Qu’est-ce que l’énergie géothermique ?
Découvrez comment cette ressource énergétique propre et renouvelable peut contribuer à réduire la dépendance du monde à l'égard des combustibles fossiles.
Qu’est-ce que l’énergie géothermique ?
Alors que les individus, les organisations et les nations cherchent des moyens de réduire les émissions de carbone, les gouvernements et les entreprises ont pris d'importants engagements en matière de réduction des émissions de carbone. Pour atteindre ces objectifs, il est essentiel de trouver des alternatives aux combustibles fossiles, notamment le charbon, le gaz naturel et le pétrole. À cette fin, les sources d' énergie renouvelables et plus propres telles que l'énergie solaire, l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne et l'énergie géothermique prennent de plus en plus d'importance.
Aujourd’hui, l’énergie locale est considérée comme l’un des types d’énergie les plus efficaces et les plus durables , car il s’agit d’une ressource propre, fiable et renouvelable. L'énergie géothermique utilise la chaleur stockée à la surface de la terre pour produire de l'électricité et fournir un chauffage et un refroidissement géothermiques aux habitations et aux entreprises. Les ressources géothermiques sont utilisées en Amérique du Nord depuis plus de 10 000 ans. Les Paléo-Indiens américains utilisaient les sources d'eau chaude géothermiques pour se réchauffer, cuisiner et se baigner.
La géographie joue un rôle essentiel dans la capacité d'une région à tirer parti de l'énergie géothermique. Les meilleures ressources de qualité sont généralement situées près des limites des plaques tectoniques. L'activité volcanique et les tremblements de terre se concentrent à proximité de ces frontières en raison des mouvements de la croûte terrestre. Par exemple, l’anneau de feu qui entoure les bords de l'océan Pacifique est un chapelet de volcans et d'activités sismiques, principalement causés par la tectonique des plaques. Par conséquent, cette région a les zones les plus actives au monde.
Actuellement, les États-Unis sont le leader mondial de la production d'énergie géothermique, bien que celle-ci ne représente qu'un faible pourcentage de la consommation d'énergie américaine. L'énergie géothermique étant courante à proximité des limites des plaques tectoniques, la plupart des centrales géothermiques américaines se trouvent dans les États de l'Ouest. La Californie possède la plus grande capacité de production d'électricité géothermique, avec 40 centrales géothermiques en activité.
L'Islande, les Philippines et le Salvador sont également des leaders mondiaux de la géothermie, l'énergie géothermique représentant plus de 25 % de la consommation totale d'énergie de chacun de ces pays.
Lisez cet article pour explorer l'énergie géothermique, évaluer ses avantages et ses inconvénients et découvrir des exemples d'énergie géothermique. Vous découvrirez également l'avenir de l'énergie géothermique et la manière dont la technologie peut contribuer à accélérer l'innovation en matière d'énergie géothermique.
Types d’énergie de production d’énergie
L'énergie géothermique est obtenue à partir de la chaleur générée par la terre. Le terme « géothermique » vient des mots grecs « geo », qui signifie terre, et « thermos », qui signifie chaud. Sous la croûte terrestre, composée de roches et d'eau, se trouve une couche de roche chaude en fusion appelée magma. Les températures atteignent des températures de 1 300°F à 2 400°F et peuvent faire l’objet d’une bulle à la surface de la terre sous forme de lave. Le magma chauffe également les roches et les couches d'eau souterraines, qui peuvent être libérées par des geysers, des sources d'eau chaude et des évents de vapeur - autant d'exemples d'énergie géothermique.
Cependant, la majeure partie de l'énergie géothermique de la terre reste sous terre sous forme de poches de vapeur et d'eau chaude et est récoltée par diverses méthodes :
Énergie thermique basse température
- La chaleur obtenue à partir d'un fluide géothermique proche de la surface de la terre s'élève d'elle-même ou est accessible à l'aide d'un puits.
- Accessible presque n’importe où dans le monde.
- Les applications géothermiques à usage direct comprennent le chauffage des maisons, des serres, des pêcheries et de certains processus industriels.
Énergie produite en co-production
- Utilise l’eau en filigrane comme sous-produit des puits de pétrole et de gaz.
- Génère de l'électricité qui est utilisée par l'usine ou vendue au réseau.
Chauffage et refroidissement géothermiques
- Les pompes thermiques en terre sont forées entre 3 et 90 m.
- Préchauffe les maisons et les bâtiments en hiver et les refroidit en été.
Centrale électrique de production d’énergie géothermique
- Exploite des réservoirs géothermiques à une profondeur pouvant atteindre deux miles dans la terre.
- Génère de l’électricité.
Avantages et inconvénients de l’énergie géothermique
Bien que l'énergie géothermique soit une ressource énergétique renouvelable et propre, elle présente des inconvénients, notamment des coûts initiaux élevés et la possibilité de provoquer des tremblements de terre et des affaissements, c'est-à-dire l'enfoncement progressif d'une zone de terre.
Professionnels de l’énergie locales :
- Respect de l'environnement : les centrales géothermiques ont une empreinte carbone minimale et la pollution qui leur est associée est très faible. Le chauffage et le refroidissement géothermiques réduisent les émissions de gaz à effet de serre.
- Renouvelables : Contrairement aux combustibles fossiles, les réservoirs renouvelables d'énergie géothermique situés dans la terre se renouvellent naturellement et dureront des milliards d'années.
- Fiable et stable : Contrairement à l'énergie éolienne et solaire, l'énergie géothermique est toujours disponible et ne fluctue pas. Les gestionnaires peuvent prévoir avec précision la production d'énergie des centrales géothermiques, ce qui les rend idéales pour répondre aux demandes d'énergie de base.
Inconvénients de l’énergie géothermique :
- Effets secondaires sur l'environnement : L'énergie géothermique permet à certains gaz à effet de serre présents sous la surface de la terre de s'échapper dans l'atmosphère. Les centrales géothermiques peuvent avoir un impact sur la stabilité du sol et ont déclenché des tremblements de terre et provoqué des affaissements.
- Gestion requise : Une fois qu’elles sont exploitées par une centrale électrique locale, elles doivent être gérées correctement pour garantir qu’elles ne sont pas épuisées.
- Les centrales sont limitées à des emplacements spécifiques : Les centrales géothermiques ne peuvent être construites que dans des zones situées à proximité des limites des plaques tectoniques, où des réservoirs géothermiques sont disponibles.
Centrales électriques en production
Les centrales géothermiques utilisent des ressources géothermiques à haute température provenant de puits de vapeur sèche ou d'eau chaude. Comme pour le pétrole, les centrales géothermiques forent des puits en profondeur. La vapeur ou l'eau chaude est pompée à la surface, où elle est utilisée pour faire tourner des turbines qui produisent de l'électricité.
Il existe trois types de centrales géothermiques :
Centrales à vapeur sèche
Utiliser des sources souterraines naturelles de vapeur. La vapeur remonte à la surface de la terre dans le puits de production, transfère son énergie à la turbine, se condense et est pompée dans la terre ou rejetée dans l'atmosphère. Les centrales à vapeur sèche sont le type le plus ancien de centrales géothermiques et sont considérées comme les plus simples et les plus efficaces.
La plus ancienne centrale électrique à vapeur sèche est située à Laredo, en Italie. Créé en 1911, elle continue de fournir de l’électricité à plus d’un million de résidents. La zone de ressources géothermiques des Geysers, au nord de San Francisco, est une autre centrale électrique à vapeur sèche importante. Elle produit de l’électricité depuis les années 1960 et fournit environ un cinquième de l’énergie renouvelable californienne.
Centrales à vapeur instantanée
Transformer en vapeur de l'eau hautement pressurisée d'une température supérieure à 360°F provenant des profondeurs de la terre. Lorsque l'eau chaude atteint la surface, elle est envoyée dans un « réservoir d'appoint » qui est maintenu à une pression beaucoup plus basse. La réduction de la pression entraîne la « vaporisation » d'une partie de l'eau, c'est-à-dire qu'elle s'évapore rapidement pour se transformer en vapeur qui alimente les turbines. Le liquide restant peut être flashé à nouveau dans un deuxième bac flash pour extraire plus d’énergie.
Les centrales à vapeur instantanée sont les types de centrales géothermiques les plus courants aujourd'hui. L'Islande, une île volcanique, utilise des centrales géothermiques à vapeur instantanée pour fournir la quasi-totalité de l'électricité dont le pays a besoin. Les Philippines, qui sont situées le long de la ceinture de feu, possèdent la plus grande centrale électrique à vapeur instantanée du monde.
Centrales électriques à cycle binaire
Adoptez une approche différente pour générer de la chaleur. Ils fonctionnent avec de l'eau hautement pressurisée à des températures plus basses - entre 225°F et 330°F. Cette méthode utilise un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur de l'eau chaude à un fluide secondaire qui alimente les turbines.
L'eau à température modérée étant plus largement disponible, les centrales à cycle binaire devraient devenir le type le plus courant de centrales géothermiques à l'avenir.
Comment l'énergie géothermique est-elle utilisée ?
Les trois utilisations les plus courantes de l'énergie géothermique sont l'utilisation directe, la production d'électricité et le chauffage et le refroidissement par le sol.
Systèmes géothermiques à utilisation directe
L'eau souterraine chauffée naturellement se trouve à quelques mètres ou à moins d'un kilomètre sous la surface de la terre. Des puits sont forés pour extraire l'eau de la nappe phréatique, dont la température peut atteindre 200°F ou plus. Dans certains cas, l'eau chaude ou la vapeur peut s'élever d'elle-même, sans nécessiter de pompage actif, et peut être utilisée directement ou circuler dans un échangeur de chaleur.
L'eau géothermique à usage direct est utilisée dans de nombreuses applications, notamment pour réchauffer les fermes de pêche, faire fondre la glace et la neige sur les trottoirs et les routes, chauffer les grandes piscines, chauffer les bâtiments et fournir de l'eau chaude. Bien que les coûts d'investissement des systèmes géothermiques à utilisation directe soient inférieurs à ceux des systèmes géothermiques plus profonds, cette technologie est limitée aux régions qui disposent de masses naturelles d'eau souterraine chaude à proximité ou à la surface de la terre, telles que les régions où il y a une activité volcanique ou tectonique.
Production d’énergie
Les trois types de centrales géothermiques décrits ci-dessus exploitent les ressources géothermiques situées dans les profondeurs de la terre pour produire de l'électricité. La plupart ont des systèmes d'eau en circuit fermé, où l'eau extraite est pompée directement dans le réservoir géothermique après utilisation. Une grande partie de l'eau ayant été vaporisée sous forme de vapeur, les usines doivent réinjecter d'importantes quantités d'eau pour maintenir un volume d'eau constant dans le réservoir. Bien que l'énergie géothermique soit une ressource renouvelable utilisée dans une vingtaine de pays aujourd'hui, la plupart des puits géothermiques se refroidissent avec le temps, en particulier lorsque la chaleur est extraite plus rapidement que l'eau ne se renouvelle.
Chauffage et refroidissement géothermiques
Connue également sous le nom de chauffage et de refroidissement par le sol, c'est la manière la plus courante d'utiliser l'énergie géothermique aujourd'hui. Pour répondre à la question « qu'est-ce que le chauffage géothermique ? », il est important de comprendre comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique (également appelée pompe à chaleur géothermique). Au lieu de générer de la chaleur, la pompe utilise la terre comme source de chaleur et déplace la chaleur entre la terre et la maison ou le bâtiment.
La pompe est forée entre 10 et 300 pieds dans la terre et se connecte à de longues boucles de tuyaux qui font circuler le liquide sous terre et dans tout le bâtiment. En hiver, le liquide absorbe la chaleur de la terre et la transporte dans le bâtiment, où le chauffage géothermique la restitue par le biais d'un système de conduits. En été, le liquide absorbe la chaleur du bâtiment et l'évacue vers la terre pour la refroidir.
Plus de façons d'utiliser l'énergie géothermique
- L'agriculture utilise l'énergie géothermique pour garder les plantes au chaud en hiver en appliquant de la vapeur au sol.
- Certaines stations thermales utilisent des évents géothermiques pour chauffer leurs jacuzzis et leurs bains.
- Les sources d'eau chaude sont connues pour leur capacité thérapeutique à améliorer la santé des personnes.
- Les geysers naturels peuvent être des centres d’intérêt populaires. « Old Faithful », dans le parc national de Yellowstone, est une merveille géothermique qui entre en éruption toutes les 60 à 90 minutes et qui est visitée par environ 4 millions de personnes chaque année.
L’avenir de l’énergie géothermique
La fracturation hydraulique pour l'énergie géothermique
Dans l'industrie du pétrole et du gaz, la fracturation est un moyen courant d'augmenter la production. La fracturation consiste à injecter un fluide à haute pression dans les formations rocheuses afin de les fracturer et de les rendre perméables. La fracturation hydraulique pour l'énergie géothermique adopte une approche similaire et est également appelée « systèmes géothermiques améliorés » (ESG). Bien qu'il s'agisse d'un processus similaire au type de fracturation utilisé par l'industrie du gaz naturel, il existe quelques distinctions importantes. La fracturation géothermique crée des fractures plus petites et mieux contrôlées et utilise des fluides beaucoup moins polluants.
Le GSE produit de la vapeur en extrayant l'énergie des roches qui sont suffisamment chaudes, mais trop sèches, pour produire de la vapeur par elles-mêmes. Les développeurs forent des « puits d'injection » verticalement à des profondeurs de 1 à 4 km dans la terre pour atteindre les réservoirs de roches chaudes et sèches. Ils utilisent ensuite de l'eau à haute pression ou des explosifs pour fracturer les roches et créer le réservoir de fluide géothermique. Un puits de production pompe l'eau chaude jusqu'à la surface de la terre, ce qui, comme dans les centrales à cycle binaire, réchauffe un fluide secondaire qui se transforme en vapeur. La centrale géothermique utilise la vapeur pour faire tourner les turbines et créer de l'électricité.
Obstacles à la croissance de l'énergie géothermique
- Absence de ressources géothermiques naturelles. Comme nous l'avons vu au début de cet article, les ressources géothermiques ne sont disponibles qu'à proximité des limites des plaques tectoniques. La plupart des pays qui ont accès à l’énergie locale tirent déjà parti de la ressource dans une certaine mesure.
- Coûts et risques liés à l’exploration des centrales électriques. La réalisation d’un programme initial d’exploration et de forage de trois à cinq puits de géothermiques coûte entre 20 et 30 millions USD. Cette situation, associée au risque d'une exploration infructueuse, constitue un obstacle à l'extension de l'utilisation de l'énergie géothermique à l'échelle mondiale.
- Coût et risque des installations de systèmes géothermiques améliorés. Bien que l'ESG ait le potentiel d'accroître la disponibilité des ressources géothermiques, le forage de puits géothermiques est très coûteux par rapport au forage de pétrole ou de gaz. Un autre obstacle est que, comme les méthodes traditionnelles de « fracturation », les puits de l'ESG ont provoqué des tremblements de terre. En particulier, si la fracturation hydraulique a lieu à proximité d'une faille préexistante, il y a un risque de séismes plus importants qui pourraient être suffisamment forts pour endommager les bâtiments voisins.
- Coût initial élevé des systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques. Les pompes à chaleur géothermiques coûtent entre 3 500 et 7 500 USD pour une unité de base, et les modèles plus coûteux avec des options telles que la production d'eau chaude coûtent encore plus cher. En outre, les coûts d'excavation et d'installation peuvent faire grimper le prix de 12 000 à 15 000 USD. Toutefois, certains pays peuvent proposer des remises ou des crédits d’impôt pour compenser certains de ces coûts. Ces systèmes finissent par produire un retour sur investissement parce qu'ils sont très efficaces sur le plan énergétique. Les personnes qui investissent dans des systèmes de chauffage et de refroidissement géothermiques peuvent s'attendre à économiser entre 30 et 70 % de leur facture énergétique annuelle.
Quelle est l’incidence de l’énergie énergétique sur l’environnement ?
En tant que ressource propre et renouvelable, l'énergie géothermique est de plus en plus considérée comme une alternative aux combustibles fossiles. Cependant, l'énergie géothermique affecte l'environnement de différentes manières. Dans l'ensemble, les effets positifs de l'énergie géothermique l'emportent sur les effets négatifs.
Impacts négatifs
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Consommation d’eau
Les centrales géothermiques consomment beaucoup d'eau pour le refroidissement et la reconstitution des réservoirs géothermiques. De toutes les centrales électriques renouvelables et non renouvelables, la géothermie est la deuxième plus grande consommatrice d'eau. -
Émissions d’air
Les centrales géothermiques à circuit ouvert rejettent dans l'atmosphère du sulfure d'hydrogène, du dioxyde de carbone, de l'ammoniac, du méthane et du bore. Cependant, la plupart des centrales géothermiques sont des systèmes en circuit fermé qui injectent dans la terre les gaz extraits de l'arrière-plan avec un minimum d'émissions dans l'air. -
Affaissement
Lorsque les centrales géothermiques extraient de l'eau chaude des profondeurs de la terre, elles laissent des poches vides qui peuvent s'amenuiser avec le temps si elles ne sont pas reconstituées. Au niveau de la surface, cela peut avoir un impact sur l'environnement et les bâtiments. -
Fracturation ESG
La fracturation du GSE peut provoquer des tremblements de terre, ce qui constitue un obstacle à l'adoption des installations situées à proximité des zones urbaines, des entreprises et des habitations. En outre, de nombreuses personnes pensent que le fracking ESG peut avoir des effets négatifs similaires à ceux du fracking de gaz, tels que des fuites, des déversements et une contamination du sol et des eaux souterraines.
Impacts négatifs
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Émissions de carbone faible
Comparée à la plupart des sources d'énergie, l'énergie géothermique est respectueuse de l'environnement. Une centrale géothermique moyenne émet un huitième des émissions de carbone d'une centrale au charbon moyenne. -
Réduit la dépendance vis-à-vis des alternatives
L'énergie géothermique a le potentiel de fournir une source d'électricité régulière et fiable qui peut aider les États-Unis et d'autres pays à se libérer de leur dépendance à l'égard des combustibles fossiles et d'autres énergies thermiques telles que le propane, le gaz naturel et le pétrole. En outre, les centrales géothermiques n'ont pas besoin de combustibles fossiles pour fonctionner. -
Réduit l’empreinte carbone
Le chauffage et le refroidissement géothermiques sont très efficaces sur le plan énergétique. Il s'agit d'un moyen efficace de réduire l'empreinte carbone des maisons et des bâtiments. Par exemple, le chauffage et le refroidissement géothermiques peuvent réduire les émissions de gaz à effet de serre d'une maison de 75 %. -
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Foire aux questions
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Considérée comme l’un des types d’énergie les plus durables et les plus efficaces, l’énergie géothermique est une ressource propre, fiable et renouvelable. Elle utilise la chaleur stockée à la surface de la terre pour produire de l'électricité et assurer le chauffage et le refroidissement géothermiques des habitations et des entreprises.
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L'énergie géothermique offre trois avantages principaux :
- Elle est respectueuse de l'environnement.
- Elle est renouvelable.
- Elle est fiable et stable.
Cette ressource énergétique propre et renouvelable peut contribuer à réduire la dépendance du monde à l'égard des combustibles fossiles.
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Par rapport à d'autres sources d'énergie, la géothermie présente trois inconvénients :
- Les gaz à effet de serre présents sous la surface de la terre s'échappent dans l'atmosphère et peuvent avoir un impact sur la stabilité du sol.
- Les réservoirs géothermiques doivent être gérés de manière à ne pas être épuisés.
- Les centrales géothermiques ne peuvent être construites que dans les zones situées à proximité des limites des plaques tectoniques, où des réservoirs géothermiques sont disponibles.
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L'énergie géothermique est utilisée pour chauffer et refroidir les habitations, chauffer les serres, soutenir les processus industriels et produire de l'électricité.
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Les quatre types d’énergie géothermique sont les suivants :
- Énergie géothermique basse température.
- Énergie géothermique en co-production.
- Chauffage et refroidissement géothermiques.
- Centrale électrique de production d’énergie géothermique.
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