La chaleur de la Terre et la géothermie

Quand un système (ici la Terre) dégage de l'énergie, il existe deux possibilités extrêmes quant à l'origine de cette énergie, avec bien sûr tous les intermédiaires possibles. La première possibilité est que cette énergie soit produite en continu à l'intérieur du système, avec égalité entre perte et production. C'est le cas d'un fer à repasser de 1 000 W branché depuis longtemps et dont la température est stabilisée à 200°C (réglage coton). Ses résistances internes dégagent 1 000 W sous forme de chaleur par effet Joule, mais il perd 1 000 W en réchauffant linge ou air ambiant. C'est pourquoi la température du fer à repasser est constante dans le temps. La seconde possibilité est que le dégagement de chaleur soit alimenté par le refroidissement du système. Si l'on reprend l'exemple du fer à repasser, supposons qu'il vient d'être débranché mais qu'il est encore chaud. Il se refroidit en perdant de la chaleur, avec une puissance de 1 000 W au début, puis de moins en moins. L'énergie était "stockée" sous forme de haute température ("agitation thermique" des atomes de la masse du fer). La quantité de chaleur restituable par refroidissement dépend entre autres d'une grandeur appelée capacité thermique ou capacité calorifique, qui dépend du matériau. Dans le cas du fer métallique, principal constituant de notre fer à repasser, 1 kg de fer aux conditions standards (P = 1 atmosphère, T ≈ 25°C) doit perdre 449 J pour voir sa température baisser d'1 degré Celsius. Les 46 TW perdus par la Terre proviennent-ils de son refroidissement ou d'une production d'énergie interne à la Terre ?

La première source d'énergie qui vient à l'esprit, c'est la radioactivité naturelle. La Terre actuelle contient quatre isotopes radioactifs abondants dont la désintégration libère de l'énergie en quantité significative : le thorium 232 (²³²Th), deux isotopes de l'uranium (²³⁸U et ²³⁵U) et le potassium 40 (⁴⁰K). Si on connaît bien les teneurs des croûtes (continentale et océanique) et du manteau supérieur en ces quatre isotopes, on connaît mal celles du manteau inférieur et encore moins celle du noyau, dont on ne possède pas d'échantillon. Toutefois, les modèles de formation de la Terre à partir de corps de chimie chondritique nous donnent une idée de la composition globale de la Terre, donc de sa teneur en ces quatre isotopes radioactifs. On peut alors calculer la puissance produite actuellement par la radioactivité naturelle, avec une grande marge d'incertitude : entre 15 et 25 TW. On retient en général la valeur de 21 TW, qui correspond à une "petite moitié" des 46 TW perdus par la Terre.

C'est la désintégration du ²³²Th qui contribuerait le plus (44%), puis celle de ²³⁸U (39%), du ⁴⁰K (15%) et enfin de ²³⁵U (2%). Par unité de volume, la radioactivité naturelle de la croûte continentale est beaucoup plus forte que celle des autres enveloppes, en particulier que celle du noyau qui ne contiendrait quasiment ni U, ni Th ni K. Mais de par son volume (84% du volume de la Terre), c'est le manteau qui produit le plus de chaleur d'origine radioactive (les deux tiers).

Mais s'il existe une grande incertitude sur cette production de chaleur, à cause de l'imprécision que nous avons quant à la composition chimique globale de la Terre, on devrait pouvoir réduire considérablement cette incertitude dans les années qui viennent. En effet, ces désintégrations radioactives produisent des neutrinos, et l'on commence à pouvoir détecter ces neutrinos "telluriques" d'où qu'ils viennent puisque les neutrinos peuvent traverser toute la Terre sans problème. Et on sait distinguer ces neutrinos telluriques des neutrinos anthropiques (issus des centrales nucléaires) et astronomiques (issus du Soleil et des autres astres). Les mesures doivent s'étaler sur plusieurs années pour que le nombre de neutrinos détectés permette d'estimer avec une bonne précision le nombre de désintégrations par seconde de nos quatre isotopes radioactifs pour l'ensemble de la planète. On pourra alors calculer avec une bonne précision la puissance produite par la radioactivité naturelle de la Terre.

Il existe trois autres sources pour l'énergie actuellement produite dans la Terre, connues avec une grande incertitude. Premièrement, l'énergie dégagée par la lente cristallisation de la graine, qui fournit une puissance estimée à 1 TW. C'est une chaleur latente de cristallisation. Deuxièmement, une autre énergie est dégagée dans le noyau en cours de cristallisation. En effet, la lente cristallisation du noyau liquide (qui contient un peu de soufre et d'autres éléments légers) produit du fer quasi pur, qui "tombe" un peu (la cristallisation a lieu près de la graine), et un liquide résiduel plus riche en éléments légers, qui "monte" beaucoup. Chute du fer solide et surtout remontée des composés légers fournissent une puissance estimée à 1 TW. C'est de l'énergie gravitationnelle. Troisièmement, l'énergie engendrée par les marées à l'intérieur de la Terre, dites marées terrestres, fournit 0,1 TW. Cette puissance est produite par les frottements engendrés par les déformations internes de la Terre dues aux autres astres (Lune, Soleil). On peut noter que les marées océaniques engendrent aussi de l'énergie et fournissent environ 3 TW. Mais cette puissance, générée dans l'océan au-dessus de la Terre solide, n'est pas prise en compte ici. L'énergie engendrée par les marées (terrestres comme océaniques) est "prise" sur l'énergie cinétique de rotation de la Terre sur elle-même, ce qui entraîne un ralentissement de cette rotation. On peut remarquer que si l'énergie engendrée par les marées est négligeable pour l'intérieur de la Terre, elle ne l'est absolument pas pour certains satellites des planètes géantes comme Encelade autour de Saturne ou Io autour de Jupiter. Sur Io, la production d'énergie par les marées serait 100 fois supérieure à celle produite par la radioactivité naturelle.

Si on ajoute toutes les productions des sources d'énergies internes à la Terre (radioactivité, cristallisation de la graine, énergies gravitationnelle et des marées), on arrive à une puissance totale de 21+1+1+0,1 = 23±4 TW. Or la Terre dégage ≈ 46 TW. Une moitié de la puissance dégagée par la Terre n'est donc pas produite par une quelconque source d'énergie, mais par le refroidissement de la masse de la Terre, que l'on appelle refroidissement séculaire. Si on suppose que ce refroidissement est homogène dans toute la Terre, ce qui est une hypothèse très simplificatrice, on peut calculer que ce refroidissement séculaire est actuellement compris entre 50 et 100 K par milliard d'années, ce qui est très faible : l'intérieur de la Terre n'aurait perdu en moyenne que de 3 à 6 degrés depuis la disparition des dinosaures non aviens il y a 65 millions d'années.

Si la Terre se refroidit malgré la production d'énergie interne, c'est qu'elle devait être très chaude au moment de son origine il y a 4,55 Ga, et on peut se demander d'où vient cette haute température initiale. La Terre s'est formée par agglomération, par chute les uns sur les autres de multiples corps en orbite autour du Soleil en formation. On appelle cette phase l'accrétion. Ces corps arrivaient les uns sur les autres à grande vitesse, donc avec une grande énergie cinétique, et leurs chocs ont transformé cette énergie cinétique en chaleur. À cette énergie cinétique s'est ajoutée l'énergie de désintégration d'isotopes radioactifs à courte période, comme l'aluminium 26 et le fer 60 (²⁶Al et ⁶⁰Fe, de périodes respectives 720 000 et 2 600 000 ans). Ces isotopes ont complètement disparu de nos jours de l'intérieur de la Terre, mais il y a 4,55 Ga, ils devaient être abondants et fournir beaucoup d'énergie. Cette débauche d'énergie lors de la formation de la Terre en a fait un corps presque entièrement fondu. Une fois l'accrétion terminée et la radioactivité à courte période épuisée, le refroidissement s'est, schématiquement, fait en deux phases. Pendant la première phase, brève, les silicates de la Terre, liquides, convectaient rapidement, ce qui évacuait très efficacement la chaleur. La Terre s'est donc vite refroidie, et le manteau a cristallisé rapidement. Une deuxième phase a alors commencé, qui dure encore aujourd'hui : le manteau, solide, ne peut plus convecter que très lentement, l'évacuation de la chaleur est devenue bien moins efficace et le refroidissement interne très lent.

La géothermie à haute et moyenne température consiste à utiliser les joules contenus dans des eaux profondes, chaudes mais non bouillantes. On utilise cette énergie surtout pour le chauffage d'habitations, de serres, ou plus rarement, pour produire de l'électricité (l'eau chaude sert à faire bouillir des liquides à basse température d'ébullition dont la vapeur entraînera des turbines). En général, on pompe de l'eau chaude contenue dans des nappes phréatiques profondes. Cette eau ne peut pas être envoyée telle quelle dans un réseau de chaleur type chauffage urbain, car elle est dans la plupart des cas très chargée en sels minéraux dont la cristallisation colmaterait rapidement toutes les canalisations du réseau. Cette eau cède sa chaleur (échangeur thermique, pompe à chaleur…) à un réseau de chauffage, puis est réinjectée refroidie dans la nappe. La réinjection est nécessaire pour deux raisons : tout d'abord, l'eau des nappes profondes est en général salée et très riche en sels minéraux divers, et ne peut pas être relâchée dans les écosystèmes de surface (rivières…) ; de plus, si on pompe l'eau sans la réinjecter dans la nappe, celle-ci voit sa pression diminuer et va finir par s'assécher au voisinage du puits de pompage. Il y a donc au minimum un puits de pompage et un puits de réinjection. On parle de doublet. Il existe une variante de cette technique : on peut aussi injecter de l'eau froide dans des roches profondes, chaudes, mais initialement sèches. L'eau ressort chaude après avoir cheminé dans un réseau de fractures naturelles ou artificielles (obtenues par fracturation hydraulique ou par des procédés voisins). Tous les intermédiaires pourraient exister entre ces deux types d'installations suivant la teneur en eau en profondeur : pompage et réinjection d'une nappe phréatique chaude ou injection et pompage dans des roches sèches et chaudes.

Le problème, c'est que tous ces types d'installation refroidissent les roches et la nappe qui les baigne entre les puits de pompage et d'injection. Au bout d'une durée assez variable estimée entre 30 et 100 ans pour les installations "classiques", un doublet est "mort" ou de moins en moins efficace, car l'eau qui ressort est de moins en moins chaude. Et ce ne sont pas les petits 80 mW.m^-2 du flux géothermique qui vont empêcher le refroidissement de la nappe et des roches pendant la durée de l'exploitation. Ce type d'installation exploite donc de la chaleur non renouvelable à échelle humaine, comme on exploite un gisement de charbon, de pétrole ou d'uranium. Mais ce n'est pas parce que cette énergie n'est pas renouvelable qu'il ne faut pas l'exploiter. En effet, contrairement au charbon, au pétrole ou au nucléaire, son exploitation est "propre" et ne produit pas de déchet, que ces déchets soient du CO₂ ou des déchets nucléaires. En France, environ 200 000 logements sont chauffés par géothermie, surtout dans le Bassin Parisien grâce à une nappe à environ 75°C, située à 2 000 m de profondeur. Au nord de l'Alsace, une installation expérimentale pilote utilise la chaleur de roches fracturées non saturées en eau à Soultz-sous-Forêt. Le BRGM (Bureau de recherches géologiques et minières) a calculé qu'exploiter toute la chaleur des roches profondes situées entre 4,5 et 5,5 km de profondeur, dans ce secteur qui correspond à 5% de la superficie de la région Alsace, fournirait autant d'énergie qu'une dizaine de centrales nucléaires pendant leurs 40 ans de durée de vie.

Source - © 1983 Pierre Thomas Figure 7 : Exploitation artisanale de géothermie haute température, en Islande. Sur cette île, les sources chaudes abondent. Il n'est donc pas besoin de creuser profond pour récupérer de petites quantités de chaleur. Dans l'exemple présenté ici, une petite excavation a été creusée au niveau d'une source naturelle sortant à 80°C. Cette source chaude sert à réchauffer une habitation située à 100 m de là. On ne peut pas pomper directement cette eau chaude pour la faire passer dans les radiateurs de la maison : trop chargée en sels minéraux, cette eau colmaterait très rapidement les tuyauteries de la maison. Les habitants de la maison ont donc plongé dans la source un radiateur qui joue le rôle d'échangeur thermique. L'eau (pure) du circuit de chauffage est mise en mouvement par une pompe entre le radiateur et la maison. Il s'agit dans ce cas d'énergie renouvelable, car la chaleur captée est tout à fait négligeable par rapport aux pertes naturelles de cette source d'eau chaude qui évacue naturellement plusieurs dizaines de litres par seconde d'eau à plus de 80°C.

Source - © 2014 Pierre Thomas Figure 8 : Fonctionnement théorique d'une exploitation industrielle de géothermie haute à moyenne température, avec un doublet de puits (puits de pompage et puits de réinjection). Dans le cas des installations du Bassin Parisien (les plus fréquentes de France), la nappe d'eau chaude exploitée est contenue dans les couches du Jurassique moyen, situées à environ 2 000 m de profondeur et à une température d'environ 75°C. Sur la surface située entre les puits de pompage et les puits de réinjection, une telle installation capte beaucoup plus de puissance que les 80 mW.m-2 régionaux. En quelques dizaines d'années, elle va refroidir la nappe et les roches situées entre les deux puits, et d'ici 30 à 100 ans (la durée de vie estimée pour un tel doublet), l'eau pompée sera beaucoup moins chaude. Une telle installation ne fournit donc pas une énergie renouvelable à échelle humaine.

Source - © 2014 BRGM - ADEME Figure 9 : Les installations du site pilote de Soultz-sous-Forêt. Il s'agit d'un site expérimental situé au nord de l'Alsace, là où le gradient géothermique est le plus fort de France métropolitaine. Cette installation est intermédiaire entre les géothermies "haute" et "très haute" température. Il s'agit de montrer la faisabilité de l'exploitation de la chaleur de roches profondes, chaudes mais non saturées en eau. Plusieurs puits ont été creusés jusqu'à 5 000 m de profondeur dans le granite. De l'eau y est injectée, circule par des fractures (naturelles ou élargies par des techniques voisines de la fracturation hydraulique) et ressort à plus de 150°C. Il s'agit d'un mélange d'eau liquide et d'eau vapeur, non utilisable tel quel pour faire tourner une turbine "classique" qui, pour des raisons techniques, ne peut fonctionner qu'avec de la vapeur sèche. Ce mélange chaud liquide-vapeur réchauffe et évapore un fluide organique d'un circuit secondaire, qui, lui, fait tourner une turbine. L'eau refroidie dans l'échangeur thermique est réinjectée et la boucle est bouclée. Ce site, expérimental, produit de l'électricité depuis 2010 et fournit 1,5 MW électrique.

Dans le cas de la géothermie à très haute température, il s'agit d'exploiter, par des forages, des nappes phréatiques (ou des roches sèches avec injection d'eau, ou tout intermédiaire entre ces deux situations extrêmes) dont la température est largement supérieure à la température d'ébullition de l'eau. Il sort donc de la vapeur "sèche" qui sert directement à faire de l'électricité dans des turbines. Si la vapeur qui sort contient un certain pourcentage d'eau liquide, la technologie nécessaire pour la production d'électricité devient beaucoup plus complexe. Il faut, entre autres difficultés, séparer vapeur et liquide avant d'envoyer la vapeur dans les turbines. Ce type d'installation à très haute température n'est possible que dans des régions à très fort gradient thermique, en général des régions volcaniques (Islande, etc). Comme pour la géothermie à haute température, il faut réinjecter la vapeur condensée et refroidie dans la nappe, ce qui en abaisse la température. Mais du fait du très fort flux thermique local, la durée de vie de ces installations peut être très longue. C'est de l'énergie "presque renouvelable", voire "vraiment renouvelable" dans les rares cas où le flux thermique traversant la zone utilisée par l'exploitation est supérieure au flux capté. La puissance totale installée sur Terre au début du XXI^ème siècle est d'environ 9 000 MW électrique (équivalent à 9 centrales nucléaires), dont 15 MW en France (à Bouillante, en Guadeloupe).

Source - © 1983 Pierre Thomas Figure 10 : Une centrale géothermique "très haute température" : la centrale du Krafla en Islande. Vue d'ensemble des installations. Une trentaine de puits produisant de la vapeur ont été forés depuis 1974. Ces forages produisent 110 kg.s-1 de vapeur sèche à une pression de 7,7 bars, et 36 kg.s-1 de vapeur saturée à 2,2 bars. Les vapeurs collectées sont dirigées vers la centrale électrique visible à droite. Cette centrale a une puissance installée de 60 MW (valeur de 2013). Si on suppose que les captages drainent la vapeur sur une surface d'environ 12 km2 (12 000 000 m2) et qu'elle a un rendement de 50% (hypothèse très optimiste mais non irréaliste puisque l'eau de condensation, encore chaude, est réinjectée), la centrale capte un flux thermique de 10 W.m-2, ce qui est une valeur courante dans ces régions volcaniques très récentes (la dernière éruption du Krafla, située à 3 km de la centrale, date de 1984). Cette centrale, captant autant d'énergie qu'en libérerait le sous-sol en son absence, utilise donc une énergie qu'on peut qualifier de renouvelable.

La température du sous-sol superficiel (jusqu'à 10-20 m de profondeur) est constante au cours de l'année, et égale à la moyenne locale jour-nuit-été-hiver. Elle est d'environ 12 à 15°C en France métropolitaine. C'est la température de nos caves quand elles sont bien enterrées. Cette température du sous-sol superficiel ne dépend que du rayonnement solaire et de la température de l'air, donc de la latitude et de l'altitude ; elle ne dépend pas du flux de chaleur terrestre. Ce qu'on appelle (à tort) la géothermie basse température consiste à utiliser cette température moyenne du sous-sol et/ou des nappes phréatiques qui s'y trouvent pour réchauffer nos maisons. Une pompe à chaleur couplée à un réseau de tuyaux enterrés sous un jardin ou à une nappe phréatique superficielle extrait de la chaleur au sous-sol et/ou à la nappe en les refroidissant, et cède cette chaleur au réseau d'eau chaude (chauffage et/ou sanitaire) de la maison. Au bout de quelques mois, le sous-sol et/ou la nappe seraient refroidis, et ne pourraient plus fournir d'énergie. Mais au bout de ces quelques mois l'été revient et réchauffe le sol. On peut même inverser les pompes à chaleur, et se servir de l'installation comme climatiseur pendant l'été, l'énergie extraite de la maison réchauffant le sous-sol et/ou la nappe. Ces installations utilisent l'inertie thermique du sous-sol et/ou des nappes superficiels, qui ne servent que d'accumulateurs de l'énergie solaire. Ce qu'on appelle géothermie à (très) basse température n'est qu'une méthode indirecte permettant d'utiliser l'énergie solaire, qui, elle, est une énergie renouvelable à échelle humaine.