1ère chaire industrielle en géothermie profonde
Parce que la géothermie profonde ouvre une voie nouvelle dans le domaine de l’énergie avec un fort potentiel, Electricité de Strasbourg (ES) et l’université de Strasbourg (UdS) ont lancé une chaire. Elle, permettra de réunir et diffuser les connaissances scientifiques et techniques acquises à travers les expérimentations et les travaux de recherche.
La nouvelle chaire industrielle mise en place à l’Université de Strasbourg et inaugurée le 4 avril 2014 est unique en son genre, tant dans sa thématique que par ses « porteurs » : EDF, le Groupe ÉS et l’Université de Strasbourg. Il s’agit de la toute première chaire industrielle dédiée à la géothermie profonde dans une université française !
Cette chaire n’est pas affectée à une seule personne physique mais à un regroupement de personnes morales à la fois industrielles et académiques : EDF, le Groupe ÉS, l’Unistra, l’EOST ; cette chaire mixte vient illustrer et renforcer le partenariat industrie-université engagé au travers du LabEx G-Eau-Thermie profonde lancé en 2012. Elle est le reflet d’une dynamique multi-partenariale impliquant les acteurs clés de la géothermie profonde du bassin rhénan. Une des ambitions affichées est d’être un outil de valorisation et de développement de la filière française dans ce domaine.
La filière géothermique du bassin rhénan est la 1ère filière géothermique française reconnue sur les plans européen et international. Il semblait nécessaire aux différents acteurs de la filière de poursuivre les investissements humains, matériels et financiers pour soutenir le développement industriel, la recherche fondamentale et la formation, mais aussi accroître le rayonnement de cette filière stratégique, innovante.
Les objectifs de la chaire :
La chaire s’inscrit dans la continuité des objectifs du LabEx G-Eau-Thermie profonde lancé en 2012 dans le cadre des investissements d’avenir. Les quatre axes structurants du LabEx définissent les objectifs de la chaire :
- Approfondir la recherche et le développement industriel de la géothermie profonde.
- Développer et professionnaliser l’enseignement en géothermie profonde.
- Créer de l’activité économique et de l’emploi en Alsace et en France grâce au développement des compétences et du savoir-faire de la filière géothermique en bassin rhénan.
- Faire connaître la filière géothermique et accroître son rayonnement français, européen et mondial.
Le LabEx est la première pierre de la chaire qui, en rassemblant notamment trois laboratoires de recherche académique strasbourgeois autour d’un projet commun, a apporté une crédibilité et une véritable visibilité aux recherches menées à Strasbourg. De plus la dotation de 3 millions d’euros des investissements d’avenir (IA) a été un levier pour convaincre les partenaires industriels de soutenir ces études par des moyens financiers conséquents. Cette chaire permettra également d’élargir les champs de recherche qui ne sont pas dans les objectifs directs du LabEx, comme par exemple l’étude du vieillissement des installations en surface. Si la chaire industrielle de géothermie profonde ouvre de nouveaux terrains d’étude, elle permettra également d’impliquer d’autres partenaires dans les actions de recherche académiques et industrielles.
Les enjeux de la chaire industrielle :
En résonance avec ses objectifs, la chaire répond à 2 enjeux écologiques et économiques majeurs : Favoriser le développement d’une énergie d’avenir, permanente et non polluante, disposant d’un potentiel d’applications exceptionnel, depuis la consommation courante des villes à celle des industries énergivores. Mettre en place une filière professionnelle à haute qualification, associant les savoirs techniques et scientifiques des industriels et des chercheurs, créatrice d’emplois pérennes et non délocalisables.
Les formations in concreto :
Dans la continuité de ce qui a été initié dans le cadre du LabEx, la chaire permettra la mise en place de formations continues dédiées à la géothermie. L’EOST est la seule école d’ingénieurs française dédiée à la géophysique. Elle fait partie des 10 meilleures écoles d’ingénieur françaises ouvrant à des postes à l’étranger. Les formations d’ores et déjà proposées par l’EOST apportent toutes les bases nécessaires pour comprendre la géothermie profonde (sismologie, électromagnétisme, méthodes inverses, mécanique des fluides, mécanique des roches, pétrophysique, diagraphie, géologie, tectonique, géochimie des eaux, hydrogéologie et géotechnique).
La chaire permettra : L’ajout d’un module dédié à la géothermie profonde, dans lequel interviennent essentiellement des industriels du domaine ; module déjà mis en place. Cette année, 29 élèves ingénieurs suivent ce module. Sur les 10 interventions de ce module, 6 sont données par des industriels du secteur. La mise en place de 3 diplômes universitaires (DU) qui verront le jour à la rentrée 2014. Ils sont
à destination des professionnels et donc accessibles en formation continue. Ils permettront d’approfondir les connaissances en infrastructure de surface, en forage profond, en transfert thermique ou autre.
3 DU « les métiers de la géothermie » :
Des formations en géothermie sont nécessaires pour appuyer l’essor de cette filière innovante. Les besoins sont importants, mais ciblés en fonction du métier d’origine des acteurs de la géothermie. Ainsi, un géologue ou un géophysicien travaillant en géothermie n’a pas les mêmes besoins de formation qu’un thermicien ou un mécanicien. C’est pourquoi une offre de formation aux « Métiers de la géothermie » en 3 parties constituant chacune un diplôme universitaire (DU) :
DU1 : Géosciences pour la géothermie profonde, DU2 : Infrastructures de surface en géothermie, DU3 : Gestion de projets en géothermie, garantira ainsi une formation complète, du sous-sol à la surface jusqu’aux processus administratifs ou la gestion de projet.
La géothermie profonde offre les plus grandes ressources et permet des applications de grande envergure. En effet, la géothermie profonde est souvent développée dans les sous-sols où règne une température élevée à des profondeurs raisonnables. Elle est généralement caractérisée par une source à haute température (+150°C) et par une extraction allant de 1 500 m (en zone volcanique) à 5 000 m de profondeur (en zone continentale). La géothermie profonde est la seule à produire suffisamment d’énergie pour créer de l’électricité.
Alors que la géothermie basse température peut être exploitée dans la plupart des régions françaises, le bénéfice de la géothermie profonde en zone continentale est limité à quelques zones géologiques « anormales » comme le bassin rhénan.
L’Alsace, territoire d’exception pour la géothermie profonde en Europe
Il y a plus de 30 millions d’années, l’effondrement du bassin rhénan sur près de 50 kilomètres d’Est en Ouest et plus de 200 kilomètres du Nord au Sud a doté la région d’une situation géologique exceptionnelle. Il existe en particulier d’importants massifs enfouis, essentiellement du granite et du grès, naturellement fracturés et riches en eau. De quelques microns à plusieurs kilomètres de long, les fractures de ces massifs permettent une circulation facilitée des fluides géothermaux chauds, et cela à des températures anormalement élevées pour de tels niveaux de profondeur. Augmentant de 10°C par 100 m, soit 3 fois plus que la moyenne habituelle, la température de cette saumure peut atteindre 100°C dès 1000 mètres dans le Nord de la région. Cette eau captive dans les roches profondes forme le réservoir géothermique. Elle est très différente de l’eau de surface, comme celle de la nappe phréatique, car très salée (plus de 3 fois la salinité de l’eau de mer).
Énergéticien majeur en Alsace depuis plus de 100 ans, acteur local de référence au sein d’EDF, le Groupe ÉS a été pionnier dans la recherche et la valorisation de ce potentiel énergétique local exceptionnel. Co-fondateur du GEIE (Groupement Européen d’Intérêt Economique) de Soultz-sous-Forêts, le Groupe ÉS y a développé son expertise et ses compétences depuis plus de 25 ans, et a créé sa filiale ÉS Géothermie spécialisée et reconnue en Europe dans le pilotage de projets géothermiques. ÉS Géothermie compte déjà plus d’une dizaine de projets et de références en France et à l’international.
Plus de 20 ans de recherche et de mise au point du système EGS à Soultz-sous-Forêts
Depuis les premières explorations en 1985, des scientifiques et des ingénieurs de toutes nationalités ont travaillé d’arrache-pied sur le site de Soultz-sous-Forêts, dans le Nord de l’Alsace, pour faire avancer la connaissance sur la géothermie profonde. Personne n’imaginait qu’on trouverait autant d’eau dans le sous-sol. On pensait devoir créer les fractures dans les roches et apporter l’eau qui circulerait à l’intérieur. Cette technique nommée Hot Dry Rock est aujourd’hui abandonnée dans l’ensemble du bassin rhénan. Les chercheurs européens ont mis au point une technologie développée sur le site de Soultz-sous-Forêts plus adaptée et moins invasive :
« EGS » (Enhanced Geothermal System). Cette méthode «douce» de la géothermie profonde est un système unique, testé depuis 1997, dans un milieu où l’eau circule naturellement dans les fractures du sous-sol.
Comment fonctionne la technique EGS ?
Un circuit colmaté qu’il faut «détartrer»
Pour pouvoir exploiter l’eau chaude géothermale, il faut tout d’abord améliorer, voire rétablir, la circulation entre les différents réservoirs souterrains en libérant les failles de leurs dépôts minéraux qui les colmatent. Un véritable défi à relever pour le projet Géothermie Soultz, qui a nécessité plusieurs années d’études, d’expérimentations et de prospections soutenues par des programmes européens de recherches et dont le
BRGM, l’ADEME et le CNRS ont été des acteurs clés côté français.
Aujourd’hui, cette méthode de «détartrage», un des objets d’étude du LabEx est en constante amélioration. Respectueuse de l’environnement, elle est réalisée en quelques jours grâce à des injections à basse pression d’eau très légèrement acide pour dissoudre les minéraux qui obstruent une partie des failles et les faire revenir à leur état initial, sans créer d’événements micro-sismiques perceptibles.
L’EGS, un système ouvert où l’eau circule librement et naturellement :
Le résultat de ce travail est un EGS (Enhanced Geothermal System ou Système Géothermal Activé) : un volume souterrain de quelques km3 où l’eau circule de façon irrégulière par des boucles de convection. Une fois la connexion du puits au réservoir réalisée et améliorée, l’eau chaude aspirée par un premier puits arrive à la surface à une température d’environ 140 °C à 170 °C selon la zone de pompage. On lui prélève une partie de son énergie thermique (appelée «calories») grâce à un échangeur de chaleur. Elle est ensuite réintroduite dans son milieu naturel à environ 70°C par un second puits. Cette boucle, entre la surface et les profondeurs, atteint un débit de plusieurs dizaines de litres par seconde.
Un nettoyage en douceur plutôt qu’un passage en force :
Le procédé EGS exploite des réservoirs d’eau chaude naturellement fracturés. Cette méthode abandonne complètement l’idée de fracturation hydraulique, très controversée, qui consiste à injecter de l’eau sous très haute pression afin de créer artificiellement un échangeur profond. À Bâle, en 2006, la fracturation hydraulique a provoqué un séisme de magnitude 3,4 sur l’échelle de Richter. Ces secousses, fortement ressenties par les riverains, ont eu comme conséquence l’arrêt immédiat et définitif du projet.
La technique employée pour créer un EGS s’appuie sur des procédés chimiques qui améliorent la productivité du puits connecté aux failles naturelles en nettoyant les dépôts minéraux obstructifs. On injecte à basse pression des acides alimentaires mélangés en faible concentration. Ce procédé permet de faire revenir les failles nettoyées à leur état initial, sans provoquer de microséisme.
Aucune interférence entre les différents fluides et les différentes couches géologiques :
L’exploitation EGS consiste simplement à remonter de l’eau chaude, récupérer ses calories puis la réinjecter dans son milieu d’origine : il n’y a pas de contact entre l’eau géothermale, la nappe phréatique et les couches géologiques sédimentaires traversées. Au moins 3 tubages en acier, séparés par du laitier de ciment, créent une barrière au niveau de la nappe phréatique. De plus, le dernier tubage dans lequel circule l’eau géothermale, est soumis à un contrôle périodique exigé par la DREAL. Cette architecture permet aussi d’éviter que les aquifères communiquent avec d’autres couches géologiques que la leur. Il n’y a pas de modification du milieu.
ÉS Géothermie a ainsi pu bénéficier d’un savoir-faire unique grâce au site pilote de Soultz-Sous-Forêts, qui a permis de valider les hypothèses thermiques, relever les défis scientifiques et asseoir les moyens techniques nécessaires à l’exploitation. Initié en 1985, le projet est devenu un site opérationnel qui alimente depuis 2008 une centrale électrique de 2,1 MW, soit l’équivalent des besoins thermiques de 6000 logements ou les besoins en électricité de 1500 habitants.
LE SITE DE SOULTZ-SOUS-FORÊTS, EN CHIFFRES
> 23 années de recherche (1985-2008)
> 80 millions d’€ investis par l’Union Européenne, la France et l’Allemagne
> 15 laboratoires de recherche européens et internationaux et plusieurs centaines d’entreprises sous-traitantes
> 11 km de longueur de puits forés
> 4 puits géothermiques à -3 600 m/-5 000 m générant 30l de débit /seconde
> 0 g de CO2 émis pour la production d’énergie électrique
Exploité par le GEIE et soutenu financièrement par l’ADEME, le site poursuit en parallèle sa mission d’expérimentation pour mieux comprendre les phénomènes souterrains, mesurer la pérennité du système mis en place et, à long terme, améliorer ses performances.
Réunissant des moyens financiers, techniques, et humains considérables, avec à la clé des avancées scientifiques majeures et internationalement reconnues, le site de Soultz-sous-Forêts a fait émerger la première filière française de géothermie profonde, avec la création d’emplois qualifiés et non délocalisables.
Aujourd’hui, le site de Soultz-sous-Forêts sert de modèle à de nouveaux projets de développement géothermique en Alsace, à destination de la consommation énergétique urbaine ou industrielle, et est aussi une vitrine internationale de la recherche en géothermie profonde.
Dans un contexte de nécessaire transition énergétique face à la diminution des ressources d’énergies primaires et l’augmentation constante des besoins, la géothermie profonde apporte une solution alternative prometteuse en vertu de ses importants atouts énergétiques et écologiques.
La production énergétique issue de la géothermie profonde jouit d’un double avantage :
Une stabilité d’alimentation due au renouvellement de l’énergie en permanence, 24h/24 et 12 mois/12, sans être soumise aux aléas climatiques, contrairement à la production éolienne ou photovoltaïque.
Une capacité de rendement très généreuse : chaque doublet de puits de production peut extraire entre 10 et 30 MW de chaleur selon la ressource disponible. Celle-ci peut être utilisée en chaleur si les consommateurs sont à proximité ou la retransformer en 2 à 5 MW d’électricité brute. En y déduisant la part de consommation énergétique nécessaire au bon fonctionnement de l’exploitation (0,5 à 1,5 MW), un doublet de puits (un puits producteur et un puits injecteur) peut produire à lui seul entre 1,5 à 3,5 MW d’électricité, soit l’équivalent de la production annuelle d’une dizaine d’éoliennes en moyenne. Pour assurer un rendement énergétique maximal, l’idéal est la production d’électricité et la valorisation de chaleur résiduelle en même temps, la cogénération.
LE SAVIEZ-VOUS ?
Dans le cas de Soultz : 1,5 MW électriques produits par la chaleur géothermale et injectés dans un réseau électrique suffisent à alimenter un village de 1 500 personnes
La géothermie profonde offre donc des solutions durables en matière de chauffage urbain, de réseaux de chaleur ou de production d’électricité. Une réponse énergétique à grande échelle d’autant plus intéressante que, si les coûts d’investissement actuels sont encore très élevés, ils devraient être amortis par le niveau de production et par la réduction des coûts financiers en phase d’exploitation, pour un prix final de l’énergie compétitif et indépendant des variations du marché des matières premières (gaz, pétrole, charbon).
Du point de vue écologique, la géothermie profonde est une énergie particulièrement respectueuse de l’environnement. Pour 1 kW d’électricité consommée par les pompes, on peut produire jusqu’à 20 kW d’énergie thermique, permettant une économie d’énergie fossile considérable, sans dégager d’émission de CO2. D’autre part, la géothermie profonde présente un impact visuel et sonore faible.
Les opportunités économiques de la géothermie profonde en Alsace
ÉCOGI, une innovation mondiale au service de l’industrie :
Porté par Roquette Frères, le Groupe ÉS et la Caisse des Dépôts, soutenu par l’ADEME et mis en œuvre par ÉS Géothermie, ÉCOGI est le premier projet au monde à valoriser directement la chaleur issue de la géothermie profonde au sein d’un process industriel. Son objectif d’ici 2015 : créer une boucle de chaleur géothermale à 2 500 mètres de profondeur à Rittershoffen (Nord de l’Alsace), transporter la chaleur entre Rittershoffen et Beinheim, pour alimenter en vapeur et eau chaude la bio-raffinerie Roquette Frères. Évaluée à 190 000 MWh/an, cette production thermique produira 24 MW thermiques sur les 90 MW consommés par l’usine, et permettra la substitution de 16 000 TEP (tonne équivalent pétrole) par an assortie d’une réduction d’émissions de CO2 de 39 000 tonnes (soit 17 272 AR Paris-New-York en avion).
La première étape réussie en 2012 : la construction du 1er puits de forage a permis de confirmer la température et le débit potentiels du fluide géothermal en vue de son exploitation industrielle. Le projet engage désormais sa seconde étape : la construction d’un 2ème puits pour réinjecter l’eau refroidie et ainsi achever le circuit d’échange de chaleur. Suivront la construction de la centrale, des canalisations de transport et des équipements, pour un démarrage d’exploitation prévu courant 2015.
Bientôt les premières applications en milieu urbain :
En juin 2013, le Ministère de l’Écologie, du Développement Durable et de l’Énergie a délivré un Permis Exclusif de Recherche (PER) au Groupe ÉS pour déployer la technologie d’ÉS Géothermie au sein de la Communauté urbaine de Strasbourg, sur le site du Pôle Innovation à Illkirch-Graffenstaden.
Selon les premières études d’exploration, le projet permettrait de capter une eau thermale à 160°C dès 3 000 mètres de profondeur, laissant envisager la possibilité d’exploitation d’une centrale de chaleur géothermique destinée à alimenter directement le réseau de chaleur urbain, et potentiellement assurer la production d’électricité dans les périodes de faible demande. Outre le confort énergétique des 3 300 logements ainsi chauffés et l’avantage économique pour la commune d’une TVA à taux réduit (énergie renouvelable), les habitants bénéficieraient d’une réduction de 8 600 tonnes de CO2 par an, un vrai souffle d’air !
Le permis obtenu va permettre à ÉS Géothermie de vérifier le scénario thermique à l’issue du premier forage appelé forage d’exploration. D’autres projets similaires sont également à l’étude sur les sites de Mittelhausbergen, de Wissembourg et de Lauterbourg.
Si la géothermie profonde présente un potentiel d’exploitation exceptionnel, son développement industriel se confronte à des défis techniques inédits, qui nécessitent des recherches approfondies et des connaissances scientifiques transversales pour les analyser.
Des défis proposés par le Groupe ÉS, à travers sa filiale ÉS Géothermie, que l’Université de Strasbourg et plus particulièrement l’EOST (École et Observatoire des Sciences de la Terre) et ses laboratoires rattachés souhaitent relever. Ainsi, en tant que service public, la recherche académique fait avancer les connaissances tout en favorisant le développement industriel de la France.
Principaux freins et difficultés du développement industriel :
La profondeur : Les difficultés techniques augmentent avec la profondeur. Identifier les zones d’intérêt nécessite une exploration précise. Un autre obstacle est de forer dans un environnement difficile pour accéder au réservoir.
Les microséismes : Les premières exploitations, réalisées à l’époque à base de fracturation hydraulique, comportaient un risque de microsismicité induite. Toutefois les forages de puits, leur développement et l’exploitation de l’eau circulant dans les fractures profondes modifient les forces en jeu dans le sous-sol et font apparaître des microséismes, la plupart du temps, à des valeurs très faibles. Le contrôle continu de ces paramètres permet de limiter l’événement à la magnitude 2 qui est la limite où la secousse est ressentie, sans occasionner de dégâts matériels. L’ensemble des microséismes, y compris ceux d’origine naturelle, apportent cependant des informations capitales sur le réservoir - notamment sa localisation - et sont observés avec minutie.
Le vieillissement prématuré de l’équipement industriel : sur le site de Soultz-sous-Forêts, on a constaté un endommagement rapide des équipements de pompage, dû à la corrosion des matériaux et à l’obstruction des systèmes de pompage par des dépôts minéraux (« scaling »).
La radioactivité secondaire naturellement remontée par le fluide géothermal à partir des granites profonds naturellement riches en radioactivité.
Le partenariat entre l’Université de Strasbourg, le CNRS et les industriels, tant sur le plan de la recherche que dans la formation, initié depuis plusieurs années maintenant, a pour finalité de surmonter les obstacles techniques de la géothermie profonde.
