Usages & production
À quoi sert la géothermie de surface ?
La géothermie de surface (ou superficielle) utilise l’énergie présente dans le sous-sol à des profondeurs variant de quelques mètres jusqu’à 200 mètres. Cette matière énergétique est gratuite et durable.
À ces profondeurs, la température du sol est relativement constante toute l’année : autour de 10 à 20 °C. Cela ne permet pas une exploitation directe de cette énergie. Une pompe à chaleur (PAC) géothermique est donc utilisée pour restituer la chaleur, le froid ou le frais au niveau de température souhaité.
Les pompes à chaleur géothermiques (PACg) permettent de transférer la chaleur captée dans le sous-sol vers le milieu à chauffer, et d’élever la température de cette chaleur pour la rendre compatible avec un circuit de chauffage ou de production d’eau chaude sanitaire. Adaptées à la géothermie, ces PAC sont dénommées PAC géothermiques pour les différencier des PAC dites aérothermiques (qui captent la chaleur dans l’air et non dans le sous-sol). Comme la plupart des PAC, les modèles géothermiques sont généralement réversibles, c’est-à-dire qu’ils peuvent aussi prendre de la chaleur d’un espace - et donc le refroidir – pour la rejeter dans le milieu extérieur (le sous-sol dans le cas présent). Les PACg peuvent également fonctionner en mode simultané pour produire par exemple de l’eau chaude sanitaire et du refroidissement de locaux.
Plus d’infos sur la production d'énergie avec une PAC géothermique
PAC géothermique ou PAC aérothermique ?
Avantages et inconvénients de la PAC géothermique
La géothermie de surface est adaptée à tous types de bâtiments (neuf, ancien, résidentiel, tertiaire, industriel ou agricole) et de toutes tailles (de la maison individuelle aux grands immeubles du tertiaire). Elle peut couvrir aussi bien des besoins de chauffage, d’eau chaude sanitaire que de rafraîchissement. Elle peut également servir dans des procédés industriels nécessitant de la chaleur, notamment dans le domaine agro-alimentaire.
Ces différents besoins peuvent être assurés de façon simultanée (cas des hôpitaux, des grandes surfaces commerciales…) ou alternée (avec du chauffage en hiver et du refroidissement en été par exemple).
Produire du chaud
Chauffer des bâtiments
Le chaud correspond à un besoin de 35 à 60 °C en fonction des émetteurs.
De la maison individuelle, au collectif, en passant par des espaces tertiaires ou des éco-quartiers, la géothermie de surface offre des solutions de chauffage totalement adaptables, qu’il s’agisse de rénovation ou de construction neuve. Elle nécessite cependant, pour être performante, l’installation d’un système d’émission de chaleur basse température (radiateurs basse température, planchers chauffants ou ventilo-convecteurs).
Produire de l’eau chaude sanitaire
Cela correspond à un besoin de 55 à 60 °C.
Les besoins en eau chaude sanitaire d’un bâtiment peuvent être assurés simultanément par une PAC géothermique en période de chauffage, on parle alors de PAC double service.
La production d'eau chaude sanitaire peut également être assurée par une PAC géothermique uniquement dédiée à cet usage : on parle dans ce cas de chauffe-eau thermodynamique par géothermie ou CET géothermique.
Produire du froid et du frais
Le froid et le frais correspondent à des besoins compris entre 7 et 24 °C en fonction des émetteurs.
Refroidissement et rafraîchissement sont possibles avec ou sans pompe à chaleur géothermique.
La production de froid actif avec les Pompes à Chaleur (PAC) réversibles
L’un des atouts de la géothermie de surface est de pouvoir couvrir des besoins de refroidissement avec le même équipement que celui utilisé pour le chauffage, les PAC géothermiques étant le plus souvent réversibles (sous réserve d’émetteurs adaptés). Ainsi, le sous-sol devient la source de froid dans laquelle on puise l’énergie que l’on fournit au bâtiment, et inversement, la PAC prélève la chaleur du bâtiment, le refroidissant, et la rejette dans le sous-sol. Ce rejet de chaleur dans le sous-sol permet ainsi, en période estivale, de le régénérer thermiquement, et donc d’assurer un meilleur fonctionnement du système en hiver en période de chauffage.
La production de frais avec le géocooling, c’est-à-dire sans recourir à une pompe à chaleur
En été, la température du sous-sol est suffisamment basse pour rafraîchir directement et naturellement le bâtiment, améliorant ainsi le confort d’été. Un échangeur de chaleur et une pompe de circulation suffisent à alimenter le circuit des émetteurs. La pompe à chaleur n’étant pas sollicitée, cela rend cette solution particulièrement économique et écologique.
Les puits climatiques
Un autre type d’installation profite des propriétés thermiques du sous-sol, à savoir une température relativement stable tout au long de l’année : les puits climatiques. La technique consiste à faire circuler de l’air extérieur dans des tubes enterrés à une profondeur comprise entre 1,5 et 3 mètres et d’injecter cet air dans le bâtiment. En été, l’air extérieur plus chaud se refroidit permettant ainsi le rafraîchissement du bâtiment, en hiver l’air extérieur plus frais se réchauffe permettant un préchauffage du bâtiment.
Ces productions de froid et de frais permettent d’éviter l’utilisation de climatiseurs aérothermiques, fortement consommateurs d’électricité et qui contribuent, par leurs rejets d’air chaud, aux phénomènes d’îlots de chaleur. Cela limite les émissions de CO2, voire les éviter totalement.
Couvrir simultanément des besoins de chaud et de froid
La géothermie de surface est particulièrement adaptée aux activités qui demandent du chaud et du froid, car elle peut fournir les deux simultanément (grâce à une thermofrigopompe) ou indépendamment selon les besoins saisonniers.
Piscine
Les piscines font partie des équipements publics les plus énergivores. La géothermie est une solution adaptée à la couverture de leurs besoins en chaleur très élevés pour le chauffage de l’eau des bassins, mais aussi pour la production d’eau chaude sanitaire, le chauffage des spas, des vestiaires et des bureaux. La mise en place d’une thermofrigopompe, c’est-à-dire d’une PAC produisant simultanément du chaud et du froid, permet de couvrir aussi les besoins en froid pour la déshumidification de l’air ambiant.
Établissements de santé
L’utilisation de thermofrigopompes est également adaptée aux hôpitaux et cliniques qui ont de très forts besoins de froid pour leurs plateaux techniques toute l’année (renouvellement de l’air et contrôle de l’hygrométrie), et qui connaissent une importante consommation d’eau chaude sanitaire et de chauffage l’hiver. Les maisons médicalisées et les EHPAD ont des profils de consommations semblables avec également l’obligation réglementaire de refroidir une partie de leurs locaux l’été.
Usages industriels
Dans l’industrie, les besoins de chauffage et de rafraîchissement des locaux sont considérables. La géothermie de surface les couvre à partir d’une ressource renouvelable et durable, à un coût complet plus compétitif que celui des chaufferies aux énergies fossiles. Elle peut également contribuer à la fourniture de l’énergie nécessaire aux procédés de fabrication eux-mêmes, notamment dans les procédés de refroidissement.
Usages agricoles
Les besoins énergétiques pour le chauffage des bâtiments d’élevage, et des serres horticoles ou maraîchères sont très élevés. La PAC géothermique offre une alternative durable aux énergies fossiles en assurant une capacité de régulation équivalente tout en étant nettement moins onéreuse en coût de fonctionnement.
Usages différés de froid ou de chaud
La géothermie de surface peut permettre le stockage saisonnier d’énergie en utilisant l’inertie thermique du sous-sol. La chaleur excédentaire du bâtiment l’été est ainsi injectée en sous-sol pour être consommée l’hiver. Par exemple, l’écoquartier de la Communauté solaire de Drake Landing, dans l’Alberta au Canada (52 maisons individuelles), utilise un stockage inter-saisonnier alimenté en été par la chaleur captée par des panneaux solaires. Cette chaleur est consommée pendant l’hiver pour le chauffage.
A l’inverse, il est possible de stocker du froid en hiver pour l’utiliser en été afin de rafraîchir le bâtiment.
Plus d'infos sur Solar Drake Landing
La géothermie de surface en chiffres
Le parc européen des PAC géothermiques s’élève à plus de 1,5 million d’appareils (Eurobserv’ER, 2018). La Suède est, de loin, le pays qui est le plus équipé avec 526 000 unités car ce pays a massivement misé sur la géothermie de surface pour le chauffage des bâtiments. L’Allemagne et la France se placent respectivement aux deuxième et troisième rangs avec 358 200 et 154 900 appareils.
Une autre étude estime le parc de pompes à chaleur géothermiques français à 210 000 unités avec encore un très fort potentiel à exploiter (Boissavy et al., 2019). Ces équipements représentent 1 980 MW thermiques installés. La production de chaleur et de froid correspondante est estimée à 3 360 GWh thermiques par an (soit 288 900 tep ; 1 tep = 0,1163 GWh).
Plus d'exemples d’opérations en France
À quoi sert la géothermie profonde ?
La géothermie profonde valorise l’énergie du sous-sol profond (au-delà de 200 mètres) pour produire directement de la chaleur et/ou de l’électricité.
Produire de la chaleur
La France compte 59 réseaux de chaleur urbains alimentés par la géothermie profonde (les énergies fossiles, la biomasse ou la chaleur de récupération peuvent aussi faire fonctionner les réseaux de chaleur). Ils se situent surtout en Ile-de-France, la région qui concentre la plus grande densité de ces installations en Europe (mais aussi en Nouvelle-Aquitaine, dans le Grand-Est , en Occitanie et Centre-Val-de-Loire par exemple). Ils exploitent l’aquifère du Dogger, sous Paris et sa région, qui se situe entre 1 600 et 1 800 m de profondeur. Cet aquifère renferme de l’eau dont la température est comprise entre 56 et 85 °C selon les zones. Accessible par forage, cette eau chaude cède sa chaleur en surface à un réseau de chaleur.
En dehors du chauffage de bâtiments, la géothermie profonde peut être exploitée pour chauffer des serres ou des bassins de pisciculture (plusieurs installations de ce type existent en France), ou être utilisée pour des procédés industriels. C’est le cas par exemple dans le nord de l’Alsace avec l’usine Roquette Frères située à Beinheim en bordure du Rhin, alimentée en chaleur géothermique à 160 °C via un réseau de chaleur de 15 km de longueur. Cette usine extrait de l’amidon de matières végétales (essentiellement du maïs), et pour ce faire, a besoin d’une chaleur à haute température. Le réseau de chaleur relie l’usine à une centrale de production géothermique située à Rittershoffen. Cette installation de géothermie couvre 25 % des besoins de chaleur de l’usine. Elle permet d’éviter le rejet annuel de 39 000 tonnes de CO2, soit l’équivalent de l’émission annuelle de 16 000 véhicules.
Plus d'infos sur la centrale de Rittershoffen
Produire de l’électricité
La géothermie profonde permet également de produire de l’électricité.
Contrairement aux énergies renouvelables variables (solaire, éolien…), il s’agit d’une électricité qui peut être produite, en base, pratiquement 24 h/24 à puissance nominale et ce, pendant toute l’année, ce qui, pour un gestionnaire de réseau, est particulièrement intéressant.
Les ressources géothermiques valorisables sont présentes principalement dans des réservoirs naturels fortement fracturés localisés dans des zones de volcanisme actif ou récent, généralement entre 500 et 1500 m de profondeur. Les températures rencontrées peuvent atteindre jusqu’à 250-350 °C. En France, les ressources sont potentiellement présentes dans les territoires d’Outre-Mer, comme c’est le cas en Guadeloupe avec le site de Bouillante.
La taille moyenne de ces centrales est comprise entre 10 et 50 MW.
Les ressources valorisables pour la production d’électricité géothermique se rencontrent également dans des zones géologiquement stables mais à des profondeurs beaucoup plus élevées (plusieurs milliers de mètres) dans des réservoirs fracturés naturellement, comme c’est le cas en Alsace. Malgré la profondeur atteinte, les températures rencontrées sont moins élevées qu’en zone volcanique (130 à 200 °C) et nécessitent une technologie de conversion thermo-électrique différente (celle des centrales à fluide organique, dites ORC). La puissance de ces centrales est de quelques MW seulement.
Une centrale existe actuellement en France, à Soultz-sous-Forêts, au nord d’Haguenau dans le Bas-Rhin. D’autres projets de ce type sont actuellement en cours de réalisation en Alsace, et à venir dans d’autres régions, avec la possibilité pour ces projets de combiner de la production d’électricité et de la production de chaleur.
En dehors de Bouillante, d’autres sites sont en cours d’étude aussi bien en Guadeloupe qu’en Martinique avec l’objectif de réaliser de nouvelles unités de production d’électricité géothermique.
Plus d'infos sur :
Produire de l'électricité et de la chaleur simultanément
Produire simultanément de l’électricité et de la chaleur permet d’améliorer l’économie des projets à partir du moment où il existe effectivement à proximité de la centrale des besoins thermiques à satisfaire.
En France, des permis de recherche valides (en cours ou prolongés) ont pour objectif de développer ce type de projets.
Plus d'infos sur les permis de recherche en cours
Stockage profond
Comme le stockage de surface (stockage saisonnier), le stockage thermique à plus de 200 mètres de profondeur permet d’emmagasiner dans le sous-sol un excès d’énergie produit l’été (chaleur d’usine d’incinération, chaleur produite pour refroidir des bâtiments, chaleur excédentaire de capteurs solaires installés sur un bâtiment pour produire de l’eau chaude sanitaire…) pour l’utiliser durant la saison de chauffage suivante.
La géothermie profonde en chiffres
Dans le monde
En 2018, les capacités des centrales électriques du monde représentent 13 329 MW. Les Etats-Unis arrivent en tête (2 546 MW), suivis de l’Indonésie (1 948 MW) et des Philippines (1 926 MW).
Note : 1 mégawatt (1 MW) équivaut à 1 000 kilowatts soit la puissance totale de 10 000 ampoules de 100 watts.
En Europe
La France est le 2e plus grand producteur de chaleur issue de la géothermie profonde de l’Union européenne (134,6 ktep), derrière l’Italie (144 ktep) et devant la Hongrie (115 ktep) et l’Allemagne (100,1 ktep). Mais l’hexagone dispose de la plus grande concentration européenne de réseaux de chaleur alimentés par géothermie.
Note : 1 ktep (kilo tonnes équivalent pétrole) = 11 628 kWh.
En France : métropole et Outre-mer
| Consommation finale brute d'énergies renouvelables (ENR) en TWh | |
|---|---|
| Total ENR électriques, thermiques et carburants | 337,3 |
| Total ENR électriques | 123,5 |
| dont électricité issue de la géothermie profonde | 0,1 |
| Total ENR thermiques | 180,9 |
| dont géothermie profonde | 2,3 |
| dont géothermie de surface | 42,1 |
La géothermie est une énergie renouvelable et, aux côtés des autres énergies vertes, la France mise sur son développement pour atteindre les objectifs de la Loi de Transition Energétique pour la Croissance Verte (LTECV).
Parmi les opérations en fonctionnement (plus d'exemples d’opérations ici), on trouve :
- des réseaux de chaleur :
59 réseaux de chaleur géothermiques
Localisations : Ile-de-France, Nouvelle-Aquitaine, Occitanie, Grand-Est, Centre-Val de Loire
Puissance installée : 514 MWth
Production : 1 500 GWh thermiques par an
Localisation : Guadeloupe
Puissance installée : 15,5 MWe (chiffre SYBASE 2020)
Production : 112 GWh électriques par an en 2017
Localisation : Bas-Rhin, Alsace
Puissance installée : 1,7 MW
Production : 12 GWh électriques par an
Usine d’amidon Roquette Frères
Localisation : Bas-Rhin, Alsace
Puissance installée : 24 MWth
Production : 182 GWh thermiques (chiffre SYBASE 2020)
Des permis de recherche sont en cours de validité pour développer des projets de production de chaleur et/ou d’électricité par géothermie.
Plus d'infos sur les permis de recherche en cours :
- Données récapitulatives disponibles sur le site web du Ministère de la Transition énergétique :
- carte des permis exclusifs de recherche et des concessions de gîtes géothermiques en Métropole (1er octobre 2023) ;
- carte des titres miniers de gîtes géothermiques en Outre mer (1er octobre 2023) ;
- liste et situation des titres miniers de gîtes géothermiques (1er janvier 2024) ;
- Titres miniers et autorisations sur Camino, le cadastre minier numérique (accès expert, sélectionner "géothermie" avec le filtre).
Pour en savoir plus
Références
ADEME (2019), La géothermie, pour chauffer et rafraîchir sa maison. Collection les Clés pour agir
ADEME (2017), Chauffer et rafraîchir avec une énergie renouvelable, géothermie très basse énergie, Ils l’ont fait
AFPG (2023), La géothermie en France, Étude de filière 2023, 6e édition, septembre 2023
AFPG (2021), La géothermie en France, étude de filière 2021
CGDD (2022), Chiffres clés des énergies renouvelables - Edition 2022
EGC (2019), Geothermal Energy Use, Country Update for France
Eurobserv'ER (2018), Etat des énergies renouvelables en Europe
IRENA (2019), Statistiques de capacité renouvelable
Liens utiles
AFPG, Association Française des Professionnels de la Géothermie
L'Association Française des Professionnels de la Géothermie (AFPG) fédère une centaine d’adhérents représentatifs des métiers de l’énergie géothermique en France métropolitaine et en Outre-Mer : foreurs, équipementiers, gestionnaires de réseaux de chaleur, énergéticiens, bureaux d’études, organismes de recherche, ... Elle est organisée en deux filières : la géothermie de surface et la géothermie profonde. Elle mène des projets au plan régional, national, européen et international, s’inscrivant dans des thématiques telles que la réglementation, la qualification, la structuration de la filière géothermie à l’export en représentant les professionnels auprès des pouvoirs publics et dans de nombreuses associations et syndicats de la filière, en France et en Europe.
EGEC, European Geothermal Energy Council
Le Conseil européen des géothermies est une association européenne de 120 membres issus de 28 pays, fondée en 1998. Il fédère les professionnels européens de la géothermie et favorise le développement des géothermies en Europe et dans le monde. Dans ce domaine, il participe à l’élaboration des politiques, travaille à l’amélioration des conditions économiques de déploiement et des actions de recherche et développement.
IGA, International Geothermal Association
L’association internationale de géothermie (IGA) réunit plus de 4000 partenaires industriels et académiques à l’échelle mondiale et souhaite porter leurs voix. Elle offre un soutien spécifique aux pays dont le secteur géothermique amorce juste son développement.
IRENA, International Renewable Energy Agency
L'Agence internationale des énergies renouvelables a l’ambition de servir de plateforme pour la coopération internationale dans ce domaine et de centre de référence.
Pour aller plus loin