Earth 2050
NOUVEAU

Électricité

Énergie géothermique

L'énergie géothermique peut-elle remplacer définitivement l'énergie produite en brûlant des combustibles ?

Il y a une source d'énergie presque inépuisable juste sous nos pieds. Nous racontons l'histoire de l'énergie géothermique. Puis nous comparons les centrales géothermiques classiques aux systèmes géothermiques améliorés, dont la puissance peut être ajustée pour équilibrer l'éolien et le solaire, ainsi qu'aux pompes à chaleur géothermiques pour les bâtiments individuels. Nous examinons aussi une nouvelle technologie de forage profond qui vaporise la roche au lieu de la couper, une voie qui pourrait rendre la géothermie possible presque partout sur Terre.

Télécharger le guide
ImpactVitesseCoûtMaturitéNature

3,4global

Comment cette solution est notée

  • Impact4 / 5Une électricité propre disponible en continu, avec de nouvelles techniques de forage qui permettent de l’exploiter sur davantage de sites.
  • Vitesse3 / 5Chaque centrale demande des années de forage ; un déploiement plus large exige des forages moins chers.
  • Coût3 / 5Cher à forer, puis très bon marché à exploiter.
  • Maturité4 / 5Éprouvée depuis un siècle ; le forage de nouvelle génération est encore en développement.
  • Nature3 / 5Très faible emprise au sol ; faible risque de petites secousses.

Guide

Voici la transcription illustrée du film. Le guide est actuellement disponible uniquement en anglais - il sera bientôt disponible dans ta langue.

Guide 1/14Guide 2/14Guide 3/14Guide 4/14Guide 5/14Guide 6/14Guide 7/14Guide 8/14Guide 9/14Guide 10/14Guide 11/14Guide 12/14Guide 13/14Guide 14/14

Quiz

Question 1 sur 10

Qui a produit de l'électricité pour la première fois grâce à la chaleur de la Terre, en 1904 ?

Score 0 / 10

Transcription

Des feux de bois de la préhistoire aux combustibles fossiles de l'époque moderne, les humains sont obsédés par le fait de brûler des choses. En fait, ils sont devenus si bons à ça qu'ils ont maintenant brûlé l'équivalent de toute la vie végétale actuellement sur Terre, soit un total colossal de 450 milliards de tonnes de carbone [1,2].

Mais si l'ère du feu pouvait prendre fin ? Et si l'humanité pouvait exploiter l'énergie de la planète et faire de la Terre elle-même une gigantesque centrale électrique ?

Ça peut sembler sorti de la science-fiction, mais sous la surface de la Terre se cache une source secrète d'énergie presque illimitée, capable d'alimenter le monde pendant des millénaires - l'énergie géothermique.

Bien avant que les humains commencent à brûler des combustibles fossiles, la Terre elle-même fournissait de la chaleur aux civilisations anciennes. En fait, les peuples anciens considéraient les sources géothermiques comme sacrées [3,4].

Les anciens Romains ont même construit des complexes autour d'elles [5,6,7] pour pouvoir faire la seule chose que les humains aiment encore plus que brûler des choses - se baigner dans des eaux chaudes et fumantes, un passe-temps que l'écrivain romain et amateur de bains Pline l'Ancien appréciait [4,8] tout en écrivant la première encyclopédie du monde [9,10].

Mais la chaleur de la Terre peut aussi être destructrice, comme Pline l'a découvert plus tard quand lui et la ville de Pompéi ont été ensevelis sous les cendres et les gaz toxiques lors de l'éruption volcanique du Vésuve en 79 apr. J.-C. [11,12,13].

Ce n'est qu'en 1904 que le prince italien inventif Piero Ginori Conti a découvert que, si tu fores un trou vraiment, vraiment profond, tu peux accéder à la chaleur de la Terre et l'utiliser pour produire de l'électricité [14,15,16].

Mais d'où vient toute cette énergie ? Et comment fonctionnent exactement des machines comme le bidule de Conti ?

La Terre peut sembler accueillante de l'extérieur, mais son extérieur frais et verdoyant ressemble à une coquille d'œuf, rien de plus qu'une fine croûte cassante posée sur d'épaisses couches de roche fondue et semi-fondue. Plus tu descends, plus il fait chaud. Et à plus de 5 000 °C[17,18], le noyau de la Terre est aussi chaud que la surface du Soleil [19,20].

Heureusement qu'il se trouve à presque 3 000 kilomètres de profondeur [17,21], sinon ces bains romains fumants auraient été sacrément plus brûlants !

Une partie de cette chaleur est l'énergie restante de la formation incandescente de la Terre il y a 4,5 milliards d'années, et le reste vient de la désintégration d'éléments radioactifs dans la roche elle-même [22,23]. Ensemble, ils produisent tellement d'énergie que la chaleur qui remonte à la surface pourrait théoriquement suffire aux humains pendant des millions d'années encore [24,25].

Alors, comment les humains peuvent-ils libérer le potentiel de la planète ?

Il y a trois grandes approches :

1) Géothermie classique

2) Géothermie améliorée

3) Pompes à chaleur géothermiques

La méthode classique exige une source naturelle d'eau souterraine surchauffée et de vapeur, que tu peux trouver en abondance en Islande. Comme elle se situe à la jonction de deux plaques tectoniques qui s'écartent et qu'elle est en gros une énorme collection de volcans, elle dispose d'une bonne réserve de vapeur et d'eau surchauffée juste sous la surface. En forant pour y accéder, on peut utiliser cette vapeur pour faire tourner des turbines et produire de l'électricité.

Si le réservoir est géré durablement en renvoyant l'eau dans le sol une fois refroidie, ce processus peut durer des siècles [26-29]. Une partie de cette eau chauffée par géothermie peut aussi circuler dans des tuyaux pour chauffer directement des maisons, des serres et même des piscines, permettant aux humains qui vivent là de se baigner toute l'année.

En fait, l'Islande a tellement d'énergie géothermique qu'elle couvre désormais pas moins de 70 % de ses besoins en énergie primaire [30,31].

Mais si tu n'as pas la chance de vivre près d'un volcan avec des réservoirs d'eau surchauffée sous tes pieds ? C'est là que l'option 2 entre en jeu.

Même dans les zones sans vapeur naturelle [32,33,34], on peut injecter de l'eau dans la roche chaude en profondeur pour créer un réservoir artificiel d'eau surchauffée, appelé système géothermique amélioré [35,36,37], qui peut ensuite produire de l'énergie presque comme un système classique.

Les réservoirs géothermiques améliorés pourraient aussi résoudre le plus gros problème de l'éolien et du solaire.

La demande d'énergie des humains suit un rythme : elle augmente le matin quand les gens se lèvent pour manger leurs tartines, baisse quand ils partent travailler, puis remonte quand ils rentrent pour regarder la télé et allumer les lumières.

Ironiquement, l'énergie du Soleil est la plus disponible quand on en a le moins besoin.

Et comme la disponibilité de l'énergie éolienne est un peu aléatoire, même combinées, les énergies solaire et éolienne ne suffisent souvent pas à répondre aux besoins.

À l'inverse, le flux d'énergie d'un réservoir géothermique amélioré peut être ajusté au fil de la journée, ce qui veut dire qu'il y a toujours de l'électricité quand les humains en ont besoin.

C'est une combinaison vraiment gagnante [43-56]. Alors, où est le piège ?

Les systèmes géothermiques classiques comme améliorés exigent de forer à travers des centaines, et parfois des milliers, de mètres de roche. Et, comme le sait toute personne qui connaît les roches, c'est réputé très dur, ce qui rend le forage un peu compliqué.

Les futurs progrès de technologies comme les ondes millimétriques, qui vaporisent la roche avec un faisceau à haute énergie [38,39], pourraient un jour permettre aux humains de forer si profond [40] qu'on pourrait accéder à la chaleur géothermique presque partout sur Terre.

Mais s'il existait une façon moins chère et plus simple d'utiliser la chaleur géothermique ?

C'est là que la troisième option entre en jeu : les pompes à chaleur géothermiques !

Contrairement aux systèmes géothermiques classiques et améliorés, elles peuvent être installées à des profondeurs bien moins importantes. Elles utilisent la chaleur du sol pour réchauffer un fluide spécial à des températures plus modestes, augmenter sa température grâce à un système d'échange thermique, transférer cette chaleur à l'eau et la faire circuler dans des tuyaux pour chauffer les maisons [41,42].

Ça peut sembler tiré par les cheveux mais, quand la chaleur est amplifiée de cette façon, la douce chaleur à seulement quelques mètres sous terre suffit largement à chauffer l'eau pour un bon bain fumant.

Et c'est bien plus efficace que les chaudières traditionnelles !

La géothermie peut-elle vraiment aider les humains à se débarrasser de leur addiction à brûler des choses ? Oui !

Avec les bons investissements, incitations fiscales, recherches et technologies, les humains pourraient enfin libérer tout le potentiel de la planète et accéder à cette énergie souterraine partout - des sources volcaniques aux jardins de banlieue - en créant un avenir sans feu avec plein de bains chauds et fumants pour tout le monde.

Conseillers experts

Nous aimerions remercier

Prof. Jon Gluyas

Université de Durham

Président, The Geological Society

Département des sciences de la Terre

Dr. Andrea Paulillo

University College London

Département de génie chimique

Autres vidéos

Ces ressources ne sont pas affiliées à Earth 2050. Toutes les ressources accessibles par ces liens sont en anglais.

Pour en savoir plus

Ces ressources ne sont pas affiliées à Earth 2050. Toutes les ressources accessibles par ces liens sont en anglais.

Histoire

Comment ça marche

aperçu (traditionnel)

Géothermie améliorée

Pompes à chaleur géothermiques

Forage par ondes millimétriques

Références

Toutes les ressources accessibles par ces liens sont en anglais.

  1. [1] Analyse : Quels pays sont historiquement responsables du changement climatique ? | Carbon Brief (voir Notes de référence*)
  2. [2] Le poids de toute la vie sur Terre | ESALQ – College of Agriculture, University of São Paulo
  3. [3] Une brève histoire de la longue relation entre l'humanité et les phénomènes géothermiques | Proceedings World Geothermal Congress
  4. [4] L'énergie géothermique à travers les âges - Électricité et énergies alternatives | Alberta's Energy Heritage
  5. [5] Système de récupération de chaleur de l'eau des sources chaudes des thermes romains | Buro Happold
  6. [6] Prendre les eaux : récupérer la chaleur des thermes romains | CIBSE Journal
  7. [7] Bath Abbey chauffée grâce à l'eau des sources chaudes de la ville | Energy | The Guardian
  8. [8] Sources chaudes médicinales et spas thérapeutiques dans le monde gréco-romain (Dans : Leisure, Pleasure and Healing) | Suppléments au Journal for the Study of Judaism
  9. [9] Encyclopédies de la nature : lire Pline | La bibliothèque de Léonard | Coup de projecteur à Stanford
  10. [10] Souvenir de Pline l'Ancien et de la première encyclopédie | Knowable Magazine
  11. [11] Sur la mort de Pline l'Ancien | Memoirs of the American Academy of Arts and Sciences
  12. [12] La mort tragique de Pline l'Ancien et les derniers jours de Pompéi | The Collector (voir Notes de référence*)
  13. [13] Les moulages de Pompéi : enseignements méthodologiques post-dépositionnels | PLOS ONE (voir Notes de référence*)
  14. [14] La ville géothermique : histoire | MIT
  15. [15] Savais-tu que… l’Italie abrite la plus ancienne centrale géothermique du monde ? | Utah FORGE
  16. [16] La première centrale géothermique au monde | World-Energy
  17. [17] Le noyau de la Terre | National Geographic
  18. [18] Pourquoi le noyau de la Terre est-il si chaud ? Et comment les scientifiques mesurent-ils sa température ? | Scientific American
  19. [19] Pourquoi le noyau de la Terre ne fait-il pas fondre la planète ? | BBC Science Focus
  20. [20] Des preuves solides en faveur de la théorie du chauffage de la couronne présentées lors de la réunion TESS de 2015 | NASA
  21. [21] Conductivité thermique et électrique du fer dans les conditions du noyau terrestre | Nature
  22. [22] Qu’est-ce que l’énergie géothermique ? | Planète Energies
  23. [23] Énergie géothermique : potentiel pour le chauffage et l'électricité en Grande-Bretagne | House of Lords Library
  24. [24] Revue mondiale des systèmes géothermiques améliorés (EGS) | Renewable and Sustainable Energy Reviews
  25. [25] L'énergie géothermique pour décarboner le mix énergétique des mégapoles | Communications Earth & Environment | Nature
  26. [26] Réinjection dans les champs géothermiques : une revue mondiale actualisée en 2020 | Geothermics
  27. [27] Réinjection - un aperçu | ScienceDirect Topics
  28. [28] Longévité et densité de puissance des puits géothermiques intermédiaires-à-profonds dans les applications de chauffage urbain | The European Physical Journal Plus
  29. [29] Énergie géothermique | National Geographic
  30. [30] Exploitation de l'énergie géothermique dans une stratégie 100 % renouvelable basée sur les îles. Étude de cas de Tenerife (Espagne) | Journal of Cleaner Production
  31. [31] Chiffres de l'énergie 2021 | Orkustofnun (Voir aussi Utilisation de l'énergie primaire en Islande 1940-2020 | Orkustofnun)
  32. [32] Prévoir la pertinence géographique des centrales géothermiques | Journal of Cleaner Production
  33. [33] CGG accorde à une entreprise énergétique américaine des licences pour des études géothermiques multi-clients soutenant la transition énergétique | Viridien
  34. [34] De la roche chaude à une énergie utile : une estimation mondiale du potentiel des systèmes géothermiques améliorés | Applied Energy
  35. [35] Fiche d’information sur les systèmes géothermiques améliorés (EGS) | US Department of Energy
  36. [36] Programme de technologies géothermiques : systèmes géothermiques améliorés | NLR (NREL)
  37. [37] Système géothermique amélioré - vue d'ensemble | ScienceDirect Topics
  38. [38] L'énergie géothermique avec des ondes millimétriques ou le forage direct par énergie | Geoengineering Global
  39. [39] Quaise Energy
  40. [40] Forage géothermique profond grâce à la technologie des ondes millimétriques | OSTI.GOV
  41. [41] Énergie propre 101 : pompes à chaleur géothermiques | RMI
  42. [42] Pompes à chaleur géothermiques : comment elles fonctionnent | AHRI
  43. [43] Des ressources flexibles aident les renouvelables | Fast Facts | California ISO
  44. [44] Pourquoi l'hydroélectricité par pompage-turbinage ? | Queensland Hydro
  45. [45] Réseau électrique en fonctionnement en temps réel | U.S. Energy Information Administration (EIA)
  46. [46] Caractériser les variations au fil du temps des profils quotidiens de demande énergétique par analyse de clusters dans des foyers britanniques | Applied Energy
  47. [47] La demande est intelligente et s'adapte aux changements du profil des prix | AleaSoft Energy Forecasting
  48. [48] Figure 1 : Courbes de production d'énergie éolienne et solaire comparées à la puissance (Dans : The New Hybrid Model of Compressed Air for Stable Production of Wind Farms) | International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering
  49. [49] Figure 1 : Offre et demande quotidiennes avec stockage d’énergie renouvelable (Dans : Geophysical assessments of renewable gas energy compressed in geologic pore storage reservoirs) | SpringerPlus
  50. [50] Figure 4 : Prévisions et production électrique réelle d'un parc éolien (Dans : Méthode de répartition basée sur les erreurs de prévision de la production éolienne pour un groupe de parcs éoliens) | Journal of Modern Power Systems and Clean Energy
  51. [51] Figure 1 : Production d’électricité éolienne et thermique et prix spot toutes les demi-heures (Dans : Changing winds : how wind energy interacts with the New Zealand power system) | Electricity Authority
  52. [52] Figure 1 : Consommation moyenne d'électricité par demi-heure (Dans : Electricity consumption and household characteristics : Implications for census-taking in a smart metered future) | Computers Environment and Urban Systems
  53. [53] Figure 1 : Profils horaires simulés de la production éolienne, solaire, du système hybride éolien-solaire et profil de charge (Dans : Exploiting wind-solar resource complementarity to reduce energy storage need) | AIMS Energy
  54. [54] Figure 2 : Demande moyenne d'électricité par demi-heure pendant la période de contrôle (Dans : How Does Daylight Saving Time Affect Electricity Demand ? An Answer Using Aggregate Data from a Natural Experiment in Western Australia) | Energy Economics
  55. [55] La valeur du stockage d'énergie dans le réservoir pour un pilotage flexible de l'énergie géothermique | Applied Energy
  56. [56] Figure 15 (Dans : Quantitative techno-economic comparison of a photovoltaic/wind hybrid power system with different energy storage technologies for electrification of three remote areas in Cameroon using Cuckoo search algorithm) | Journal of Energy Storage

Notes de référence

1

indique 1 718 Gt de CO2, soit l’équivalent de 468,54 Gt de carbone.

12,13

Bonus - Pline l'Ancien, se baignant dans ses derniers instants (voir animation)

[12] Pline l'Ancien observa un grand nuage menaçant sortir du sommet du Vésuve. Comprenant que quelque chose n'allait pas, il choisit non pas de fuir et de se sauver, mais d'envoyer une flotte de navires de guerre aider les autres le long de la côte, et partit avec elle. Lorsqu'il reçut un message de son amie Rectina appelant à l'aide, il devint vite clair que ce voyage était une mission de sauvetage. Pline rejoignit Rectina chez elle, à 5 km de Pompéi, et son pilote lui conseilla de faire demi-tour - mais Pline refusa, et continua sa route pour aider son autre ami, Pomponianus, à Stabies. C'est là que les deux hommes essayèrent de se détendre, de dîner, de se baigner et d'attendre que le danger passe pendant la nuit. Mais pendant la nuit, des cendres et des pierres ponces commencèrent à tomber, des secousses ébranlèrent les fondations et la lave engloutit des maisons au loin et approchait rapidement de la maison. Les conditions empirèrent, et les dangers augmentèrent à l'intérieur comme à l'extérieur. Au matin, ils décidèrent d'évacuer et de se diriger vers la plage - malheureusement, ils furent rattrapés dans leur fuite par la chaleur croissante, les flammes et les fumées suffocantes.

[13] précise qu'il n'y eut pas un seul événement à l'origine de la catastrophe, mais une multitude de catastrophes cumulées, et que les habitants de Pompéi eurent le temps de tenter de fuir tandis que des cendres chaudes et des pierres ponces tombaient avant que la déferlante pyroclastique n'emporte la vie de la plupart des habitants. Cela renforce la conclusion que Pline l'Ancien eut le temps de se baigner et de se détendre avant qu'une évacuation soit lancée.

43-56

Graphique de la demande énergétique

Le graphique présenté est une représentation simplifiée des variations quotidiennes de la demande d'énergie et des problèmes liés à l'intermittence des renouvelables, basée sur [43-56], et illustrée à travers 4 paramètres principaux :

  • La demande d'énergie varie généralement au fil de la journée, selon les habitudes des gens. La consommation d'électricité atteint souvent un pic le matin et le soir, quand les gens se lèvent ou rentrent du travail - allumant les lumières, la télévision, les appareils de cuisine, etc. - puis elle se stabilise ou baisse généralement au milieu de la journée, quand les gens travaillent, se déplacent ou sont dehors. Sans surprise, la demande est au plus bas la nuit, quand les gens dorment.
    (Les profils précis de demande varient selon les études ; plusieurs sources ont été consultées et simplifiées pour ce graphique.)
  • Énergie solaire - La production d'électricité solaire atteint son maximum au milieu de la journée, quand l'ensoleillement est le plus fort, puis baisse en soirée quand le soleil se couche. Ce schéma bien connu ne correspond pas à la consommation d'électricité des gens, créant des manques d'approvisionnement quand la demande est la plus forte : Même lorsque le soleil se lève et que la production augmente, elle ne suffit pas à couvrir le pic de demande du matin. À l'inverse, il y a un surplus d'électricité au milieu de la journée, quand le soleil est au plus haut, mais que la demande est relativement faible.
  • Énergie éolienne - La production d'électricité éolienne est par nature assez variable et imprévisible. À court terme (heure par heure), le vent n'a pas de schéma régulier et prévisible comme la lumière du soleil (même si certaines sources indiquent que le vent a tendance à atteindre un pic l'après-midi). Mais comme le solaire, l'éolien peut créer des surplus à certains moments de la journée et ne pas répondre à la demande à d'autres. Des journées entières sans vent peuvent passer, avec une production insuffisante pour répondre à la demande, ou des journées de vent incessant peuvent fournir un surplus continu d'électricité. Au final, à elle seule, l'énergie éolienne est une source d'énergie peu fiable. Même combinés, l'éolien et le solaire ne parviennent souvent pas à fournir assez d'électricité lors des pics de demande, et surtout les jours nuageux et sans vent.
  • Énergie complémentaire - D'autres sources d'énergie peuvent être utilisées pour compenser les manques intermittents d'électricité liés à l'éolien et au solaire, et aider l'offre à répondre à la demande. L'énergie fournie par des sources comme l'hydroélectricité, les biocombustibles et la géothermie améliorée peut être ajustée au cours de la journée, en apportant de l'énergie supplémentaire quand il le faut ou en réduisant la surproduction et les surplus gaspillés pendant les périodes creuses. Cela permet de répondre en continu à la demande à toute heure grâce à un ensemble de sources d'énergie. Utiliser une source renouvelable (plutôt que des combustibles fossiles) comme approvisionnement complémentaire ajustable aide à répondre à la demande sans créer davantage d'émissions de carbone inutiles.

Suivi de charge ou production de base :

La géothermie améliorée est un exemple clé de source d'énergie qui peut être ajustée avec souplesse et de façon dynamique pour suivre les changements en temps réel de la demande causés par l'intermittence et les habitudes de consommation, et elle est connue comme une source de « suivi de charge ». D'autres sources d'énergie, comme les centrales à combustibles fossiles ou nucléaires, sont traditionnellement appelées sources de production « de base » A. Cela signifie qu'elles peuvent fournir une électricité continue et fiable pour répondre à nos besoins énergétiques les plus essentiels ; mais, contrairement à la géothermie améliorée, elles ne sont pas faciles à ajuster, et leur production ne peut pas être rapidement augmentée ou réduite pour suivre la demande. Des centrales supplémentaires, appelées centrales « de pointe », sont intégrées au réseau électrique pour fournir davantage d'électricité pendant les pics de demande. Mais même les centrales de pointe mettent du temps à être démarrées et arrêtées, ce qui crée de l'inefficacité, de la surproduction et du gaspillage.

Notre graphique est une version simplifiée de la courbe du canard B, un graphique très connu qui illustre l'écart entre la demande et l'offre solaire(/éolienne), ainsi que la charge qui en résulte sur notre réseau électrique - c'est-à-dire qu'il montre la demande restante après avoir déjà pris en compte celle couverte par l'électricité solaire(/éolienne), combinant ainsi ces paramètres en une seule courbe. Il montre que, si l'éolien et le solaire peuvent aider à répondre aux besoins énergétiques, ils ne peuvent pas (pour l'instant) remplacer entièrement la production de base. En ne répondant pas à 100 % de la demande en permanence, ils peuvent mettre davantage le réseau sous pression en nécessitant des ajustements rapides et plus fréquents des centrales de base traditionnelles, lentes à moduler, pour compenser (ou du moins, pas sans provoquer des redondances, de grosses inefficacités et du gaspillage d'électricité). Par exemple, quand la production solaire baisse le soir au moment même où la demande d'électricité atteint son pic, les compagnies d'électricité qui exploitent des centrales de base doivent rapidement augmenter leur production à la place du solaire. Cela crée non seulement une pression opérationnelle, mais ces centrales ne sont rentables que si elles fonctionnent en continu - les démarrer et les arrêter tout au long de la journée les rend économiquement non viables.

Les solutions à ce problème cherchent à « aplatir le ventre du canard » (et donc à réduire l'ampleur des ajustements nécessaires des centrales de base), et comprennent :

  • Améliorer le fonctionnement des centrales de base pour ajuster leur production plus souplement
  • Adapter nos habitudes de consommation d'énergie pour qu'elles soient plus régulières au cours de la journée
  • Rediriger les surplus d'électricité vers d'autres usages
  • Intégrer du stockage d'énergie à l'échelle du réseau
  • Passer à d'autres sources de « suivi de charge » plus souples, comme la géothermie améliorée ou l'hydroélectricité

Voir aussi : Dix ans d'analyse de la courbe du canard : comment une découverte du NREL en 2008 aide aujourd'hui à intégrer davantage de solaire au réseau | NLR (NREL) (archivé)

Vous êtes financeur, scientifique, éducateur ou décideur ?

Envie de soutenir Earth 2050 ou de travailler avec nous ? Contactez-nous.

info@earth2050.com