé. En général, les centrales géothermiques font beaucoup de bruit, ce qui, ajouté au chauffage local élevé, rend impossible leur installation à proximité des habitations et des communautés.
- Émission de H2S (sulfure d’hydrogène). Avec la vapeur d’eau, il est courant d’avoir le dégagement du dioxyde de soufre, qui peut ne pas attaquer l’atmosphère, mais est nocif pour la santé humaine, en plus d’être très corrosif et d’avoir une odeur désagréable.
- Il ne fonctionne que dans quelques endroits. Comme pour la plupart des sources d’énergie, la géothermie ne peut être actionnée que dans des zones favorables, avec un chauffage interne élevé et où l’accès aux zones thermiques est facile et moins coûteux. Cela rend son utilisation dans la plupart des endroits irréalisable.
- Contamination possible des rivières et des lacs. Les fluides thermiques peuvent libérer des compositions minérales qui, si elles ne sont pas correctement retenues, peuvent affecter les cours d’eau dans les zones proches des centrales électriques.
- Coût d’investissement élevé. Bien que la maintenance des centrales géothermiques soit limitée, leur construction et leur installation sont coûteuses en raison de la technologie utilisée dans le processus, un facteur qui pourrait changer dans les années à venir. Bien qu’étant une source d’énergie renouvelable qui n’émet pas de gaz à effet de serre, l’énergie géothermique présente toujours des inconvénients importants. Une exposition à grande échelle au sulfure d’hydrogène, par exemple, peut causer variétés des dommages à la santé d’un travailleur.
Les irritations des yeux, du nez ou de la gorge sont quelques-uns des premiers symptômes. Les problèmes peuvent également affecter le système respiratoire, provoquant des pertes de mémoire, des maux de tête et même une altération de la fonction motrice. En plus, les experts opinent que des symptômes tels qu’une insuffisance cardiaque, une insuffisance rénale, des vomissements, des démangeaisons et des rougeurs de la peau peuvent apparaître, sans parler d’éventuelles séquelles irréversibles, telles que des désordres psychologiques.
La géothermie d’aujourd’hui
A part des ‘régions volcaniques à haute température’ (par exemple l’Islande, l’Indonésie ou la Nouvelle-Zélande), l’énergie géothermique n’a jusqu’à présent joué qu’un petit rôle dans l’approvisionnement énergétique mondial – c’est encore une technologie de niche. En 2019, environ 400 TWh (chaleur, électricité ou refroidissement) ont été fournis dans le monde grâce à l’énergie géothermique.
La forme la plus courante d’application géothermique dans le monde entier est l’utilisation de la chaleur ambiante dans le sous-sol proche de la surface à l’aide de pompes à chaleur (part environ 44% de l’énergie produite), suivie de la production d’énergie électrique (par environ 25 %) et utilisation dans les thermes (part environ 14%).
La provision de chaleur pour les réseaux de chauffage collectifs ne vient qu’en quatrième position. Le degré d’expansion de l’énergie géothermique est très faible. Seulement 7 % environ de toutes les ressources naturelles d’eau chaude connues sont actuellement utilisées. D’autres technologies, comme l’utilisation de roches chaudes qui transportent peu ou pas d’eau, aussi bien que l’utilisation de la chaleur ambiante dans le sol, ne sont guère limitées en termes d’espace.
Au cours des dernières années, la géothermie a connu des taux de croissance mondiaux d’environ 5 % par an. L’utilisation des pompes à chaleur à usage individuel a augmenté particulièrement fortement. Dans le domaine de la production d’électricité et du chauffage urbain, il faut surtout citer la Turquie, qui a commencé à utiliser l’énergie géothermique en 2010 et a depuis installé plus de 1 GW d’énergie électrique et 3,5 GW de chauffage urbain.
A part la Turquie, l’Islande, l’Italie, l’Allemagne et la France (surtout la région parisienne) sont leaders dans l’utilisation de l’énergie géothermique pour l’électricité et le chauffage direct. En ce qui concerne l’utilisation de l’énergie géothermique au moyen de pompes à chaleur, les pays scandinaves et la région DACH, dont la Suisse, sont les leaders.
Les chiffres du marché de 2019 montrent également que la Chine se concentre de plus en plus sur l’utilisation de l’énergie géothermique pour le chauffage urbain, mais le chauffage individuel des bâtiments compte également. En quelques années seulement, la Chine est devenue la première nation du monde en matière d’utilisation de la chaleur géothermique.
L’énergie géothermique en Suisse et dans le monde entier
Les trois pays les plus producteurs d’énergie géothermique au monde sont les États-Unis, les Philippines et l’Indonésie. Les États-Unis produisent déjà environ 3,7 gigawatts (GW) d’électricité géothermique, suffisamment pour alimenter plus d’un million de foyers.
Au Canada, en Alberta, un autre type de système est exploité. Il comporte un seul trou foré sur environ 1,5 miles. L’orifice est garni d’un tube rempli de fluide. Au fur et à mesure que la solution traverse le tube, elle est chauffée par les températures élevées du sol et s’écoule ensuite vers la surface.
La ville de Boise, Idaho, utilise une rivière d’eau chaude depuis 1983 pour chauffer les maisons, les entreprises et les institutions. Il se trouve à environ trois mille pieds au-dessous de la ville et est le plus grand système de chauffage géothermique du pays.
D’autres pays ont également opté pour la production d’énergie géothermique, comme la Chine, le Japon, le Chili, le Mexique, la France, l’Allemagne, le Brésil, la Hongrie et l’Islande. En ce moment, environ 25 pays sur la planète utilisent l’énergie géothermique, et en Suisse. La répartition ci-dessous explique succinctement une partie de l’utilisation de l’énergie géothermique dans le pays.
- La production d’électricité
- L’utilisation de la chaleur géothermique
Jusqu’à présent, aucune centrale géothermique n’a encore été construite en Suisse. Cependant, il y a plusieurs projets qui sont en phase de planification et environ deux ont été approuvés pour la réalisation.
Il existe actuellement plusieurs types d’applications géothermiques d’utilisation directe réalisées en Suisse. Une enquête sur la production annuelle de chaleur géothermique dans le pays de 1990 à 2018 ; basé sur des statistiques suisses sur les pompes à chaleur et des rapports des opérateurs, a montré une augmentation constante et considérable de l’utilisation de la chaleur géothermique.
Cependant, il y a eu une baisse des productions d’opération de la chaleur au cours de certaines années, en particulier en 2014 et 2018 ; cela était dû à un hiver chaud. Parmi les applications, les échangeurs de chaleur de forage avec pompes à chaleur sont toujours l’application prédominante en Suisse, suivis par l’utilisation des eaux souterraines peu profondes. D’autres systèmes, dont l’utilisation d’aquifères profonds, ont été moins pertinents jusqu’en 2018.
80,8 % de la chaleur géothermique produite venait de systèmes avec échangeurs de chaleur de forage. Le reste de l’utilisation basée sur les pompes à chaleur a été constitué par les systèmes d’eaux souterraines peu profondes (11,5 %), les thermes (5,3 %), les géostructures (1,5 %), les aquifères profonds et l’eau des tunnels constituent le pourcentage restant.
Les applications de pompes à chaleur géothermiques, de plus en plus utilisées pour le chauffage et le refroidissement, se développent régulièrement. La densité surfacique de la capacité installée est toujours l’une des plus élevées au monde entier. L’utilisation directe de la chaleur géothermique sans pompes à chaleur s’applique principalement aux bains thermaux. À Frutigen, au tunnel du Lötschberg, une grande partie de la chaleur géothermique a été directement appliquée pour la pisciculture.
- La chaleur géothermique dans l’agriculture et l’industrie
- Application d’eau de tunnel géothermique
Il n’y a pas eu d’utilisation de la chaleur géothermique profonde dans le secteur agricole et industriel à ce jour
En Suisse, de nombreux tunnels existent, en particulier dans l’orogenèse alpine et l’avant-pays vallonné. Les tunnels aident à drainer l’eau des masses rocheuses environnantes, ce qui conduit par conséquent à un écoulement d’eau chaude considérable dans le tunnel vers les portails. L’eau du tunnel est utilisée pour le réchauffement de l’espace, les serres, le bal néologique, la pisciculture, etc.
Le Programme d’énergie géothermique 2020
L’objectif principal de ce programme est d’aider à l’amélioration de notre connaissance du sous-sol, aussi bien que de développer un cadre institutionnel favorable au développement de l’énergie thermique dans notre pays. Ce programme est dirigé par l’Etat de Genève, et est financé et mis en œuvre par SIG. Ce programme est subdivisé en trois phases, qui sont :
- Phase de prospection
- Phase d’exploitation
- Phase de forage
La phase actuelle du programme est la phase de prospection et d’exploration 3D du sous-sol. Les activités dans le domaine de l’énergie géothermique profonde se sont concentrées ces dernières années exclusivement en Suisse romande.
Le canton de Genève, notamment, est pionnier dans le programme d’énergie géothermique 2020.