La géothermie, du grec géo (« la Terre ») et thermos (« la chaleur »), désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre, et la technologie qui vise à les exploiter. Par extension, la géothermie désigne aussi parfois l’énergie géothermique issue de l’énergie de la Terre qui est convertie en chaleur.
Pour capter l’énergie géothermique, on fait circuler un fluide dans les profondeurs de la Terre. Ce fluide peut être celui d’une nappe d’eau chaude captive naturelle, ou de l’eau injectée sous pression pour fracturer une roche chaude et imperméable. Dans les deux cas, le fluide se réchauffe et remonte chargé de calories (énergie thermique). Ces calories sont utilisées directement ou converties partiellement en électricité.
L’énergie géothermique est localement exploitée pour chauffer ou disposer d’eau chaude depuis des millénaires, par exemple en Chine, dans la Rome antique et dans le bassin méditerranéen.
Les sources d’eau chaude sont utilisées pour le bain au moins depuis le Paléolithique. Le plus ancien spa connu est un bassin en pierre sur la montagne Lisan en Chine, construit sous la dynastie Qin au IIIe siècle av. J.-C., à l’endroit même où le palais Huaqing Chi est construit par la suite. Au premier siècle de notre ère, les Romains conquièrent Aquae Sulis, aujourd’hui Bath, dans le Somerset, en Angleterre, et utilisent les sources chaudes qui s’y trouvent pour alimenter leurs thermes et chauffages par le sol. Les droits d’entrée de ces bains représentent probablement la première utilisation commerciale de l’énergie géothermique. Le plus ancien système de chauffage urbain géothermique du monde, situé à Chaudes-Aigues, en France, fonctionne depuis le XVe siècle. La première exploitation industrielle commence en 1827 avec l’utilisation de la vapeur du geyser pour extraire l’acide borique de volcans de boue à Larderello, en Italie.
En 1892, le premier réseau de chaleur d’Amérique à Boise, dans l’Idaho, est alimenté directement par l’énergie géothermique, et est copié à Klamath Falls, dans l’Oregon, en 1900. Le premier bâtiment connu au monde à utiliser l’énergie géothermique comme source de chaleur principale est l’hôtel Hot Lake, dans le comté d’Union (Oregon), dont la construction s’est achevée en 19073. Un puits géothermique profond est utilisé pour chauffer des serres à Boise en 1926, et des geysers sont utilisés pour chauffer des serres en Islande et en Toscane à peu près à la même période. Charlie Lieb met au point le premier échangeur de chaleur en fond de puits en 1930 pour chauffer sa maison.
Au XXe siècle, la demande en électricité conduit à envisager l’énergie géothermique comme source de production. Piero Ginori Conti teste le premier générateur d’énergie géothermique le 4 juillet 1904 à Larderello. Il réussit à allumer quatre ampoules. Plus tard, en 1911, la première centrale géothermique commerciale du monde est construite à cet endroit. C’est le seul producteur industriel d’électricité géothermique au monde jusqu’à ce que la Nouvelle-Zélande construise une centrale en 1958.
En 1912, Heinrich Zoelly brevète l’idée d’utiliser la pompe à chaleur, inventée par Lord Kelvin en 1852, pour tirer la chaleur du sol. Ce n’est cependant qu’à la fin des années 1940 que la pompe à chaleur géothermique est mise en œuvre avec succès ; il s’agit probablement du système d’échange direct de 2,2 kW, fabriqué par Robert C. Webber, mais les sources ne s’accordent pas sur la date exacte de son invention. J. Donald Kroeker conçoit la première pompe à chaleur géothermique commerciale pour chauffer le Commonwealth Building à Portland (Oregon) et en fait la démonstration en 1946. Le professeur Carl Nielsen de l’université d’État de l’Ohio construit la première version résidentielle en boucle ouverte dans sa maison en 1948. La géothermie devient populaire en Suède à la suite de la crise pétrolière de 1973, et son acceptation dans le monde entier s’est lentement accrue depuis lors. Le développement, en 1979, des tuyaux en polybutylène a considérablement augmenté la viabilité économique de la pompe à chaleur.
La centrale électrique à cycle combiné est démontrée pour la première fois en 1967 en URSS. Cette technologie permet de produire de l’électricité à partir de ressources à température beaucoup plus basse qu’auparavant. En 2006, une centrale à cycle binaire est mise en service à Chena Hot Springs, en Alaska, produisant de l’électricité à partir d’une température de fluide record de 57 °C.
Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer un peu de cette chaleur, cependant la plus grande partie de la puissance géothermique obtenue en surface (87 %) est produite par la radioactivité des roches qui constituent la croûte terrestre (désintégration naturelle de l’uranium, du thorium et du potassium).
Il existe dans la croûte terrestre, épaisse en moyenne de 30 km, un gradient de température appelé gradient géothermique qui définit que plus on creuse et plus la température augmente ; en moyenne de 3 K par 100 mètres de profondeur.
La géothermie vise à étudier et exploiter ce phénomène d’augmentation de la température en fonction de la profondeur (même si le flux de puissance obtenu diminue avec la profondeur, puisque l’essentiel de ce flux provient de la radioactivité des roches de la croûte terrestre).
Son exploitation durable implique un débit d’extraction d’énergie limité au flux de chaleur alimentant la ressource, à défaut de l’épuiser pour une certaine période. Même si certains sites géothermiques peuvent atteindre jusqu’à 0,2 W/m2, le rythme d’exploitation de la géothermie peut être supérieur au rythme de renouvellement naturel de la chaleur, ce qui peut entraîner un épuisement de la ressource à terme.
Son caractère « inépuisable » dépend donc des conditions d’utilisation : en moyenne à la surface de la Terre, de l’ordre de 60 mW pour chaque mètre carré (0,06 W/m2) de terrain exploité, à comparer à la densité de puissance solaire moyenne reçue par la Terre, environ 6 000 fois plus importante (340 W/m2).
Le renouvellement de la chaleur prélevée trop vite (plus que les très faibles 60 mW/m2 du flux thermique des profondeurs terrestres) se fait en général par diffusivité thermique (sauf circulation d’eaux naturelles) à partir du pourtour non refroidi, ce qui dépend de la dimension L du volume prélevé ou refroidi, avec un temps de retour de la chaleur ou de la température, croissant comme le carré de cette dimension L, donnant pour 6 à 10 m un an environ, pour 12 à 20 m 4 ans, pour 24 à 40 m 16 ans, de fait, égal grossièrement au temps passé à le prélever trop vite.
Aussi, cela ne peut fonctionner que si des eaux chaudes circulent facilement ou fortement, dans des zones volcaniques, en espérant que leur source aquifère est assez grande pour ne jamais s’épuiser.
Une solution est de recharger les puits avec de la chaleur solaire venant de capteurs solaires en surface. La géothermie solaire sert alors à stocker cette chaleur solaire du jour pour la nuit, de l’été pour l’hiver, rendant l’énergie solaire utilisable 24 h sur 24 et 365 jours par an, sans interruption. Cela a été utilisé pour le chauffage intersaison, de l’été pour l’hiver, comme à la Communauté solaire de Drake Landing.
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Sources : Wikipédia, YouTube.