La géothermie consiste à exploiter l'énergie thermique (du grec thermos) contenue dans la Terre (geos), plus précisément dans sa partie accessible par la technologie actuelle i.e toute la zone du sous-sol jusqu'à un maximum de environ 10km de profondeur.

Cette énergie thermique est utilisée soit directement pour chauffer des bâtiments et autres installations industrielles, de loisir, etc... soit elle est transformée dans une centrale géothermique afin de convertir la chaleur en énergie électrique.

Suivant la température de la zone exploitée (généralement liée à la profondeur) les technologies utilisées sont très variées. On distingue généralement trois type de ressources géothermiques:

Géothermie à très basse température (T < 30°C)

- Très faible profondeur.
- Utilisation directe. Pompe à chaleur, avec possibilité d'inversion pour climatisation.
- Exemples: puits canadiens, sonde géothermique domestique

Géothermie à basse température (30°C < T < 80°C)

- 1500m à 2500m de profondeur
- Utilisation directe de l'énergie sous forme de chaleur avec échangeurs. Micro-centrale géothermique ORC (Organic Rankin Cycle).
- Exemples: chauffages collectifs, installations industrielles

Géothermie à haute température (80°C < T < 300°C)

- Grandes profondeurs, ou dès 1500m dans les zones à forte enthalpie situées dans les régions volcaniques.
- Cogénération. Production électrique. Technologies:

• Hot Dry Rock (HDR) où de l'eau est injectée sous pression pour fragmenter la roche
• Hot Fractured Rock (HFR) où la roche est naturellement fragmentée
• Enhanced Geothermal System (EGS)

Le flux de chaleur disponible à la surface de la terre n'est pas homogène sur la planète, il dépend de la situation par rapport aux plaques terrestres. Naturellement les zones qui présentent des "anomalies" intéressantes, sont situées au niveau des failles et donc dans les région volcaniques. Ces zones présentent des température élevées > 150°C à faible profondeur.

Voir l'image ci-jointe: Flux thermique à la surface du globe. Source: Stéphane Labrosse
Voir ci-dessous pour des cartes régionales détaillées (Suisse, France).

La technologie nécessaire pour l'exploitation de la géothermie à haute température est essentiellement dérivée de l'industrie pétrolière et c'est donc cette dernière qui peut influencer les développements de cette énergie dans un proche avenir.

Les principaux pays exploitant l'énergie géothermique se trouvent dans des régions volcaniques situées aux frontières des plaques (ceinture de feu Pacifique, arcs antillais et méditerranéen, rift africain). Par ordre d'importance on trouve les pays suivants:

- États-Unis (29% de la puissance mondiale installée, essentiellement dans l’ouest)
- Philippines (16%)
- Indonésie (11%)
- Mexique (8,5%)
- Puis, l'Italie, la Nouvelle-Zélande, l'Islande et le Japon.

D'un point de vue économique l'avantage de l'électricité géothermique est son indépendance vis à vis du coût des combustibles, et la stabilité de rendement à court et long terme. Cette énergie ne dépend ni de la météo, ni des conditions géopolitiques. Cependant, les coûts d'investissement sont élevés. Les forages comptent pour plus de la moitié des coûts et l'exploration de ressources profondes implique des risques significatifs.

Chevron Corporation est le plus grand producteur privé mondial d'électricité géothermique. Le champ géothermique le plus développé: The Geysers en Californie, alimentait 15 centrales en 2008, toutes appartenant à Calpine, avec une puissance totale de 725 MW.

Réserves:
Quantité de chaleur contenue dans le globe terrestre: 10^31
Joules Flux moyen d'énergie géothermique à la surface du globe: 0,1 W/m2

Centrales géothermiques:
Plus grande installation au monde: The Geysers (USA) 2'000 MW électriques

Puissances:
Puissance électrique géothermique installée dans le monde (2012): 11,7 GWe
Puissance chaleur géothermique disponible dans le monde (2012): 66 GWth

Production annuelle:
Production électrique géothermique dans le monde (2012): 72 TWh/an
Production de chaleur géothermique dans le monde (2012): 150 TWh/an

Coûts:
Coût de l'électricité géothermique: 0,04-0,10 € par kWh

Le premier usage de l'énergie géothermique est celui des des thermes qui ont accompagné l’essor de nombreuses civilisations, en particulier dans les régions volcaniques. 2000 ans av. J.-C. les boues chaudes des îles Lipari (Sicile) étaient déjà exploitées par les habitants pour leurs vertus thérapeutiques.

L'empire romain avait pour habitude de faire construire des thermes dans les villes nouvellement conquises. Au Moyen Âge, la France utilisait ses abondantes ressources thermales dans le Massif central (Auvergne, Ardèche), en Provence et en Aquitaine.

La production d'électricité par l'exploitation des ressources géothermiques est bien plus récente et c'est effectuée en plusieurs étapes. On considère que le père de la géothermie est François de Larderel, un français qui met au point en 1818 une technique permettant de recueillir la vapeur émise par les "lagoni" de la région de Livourne en Italie. La pression de cette vapeur est alors suffisante pour alimenter les chaudières d'évaporation nécessaires à l'extraction de l'acide borique des boues naturellement riches en substances boriquées.

La technique sera perfectionnée dans les années suivantes grâce aux premiers travaux de forage qui permettent d'augmenter la quantité de vapeur qui conduira à produire de l'électricité. Le grand-duc Léopold II de Habsbourg-Toscane soutient l'entreprise de Larderel et lui accorde le titre de comte de Montecerboli. Une ville, baptisée Larderello en hommage à l'action de l'industriel, est fondée pour accueillir les ouvriers travaillant dans l'usine de production de l'acide borique.

Le premier générateur d'électricité géothermique issu des travaux de François de Larderel a été inauguré le 4 juillet 1904 à Larderello. Ce générateur permet d'allumer quatre ampoules!

Image ci-jointe: Premier générateur de Larderello

En 1911, la première centrale géothermique commerciale au monde y est construite. Malgré les générateurs expérimentaux construits à Beppu au Japon et à The Geysers en Californie (années 1920) l'Italie resta le seul producteur industriel d'électricité géothermique au monde jusqu'en 1958.

La première centrale à condensation date de 1958, elle a été construite à Wairakei en Nouvelle-Zélande.

C'est la Russie qui a réalisé la première centrale à cycle combiné (1967). Elle a été introduite aux États-Unis en 1981 à la suite de la crise de l'énergie de 1973 et de changements des politiques réglementaires. Cette technologie permet d'utiliser des ressources de bien plus faible température que celles qui étaient auparavant récupérables.

En 2006, une centrale à cycle combiné à Chena Hot Springs en Alaska entra en service, produisant l'électricité à partir d'une température de fluide historiquement basse de 57°C.

Les centrales géothermiques fonctionnent sur le même principe que les centrales thermiques: la chaleur fournie par une source est soit utilisée en direct sous forme de vapeur soit utilisée pour chauffer de l'eau ou un autre fluide. Ce fluide est ensuite utilisé pour actionner une turbine d'un générateur qui produit l'électricité. Le fluide est ensuite refroidi et renvoyé à la source chaude.

Voici quelques variante de centrales thermiques:


Centrales à vapeur sèche

Il s'agit du modèle le plus simple et le plus ancien, on utilise directement la vapeur géothermique à env. 150°C ou plus pour actionner des turbines.

Centrales à condensation

Cette technologie consiste à injecter de l'eau chaude à haute pression tirée des grandes profondeurs dans des cuves à basse pression et l'on utilise la vapeur de vaporisation qui en résulte pour actionner les turbines. Ces centrales requièrent des températures de fluide d'au moins 180°C, habituellement plus. C'est le type le plus commun de centrale en fonctionnement actuellement.

Centrales à cycle combiné

Pour ce développement technologique récent, on peut accepter des températures de fluide moins élevée, la température la plus basse actuellement exploitée est de 57°C. L'eau géothermique modérément chaude transfère sa chaleur à un fluide secondaire dont le point d'ébullition est beaucoup plus bas que celui de l'eau. Ceci déclenche la vaporisation du fluide secondaire, qui ensuite actionne les turbines. Le processus se passe selon un cycle thermodynamique de Rankine ou Kalina. La pluspart des centrales géothermique en construction actuellement fonctionnent sur ce principe.


L'efficacité énergétique de ce type de centrale est habituellement d'environ 10-13%, une valeur plutôt faible qui est inhérente aux basses températures utilisées et aux principes de base de la thermodynamique. Néanmoins dans une centrale géothermique (comme pour toute centrale thermique) la chaleur résiduelle, peut être récupérée et utilisée directement et sur place, par exemple dans des serres, des scieries ou dans le chauffage urbain.

Dans le cas des centrales géothermique l'efficacité énergétique médiocre du système n'affecte pas autant les coûts opérationnels que pour une centrale à charbon ou autre combustible fossile. Cependant afin de produire plus d'énergie que les pompes n'en consomment, la production d'électricité requiert des champs géothermiques à haute température et des cycles thermiques spécialisés.

La structure terrestre est composée de différentes couches.

- un noyau solide au centre (Fer-Nickel), de 1 200 km de rayon et de température supérieure à 5000°C.
- une couche liquide métallique, d’une épaisseur de 2 300 km et d’une température moyenne de 4 000°C.
- un manteau ductile constitué de deux couches:
1) le manteau inférieur, solide et élastique, épais de 2 250 km, de température décroissant de 3 500 à 2 000°C.
2) le manteau supérieur, plastique et liquide, au contact de l’écorce terrestre (décroissant de 2 000 à 1 000°C).
- une écorce solide, flottant sur le manteau supérieur (1 000°C), fracturée en plaques mobiles.

La transition croûte-manteau s’appelle la discontinuité de MOHO. Aujourd'hui, malgré un forage record à 12 km, MOHO n’a pas encore été atteinte.

En surface, dès une faible profondeur, environ 10 m, le sol est presque partout à une température stable d’environ 15°C. Au-delà le sol s’échauffent en moyenne d’environ 3 à 4°C par 100 mètres de profondeur. Dans les régions de fracture de l’écorce (failles, zones volcaniques), cet échauffement peut atteindre des valeurs nettement supérieures, typiquement plus de 10°C par 100 m.

Origine de la chaleur terrestre

Environ 90% du flux de chaleur à la surface terrestre provient de la désintégration radioactive des atomes fissiles contenu dans les roches constituant les différentes couche terrestres. Il s'agit essentiellement d'uranium, de thorium et de potassium. Les 10% restants proviennent de la chaleur initiale, reliquat de la formation de la planète il y a 4,5 milliards d'années.