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La géothermie

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Le Projet

La géothermie (chaleur de la terre), en terme de recherche fondamentale, regroupe l’ensemble des études concernant les flux de chaleur internes à la planète (convection [1], conduction [2], et rayonnement [3]). En terme de recherche appliquée, elle consiste à exploiter cette chaleur interne, ressource infinie, permettant ainsi la création d’énergies à la surface (chauffage de conduites, rotation de turbines, etc.).

I - Généralités

I.1 - Définition :

Cette source d’énergie est une des moins polluantes à l’heure actuelle et mérite d’être mise au premier plan dans des optiques de développement durable. Pour anecdote, la première centrale géothermique a été construite en 1904 sur le site de Larderello en Italie. Mais c’est l’Islande qui se distingue particulièrement avec cette énergie. Savez-vous que ce pays est aujourd’hui le 1er producteur de bananes en Europe grâce à l’utilisation combinée de l’eau chaude et de turbines à vapeur pour chauffer et éclairer ses nombreuses serres ? Et ce sans pollution et à seulement quelques centaines de kilomètres du cercle polaire arctique !

Mais plus simplement, cette source d’énergie inépuisable permet de chauffer des maisons, des piscines, des serres etc. de façon écologique. Dans la plupart des cas, notamment pour les applications industrielles (donc de grande ampleur comme pour la production d’électricité), il s’agit de fracturer les roches en profondeur (jusqu’à 5 kilomètres) et faire circuler de l’eau dans cette fracture (liquide à cette profondeur malgré la haute température) que l’on récupère ensuite à la surface aux environs de 150°-200° (sous forme de vapeur). En effet, la température des roches augmentent avec la profondeur de 1°C tous les 30 mètres en moyenne (gradient géothermique [4]). Une telle technologie est évidemment très difficile à mettre en place et est extrêmement coûteuse. Les caractéristiques du fluide géothermique extrait (température, composition) dépendent de celles de la formation géologique. Il en résulte une multiplicité de techniques et de modes de valorisation.

Mais la géothermie peut également être utilisée à plus petite échelle. Elle permet par exemple de chauffer une maison, sans le moindre rejet néfaste pour l’environnement !

I.2 - Les différents types d’énergie géothermique :

On distingue trois grands types d’énergies géothermiques

· La géothermie « haute énergie »

Elle concerne principalement la production d’électricité. Deux méthodes peuvent être mises en évidence :

-  Soit l’eau est récupérée des profondeurs à des températures suffisamment élevées pour que la vapeur d’eau puisse faire tourner des turbines

-  Soit l’eau est utilisée pour chauffer un fluide secondaire se vaporisant à des températures inférieures à celles de l’eau. Pour des températures de l’eau aux environs de 100°C, il est alors possible de produire de l’électricité. Cette technologie, appelée la technologie du cycle binaire, se développe aujourd’hui dans le monde entier.

· La géothermie « basse énergie »

Elle se caractérise par des fluides ayant une température comprise entre 30 et 150 °C que l’on rencontre à une profondeur moyenne de 1 000 à 2 500 m dans des formations rocheuses et perméables remplies d’eau, situées principalement dans des bassins sédimentaires de très grandes dimensions. Cependant, certaines nappes sont situées à moins de 100 mètres de profondeur mais leur température n’excède alors guère 30°C. Cependant, cette eau chaude peut être envoyée directement dans les radiateurs lorsqu’elle est suffisamment pure et à des conditions de températures adéquates, sinon on utilise des pompes à chaleur géothermales (PACG). Dans ce dernier cas, on met en place un circuit d’eau fermé que l’on amène à un peu plus d’une centaine de mètres de profondeur.

Cette technologie permet plusieurs applications : chauffage de logements, de bâtiments (60 à 80°C), serres (30°C), piscicultures (30°C), élevages d’animaux, séchage de produits agricoles, mise hors gel des routes (serpentins d’eau chaude sous le bitume à 30°C)...

· La géothermie « très basse énergie »

Elle concerne les systèmes géothermiques résidentiels. Il s’agit ici de faire circuler un fluide caloporteur dans le sol à 1 ou 2 mètres de profondeur dont on récupère la chaleur grâce à une pompe à chaleur. Cette chaleur se destine à réchauffer de l’air (système « d’air pulsé ») qui circulera ensuite dans l’habitat. Cela demande donc une bonne circulation de l’air dans le bâtiment qui nécessite de fait une isolation acoustique de qualité.

Le liquide caloporteur est acheminé dans des tuyaux de plastique (qui, selon études, ne se détériorent pas sur une durée minimum de 50 ans, on n’a pas plus de recul) que l’on enfouit dans le sol. Trois méthodes d’enfouissement peuvent être mises en place : les boucles horizontales, les boucles verticales et les boucles de lac.

Les premières sont enterrées à des profondeurs de l’ordre de 2 à 2.5 mètres. De nombreuses configurations, selon le type de terrain, peuvent être imaginées.

Les deuxièmes nécessitent de forer sur des profondeurs allant de 15 à 100 mètres. Les tuyaux , de deux longueurs différentes, sont disposés en U. Le principal avantage de ce type de système est qu’il prend très peu de place (4 trous de forage sur 9m2 peuvent chauffer une maison de 150 m2). Il est habituellement moins coûteux de creuser beaucoup de trous peu profonds que peu de trous profonds).

Les troisièmes, comme leur nom l’indique, sont placées à une profondeur de 2 à 2.5 mètres sous l’eau. Ce type de système peut être adapté à l’océan.

Cette technologie présente trois avantages :
-  le système pouvant fonctionner à l’envers, on peut rafraîchir la maison en renvoyant la chaleur dans le sol
-  l’air peut être filtré
-  l’air est chauffé de façon beaucoup plus homogène qu’avec des systèmes de chauffage traditionnels.

La particularité d’un système géothermique est qu’il peut dégager plus d’énergie qu’il ne lui en faut pour fonctionner. Le ratio de fonctionnement d’un tel système est donc supérieur à 100%. De plus, plusieurs études ont démontré qu’un système géothermique durait plus longtemps qu’un appareil de chauffage aux combustibles fossiles.

I.3 - Coût de la géothermie très basse énergie :

Les équipements géothermiques sont plus onéreux à l’installation que les systèmes traditionnels : il faut compter environ 9 200 € pour une maison de 120 m2.
En revanche, ces systèmes sont d’un entretien limité et sont plus vite rentables : 75% d’économie d’énergie par an par rapport au chauffage électrique, 60% par rapport au gaz Propane, 40% par rapport au fioul ou au gaz naturel.

Mais le prix de l’installation d’un système géothermique varie énormément selon les modalités que l’on aura choisies de mettre en place :

de 70 à 100 euros le m2 pour les sytèmes les plus simples

à 145 à 185 euros le m2 pour les plus complexes.

Ensuite, il faut compter de 2 à 3,5 euros TTC de coût de fonctionnement par m2 chauffé et par an.

Exemple
Pour chauffer une maison de 75 à 100 m2 habitables, dotée de
planchers chauffants, cela revient chaque année à environ 185 € (pour l’essentiel, l’électricité qui alimente la pompe). Avec une chaudière fioul ou gaz, cela coûterait le double, voire le triple !

Si la mise en place d’un système géothermique permettant le chauffage (représentant à lui seul 60 % des dépenses énergétiques en moyenne)d’un bâtiment semble coûteuse, l’Etat, pour permettre le développement des systèmes géothermiques en France verse un crédit d’impôt à toute personne installant un système géothermique. A ce jour, ce crédit d’impôt s’élève à 50% du prix d’achat TTC du coût de l’équipement (hors main d’ouvre). Il est plafonné à 8.000 euros pour une personne seule et à 16.000 euros pour un couple marié (ou partenaire).

II - Les avantages et inconvénients

Face au réchauffement climatique et à la nécessaire réduction des émissions de gaz à effet de serre, les énergies renouvelables bénéficient d’un gain d’intérêt croissant permettant leur développement. Au sein de ces énergies renouvelables, la géothermie n’est pas suffisamment connue du grand public. De même, elle n’est pas très employée dans l’industrie. Elle se positionne pourtant comme une alternative de premier choix à l’emploi des énergies fossiles tant par les potentialités qu’elle peut offrir que par les atouts dont elle dispose.


II.1 - Avantages :

•Indépendance : énergie indigène [5]

•Durabilité : inépuisable à l’échelle humaine, sa gestion est de type renouvelable

•Disponibilité : 24 heures par jour et 365 jours par an

•Propreté : pas de déchets et ni d’émission de gaz à effet de serre

•Universalité : utilisable dans tous les pays et sous tous les climats

•Variété : large gamme de températures (10-350°C) et de profondeurs (50-5000 m)

•Sécurité : pas de transport ni de stockage de substances polluantes ou dangereuses

•Economie : elle est parmi les plus rentables des énergies renouvelables. Les coûts de fonctionnement sont extrêmement bas : de 0,3 à 0,6 centimes d’euros le kw par h.

•Innovation : elle stimule les nouvelles technologies et crée des emplois

II.2 - Inconvénients :

Cette énergie et cette technologie ayant fait l’objet de trop récentes études, de nombreux problèmes restent encore à résoudre à l’heure actuelle :

•Actuellement, peu de forages profonds ont été réalisés dans le socle cristallin [6]. Nous n’avons donc pas de connaissances précises sur la structure des roches et la distribution des températures dans le sous-sol.

•La répartition des flux de chaleur est encore trop peu connue et mérite d’être approfondie.

•L’attrait politique reste encore faible (manque de promotion).

•La pression pour la recherche d’énergies non polluantes est encore trop faible à cause du prix encore relativement faible des énergies fossiles.

III - Les domaines de recherche

Beaucoup de domaines de recherche concernent la géothermie. Deux choses importantes à retenir touchant cette technologie : elle est récente et est encore très peu utilisée. De fait, les études sont relativement peu nombreuses au même titre que les applications.

Les domaines de recherche fondamentale où des connaissances doivent encore être accumulées sont :

· Géologie : étude des différents terrains, de leur déformation ou non, de leur porosité, perméabilité, solidité etc.

· Hydrogéologie : étude de la circulation des eaux plus ou moins profondes au sein des roches du sous-sol et interaction fluide/roche

· Hydrogéochimie : étude des processus physico-chimiques de l’eau

D’autre part, d’un point de vue appliqué, beaucoup de domaines sont concernés :

· Simulation numérique des processus couplés (thermiques - hydrauliques - chimiques) dans les réservoirs géothermiques fracturés

· Etude des systèmes hydrothermaux : géologie, hydrogéologie, hydrochimie, géothermie

· Etudes des ressources géothermiques de basse et haute température (échelles régionale et locale)

· Prospection, cartographie SIG (Système d’Information Géographique) et gestion des ressources

IV - Les activités

Le sujet de la géothermie à lui seul permet la création de différentes activités. Il rentre de plus parfaitement dans les notions d’Education à l’Environnement et de Développement Durable. Pour adapter un système géothermique à des bâtiments, il faut prospecter le sol et choisir le meilleur modèle d’installation, ce qui suppose le développement d’outils de prospection et d’analyse du sol (dureté, homogénéité, bilan hydrogéologique...) mais aussi une analyse de l’architecture des constructions pour l’installation des diverses conduites.

Ce sujet présente également l’avantage de pouvoir s’étendre à toutes les structures de l’association. Le centre tendant à devenir un exemple de bâtiment écologique de façon durable, on peut imaginer qu’une partie peut être équipée d’un système géothermique, ou bien encore qu’un tel système de plus petite ampleur peut servir des constructions annexes.

Dans le cadre d’un couplage des activités des clubs de Rennes et de Nantes, il faudrait monter un système électronique qui puisse non seulement gérer le suivi des températures du système géothermique mais également les différentes températures à suivre inhérentes au fonctionnement de l’écloserie.

Dans un cadre plus astronomique, dans tous les sens du terme, ne peut-on pas imaginer la conception d’un appareil à énergie géothermique transportable dans l’espace dans le cadre de voyages sur d’autres astres (Lune, Mars etc.) afin de fournir de l’énergie à une station spatiale quelconque.

Plus « Club Sciences » parlant, ne peut-on pas donner à une écloserie bretonne une architecture à la bretonne ? Et pour encore plus de rêve, dans le cadre de l’étude des planètes et des marées, ne peut-on pas imaginer une écloserie dans l’espace pour les voyages de longue durée ?

Notes:

[1Convection : transmission de chaleur par déplacement de matière (l’air chaud monte, l’air froid descend)

[2Conduction : déplacement de chaleur par contact moléculaire (en chauffant une barre d’acier à un bout, l’autre bout va se réchauffer)

[3Rayonnement : transmission de chaleur par envoi de radiations d’un corps chaud vers un corps froid (chauffage d’eau par rayonnement dans les centrales nucléaires)

[4Gradient géothermique : Variation de température mesurée entre deux points situés à l’intérieur du globe terrestre

[5Energie indigène : énergie dont la chaîne énergétique (production, transport, utilisation) se caractérise par une totale indépendance : on la trouve et on l’exploite sur place, sans avoir à importer quelque produit que ce soit (à la différence des centrales nucléaires qui nécessitent l’achat d’uranium ou autre élément radioactif).

[6Socle cristallin : ensemble des roches plutoniques (granites) et métamorphiques (gneiss) formant la base de la croûte terrestre. Dans le cas d’une ancienne chaîne de montagne, ce socle peut se retrouver à la surface suite à des processus d’érosion (raison pour laquelle on trouve des granites en Bretagne à la surface). Or, ces roches se caractérisent par des températures moyennes supérieures aux roches dont la genèse se fait en surface (roches sédimentaires).

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