Du grec géo (terre) et thermos (chaud), la géothermie désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe ainsi que les processus industriels qui visent à l’exploiter, pour produire de l’électricité et/ou de la chaleur. A faible profondeur, cette énergie peut être valorisée pour produire de la chaleur ou du froid si elle est assistée par une pompe à chaleur. Au delà de 1500 mètres, la géothermie permet directement le chauffage des bâtiments, la fourniture d’énergie pour les industriels et la production d’électricité.

La géothermie profonde à haute température (plus de 150 °Celsius) se distingue par plusieurs approches développées et explorées dans le monde depuis les années 1970.   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 aquifères exploités par la géothermie profonde sont des réserves d’eau saline millénaires situées à plusieurs kilomètres de profondeur. Ce ne sont donc pas des nappes 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. Coupe technique d'un forage de géothermie profonde à Rittershoffen (source : ESg)

Dans la croute terrestre la température augmente en moyenne de 3°C tous les 100 m (gradient de température). Cependant, certaines régions du globe présentent des gradients géothermiques plus élevés. En France, le sous-sol autour de Strasbourg par exemple, affiche un gradient géothermique de l’ordre de 4.5 à 5°C par 100 m. 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.

Un puits de géothermie profonde est constitué de cuvelages successifs (voir schéma ci dessous) qui remontent jusqu’à la surface et protègent les couches aquifères traversées de tout contact avec l’eau captée en profondeur.   Afin d’éviter toute pollution superficielle, les eaux de ruissellement sont collectées par une géo-membrane étanche installée sous la plate-forme de forage. Un système de conduites recueille les fluides pollués vers des déshuileurs puis des bacs de rétention.   En France, depuis 40 ans les projets exploitent majoritairement la technique du doublet, à savoir le forage de 2 puits reliant une même centrale, l’un pour puiser l’eau, l’autre pour renvoyer l’eau en circuit fermé après en avoir capté l’énergie en surface.   La centrale de production d’énergie en surface, occupe quant à elle l’espace équivalent à un petit hall agricole.

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.

A l’issue de la période d’exploitation (30 à 60 ans au moins) le puits est « bouché » avec du ciment. Après la procédure de bouchage, le puits reste sous la surveillance du détenteur de la concession (l’industriel qui a fait l’investissement) ou de l’Etat en cas de fin de concession. Pour assurer la continuité de fourniture d’énergie géothermale, une nouvelle centrale peut être créée dans un périmètre proche.

La préparation du chantier dure environ 3 mois et comprend : les fouilles archéologiques préalables, le forage des avant-puits, la plateforme, le bassin de rejet. 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 (en savoir plus sur : le doublet en géothermie profonde). 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.

La composition de ce fluide est adaptée aux caractéristiques physico-chimiques des cristaux et sédiments remplissant les failles et gênant la circulation de l’eau chaude. Il est constitué d’eau claire et d’un acide organique biodégradable et/ou inorganique en faible quantité et réagissant complètement avec les roches à dissoudre. Il ne restera pas d’acide résiduel dans le réservoir. C’est une technique également utilisée depuis plus de 100 ans lors de la réalisation ou de la régénération d’ouvrages d’eau potable. L’acidification présente l’avantage de ne pas avoir besoin d’additif particulier pour être efficace. L’action recherchée étant uniquement la mise en solution d’une minéralisation gênante pour le passage de l’eau. 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, …).

Un ouvrage de géothermie profonde est sans impact sur l’environnement. Il ne génère : 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.