Géothermie profonde

• La géothermie des roches chaudes sèches (HDR ou Hot Dry Rock), basée sur la fracturation hydraulique a été imaginée aux États-Unis en 1970 et mise en œuvre en France à Soultz-sous-Forêts à la fin des années 1980 dans le cadre d’un projet-pilote européen et franco-allemand. La création d’un échangeur thermique directement sur les roches chaudes en profondeur était obtenu par injection d’eau à très forte pression. La chaleur captée est obtenue par l’injection d’eau de surface dans un puits et la récupération de l’eau réchauffée dans un autre puits.

Cette technologie est interdite en France en raison des risques sismiques liés à la fissuration des roches en sous-sol.

• La géothermie stimulée (EGS ou Enhanced Geothermal System) (vidéo explicative) a fait suite à l’échec des travaux de type HDR notamment à Soultz-sous-Forêts, seule centrale de la période HDR encore en fonctionnement. En réalité, à Soultz-sous-Forêts, de l’eau géothermale naturelle à été trouvée en grande profondeur (5000 mètres). Le concept technologique a donc évolué vers l’EGS, technologie qui consiste en l’exploitation de fissures naturelles des roches profondes par lesquelles, une fois « nettoyées », le captage peut être réalisé. Le « nettoyage » des fissures s’opère par traitement thermique (injection d’eau froide de surface) ou d’un traitement chimique à l’aide d’un mélange d’eau claire et d’un acide organique biodégradable (acide acétique ou autre) dans le but de dissoudre les sédiments qui obstruent les failles où circule l’eau géothermale. C’est une technique également utilisée depuis plus de 100 ans lors de la réalisation ou de la régénération d’ouvrages d’eau potable.

Les nappes phréatiques pourraient potentiellement être polluées de trois manières différentes :

• par mise en communication avec les eaux géothermales par percement du tubage,
• par mise en communication avec des eaux plus profondes,
• par infiltration superficielle des eaux du chantier pendant les travaux de forage.

Afin d’éviter toute communication entre l’eau géothermale, les eaux des nappes profondes et les eaux de la nappe alluviale, le puits est pourvu de 6 couches d’étanchéité avec 3 tuyaux en acier emboités. On les appelle des cuvelages ou tubages, ils sont étanches et isolés du terrain au droit des nappes d’eau potable par 3 gaines de ciment adaptées et injectées sur toute leur hauteur. Cela crée ainsi des gaines étanches multicouches jusqu’aux grandes profondeurs. Seule la partie productrice est laissée en « trou ouvert ». Les matériaux sont spécialement sélectionnés pour résister à la salinité de l’eau géothermale ainsi qu’aux fortes différences de températures pouvant exister.

Une centrale géothermique est dite – de cogénération – lorsqu’elle produit de l’électricité et de la chaleur. Celle-ci n’est pas transportable sur de grandes distances. Elle doit donc être située à proximité directe des différents consommateurs.

Par ailleurs, pour trouver des circulations d’eau dans les roches profondes, il faut viser des zones naturellement faillées. Les sites choisis doivent donc également pouvoir atteindre des failles profondes potentiellement favorables.

Les sites retenus sont le résultat d’une adéquation entre la présence d’une faille profonde productive, la proximité d’un bassin d’utilisateurs pour la chaleur et la disponibilité d’un terrain pour les installations.

Les équipements de forage ont une durée de vie de 60 ans. Ils nécessitent une surveillance tous les 5 ans de la qualité du métal et une gestion des éventuels dépôts sur les parois. La corrosion naturelle est contrôlée et traitée si nécessaire. Les pompes d’extraction de l’eau géothermale et de réinjection ont une durée de vie plus courte, de l’ordre de 3 à 5 ans et sont régulièrement changées.

Pour assurer la continuité de fourniture d’énergie géothermale, une nouvelle centrale peut être créée dans un périmètre proche.

Le forage profond, quant à lui, dure en moyenne 120 jours soit 240 jours pour le doublet. Le doublet est le dispositif qui associe deux conduites forées en sous-sol, l’une pour remonter l’eau des couches profondes, l’autre pour la retourner dans ses couches d’origine après en avoir extrait les calories par l’échangeur thermique en surface.

Une fois le forage finalisé, l’unité en surface sera construite en 18 mois environ (ingénierie, commandes, construction, installation et mise en service).

La durée globale de la phase chantier est donc de près de 2 ans avant la mise en service.

Les réactifs les plus couramment utilisés pour l’acidification des réservoirs sont :

• Acide chlorhydrique en solution aqueuse,
• Acide acétique,
• Acides de la famille des glutamates (totalement biodégradable).

La nature des acides est compatible avec les ouvrages de captation d’eau potable type HCL et acide organique (exemple : acide acétique). Ces acides sont d’un usage domestique commun (eau de javel, vinaigre, …).

• Aucune émission de gaz ou particules dans l’atmosphère,
• Aucune émission d’odeurs dans le voisinage,
• Aucun bruit durant l’exploitation de la centrale,
• Aucun encombrement routier ni impact carbone pour la livraison de l’énergie qui n’a besoin d’aucun transport, puisque directement injectée dans les circuits d’alimentation.

En cours d’exploitation

Une installation de cogénération géothermique est composée de divers équipements. La turbine et les tours aéroréfrigérantes, lorsqu’il y en a, sont les seules qui puissent générer des émissions sonores. Ces éléments sont parfaitement intégrés dans la conception des projets. La turbine est confinée à l’intérieur d’un bâtiment insonorisé. Il n’y a donc aucune émergence sonore pour cet équipement hors son enceinte de confinement.

Les tours restent à l’extérieur, mais sont spécialement dimensionnées pour minimiser leurs émissions sonores et rester en dessous de 70 dB(A) à 20 m, soit à peu près le bruit d’un aspirateur domestique. Les premières habitations étant souvent à plusieurs centaines de mètres des installations, les riverains ne ressentent aucune gêne.

En cours de travaux

Les appareils de forage ont été spécialement conçus pour travailler en environnement urbain avec un minimum de nuisances. Le treuil de forage, principale source de nuisance sur un appareil classique, a été remplacé par un concept de vérins hydrauliques, silencieux. Les tiges de forage sont manipulées par un bras automatique, limitant les bruits de métal classique existant en mode manuel.

Pendant les travaux, le forage a une émergence sonore quasi-nulle aux abords du chantier. Cela est mesuré avant chaque projet. A titre d’exemple, la valeur moyenne du bruit produit par un tel chantier réalisée en zone rurale en Alsace affichait 55 dB(A) à 100 m pendant les 8 mois de forage (24h/24), alors que les mesures du fond sonore préexistant affichaient des valeurs de 65 dB(A) le jour et 60 dB(A) la nuit. L’impact est donc très faible au niveau des habitations.

Par ailleurs, lors des travaux de forage, la circulation induite, de jour comme de nuit, était  de 5 à 8 camions par jour pendant les opérations et de 20 camions par jour en moyenne lors de l’acheminement de la machine de forage, principalement la journée.

Dans une installation géothermique, aucune substance dangereuse n’est transportée ou stockée en surface. Dans le cas d’une eau géothermale micro-radioactive (à l’état naturel), les mesures de sécurité en vigueur pour la protection du personnel sont évidemment mises en place. Si lors d’opérations de maintenance, des dépôts très faiblement radioactifs devaient être évacués, la gestion en serait confiée à l’ANDRA (Agence Nationale des Déchets Radioactifs).

Une fois les forages terminés, les surfaces de terrain occupées par les installations géothermiques restent modestes en comparaison des autres types d’énergie. La taille des équipements de surface est très réduite (semblable à un petit hangar agricole). Enfin, l’énergie géothermique est disponible quasiment la totalité de l’année, ce qui en fait l’énergie renouvelable la plus disponible.

En France métropolitaine, les conditions géologiques ne permettent pas d’avoir un potentiel assez élevé pour pouvoir répondre seul et intégralement aux besoins en électricité de la nation. Pour autant, c’est une énergie alternative non polluante qui, en lien avec d’autres moyens de production électrique renouvelable (éoliennes, panneaux photovoltaïques, hydroliennes, barrages hydrauliques, …) permet à terme de réduire la part du nucléaire dans le mix énergétique français.

La géothermie à l’avantage de pouvoir proposer une énergie thermique de l’ordre de 30 MWth/unité. Un réacteur de centrale nucléaire produisant en moyenne 900 MWe, il faudrait 150 unités géothermiques pour produire cette quantité d’électricité.

L’eau géothermale circulant à la profondeur envisagée par les industriels pour son exploitation, c’est-à-dire autour de 4000 m de profondeur, possède des concentrations en sel autour de 100 g/l et présente une composition très proche de celle étudiée sur le pilote de recherche géothermique de Soultz-sous-Forêts. Une infime partie de ces éléments est naturellement radioactive. Ce sont notamment le radon, le potassium et le thorium.

Malgré de faible taux potentiellement exprimé, au sein de l’unité de géothermie, les zones « potentiellement exposées » sont signalées et interdites au personnel non autorisé. Un suivi de la radioactivité des installations et des mesures de radioprotection sont mis en place pendant les travaux et durant la vie de l’unité par l’exploitant et par les organismes publics de contrôle.

Durant l’exploitation par la centrale géothermique, en raison de la variation de la température et de la pression de l’eau géothermale en surface, des dépôts solides contenant des éléments radioactifs piégés dans l’eau géothermale peuvent s’accumuler dans les échangeurs de chaleur, les filtres et les tuyaux. Il a été considéré que la valeur de radioactivité liée à l’exploitation est relativement faible et, en particulier, la valeur liée à l’environnement ambiant. Par exemple, une valeur de radioactivité de 1 μSv/h exigerait pour un travailleur de passer 1000 heures dans l’environnement immédiat des conduits de transit en surface de l’eau géothermale, soit 166 j/an, afin d’atteindre la limite légale de 1 mSv sur une période de 12 mois consécutifs (*).

L’ensemble des préconisations nécessaires à la gestion de cette radioactivité naturelle a été établi avec l’appui de l’Autorité de sureté nucléaire.

(*) Pour donner une meilleure idée du niveau d’exposition potentiel des personnels directement en contact avec les installations, il est intéressant de comparer avec des exemples de l’exposition naturelle et la médecine humaine. Par exemple, en France, la dose naturelle moyenne reçue par an pour un individu est de 2,6 mSv, venant principalement de l’exposition au radon, mais aussi des radiations cosmiques et telluriques. Une exposition liée à une radiographie thoracique est de l’ordre de 5,7 mSv.

Pour la protection de la nappe, un système de piézomètres permet l’analyse ponctuelle et périodique des eaux phréatiques.

Pour les risques sismiques, un réseau de géophones permet la surveillance en temps réel des événements liés à l’activité de forage et d’exploitation dans le sous-sol.

Pour les risques de fuites de gaz présents en sous-sol, des capteurs autour de l’unité détectent les fuites éventuelles en temps réel.

De plus, l’unité est dotée de plusieurs systèmes de contrôle pour vérifier en continu son bon fonctionnement. Enfin, l’installation est soumise aux campagnes de surveillance périodique des organismes publics.

Les opérateurs industriels français réunis au sein de l’AFPG emploient des spécialistes en géosciences, en forages, avec pour beaucoup des personnels ayant plus de 20 ans d’expérience, ou encore en gestion des équipements de surface.

Par ailleurs, les connaissances en matière de géothermie électrique sont pour la plupart publiques et à disposition de tous les industriels du secteur. C’est le cas de l’installation de Soultz-sous-Forêts, projet initié par le BRGM, et qui fournit de précieux renseignements sur la géologie du bassin rhénan.

À Stauffen (Allemagne). Sur le site des forages, de l’eau d’une couche aquifère superficielle s’est écoulée vers des niveaux géologiques plus profonds composés notamment d’anhydrite (sulfate de calcium CaSO4). Celui-ci s’est ainsi transformé en gypse (sulfate de calcium hydraté CaS04 2H2O) qui a gonflé au contact de cette eau, (plus de 60%) provoquant ainsi des soulèvements en surface. C’est donc une méconnaissance du terrain et le non-respect des règles élémentaires du métier par des opérateurs non industriels qui sont en cause dans ces incidents.

À Lochwiller (France). Le forage a rencontré de l’eau artésienne issue d’une nappe captive vers 100 m de profondeur. Celle-ci s’est écoulée dans des terrains superficiels. La circulation de cette eau a ainsi rendu inefficace la cimentation réalisée. L’eau profonde aurait ensuite «mouillé» des terrains contenant de l’anhydrite entraînant les mêmes phénomènes qu’à Stauffen.

Les forages de Stauffen-im-Breisgau en Allemagne et de Lochwiller en Alsace, étaient des forages superficiels réalisés pour la pose de sondes géothermiques (- 140 m). Ces techniques de forage ne sont absolument pas comparables à celles des forages profonds. Les moyens mis en œuvre étant « très légers » pour réduire les coûts. Aucun tubage n’était cimenté directement au terrain et les épaisseurs de ciment qui étaient utilisées pour le gainage simple très faibles. De ce fait, les cimentations effectuées ne pouvaient arrêter efficacement des circulations d’eau qui pouvaient exister.

De plus, lors de ces forages superficiels pour des sondes géothermiques de faible profondeur, aucun suivi géologique n’a été effectué et aucun contrôle n’a été demandé. De nouveaux textes législatifs ont été sortis en France en 2015 dans le but d’éviter ces problèmes. Pour des forages profonds, qu’ils soient réalisés pour le captage d’eau potable, pour la recherche pétrolière ou pour la géothermie haute température, il existe des règles à suivre clairement définies par la législation française. Ainsi, la cimentation est adaptée à chaque formation géologique. Par ailleurs, l’architecture de puits à tubages télescopés enduits de ciment remontant sur toute la hauteur de colonne du cuvelage permet d’isoler tous les aquifères rencontrés et d’éviter des fuites de l’eau géothermale vers l’extérieur des tubages.

Après avis du Conseil Général de l’Economie, de l’Industrie, de l’Energie et des Technologies (CGIET), le PER peut être signé par le ministre de l’Environnement et le ministre de l’Industrie, tous deux en charges des Mines. C’est seulement après ces étapes que l’industriel peut engager ses travaux d’exploration, soumis par ailleurs à des Demandes d’Ouverture de Travaux et, dans certains cas, des arrêtés municipaux de circulation des communes traversées par les convois chargés des campagnes d’acquisition de données géophysiques.