Géothermie : comment la chaleur terrestre produit de l’électricité et climatise les bâtiments

Une même ressource, différents usages

L’énergie géothermique est la chaleur de la Terre. Selon le U.S. Department of Energy (DOE), les ressources géothermiques comprennent des réservoirs souterrains d’eau chaude, naturels ou créés par une intervention humaine, à différentes températures et profondeurs. Des puits peuvent être forés depuis quelques pieds jusqu’à plusieurs miles afin d’accéder à la vapeur ou à l’eau chaude et de transporter cette chaleur à la surface. Le DOE décrit ces ressources et leurs applications.

Il n’existe pas un seul mode d’utilisation. La chaleur peut être transformée en électricité ; la température stable du sous-sol peut servir à chauffer ou à refroidir des bâtiments ; et l’eau chaude peut être utilisée directement dans des bâtiments ou des procédés industriels. Il s’agit de voies distinctes : toutes les installations géothermiques ne produisent pas d’électricité, et la climatisation au moyen de pompes à chaleur n’équivaut pas à l’extraction de vapeur pour entraîner une turbine.

La différence essentielle tient à ce qui est extrait du sous-sol et à la transformation nécessaire. Pour produire de l’électricité, le procédé dépend du type de centrale : il peut utiliser la vapeur du réservoir, convertir une partie de l’eau chaude en vapeur en réduisant sa pression, ou transférer la chaleur à un autre liquide qui se vaporise et actionne la turbine. Pour la climatisation, une pompe à chaleur échange de l’énergie avec le terrain, qui joue le rôle de source ou de puits thermique. Dans le cas de l’utilisation directe, l’eau chaude sert à fournir de la chaleur sans que l’objectif décrit soit la production d’électricité.

Des roches chaudes à l’électricité

Dans les systèmes géothermiques décrits par le DOE, des roches chaudes, un fluide et la perméabilité — la capacité de ce fluide à circuler entre les roches — créent des conditions propices à la production d’électricité. Le DOE indique que la perméabilité peut être naturelle ou créée ; le fluide circule dans les roches chaudes, absorbe la chaleur et peut la transporter à la surface par des puits. Son explication générale décrit la conversion de cette énergie thermique en vapeur pour entraîner des turbines ; les configurations des centrales diffèrent toutefois quant à la manière dont la vapeur est produite. Le DOE détaille ces conditions et le procédé géothermique.

À titre de référence contextuelle, l’EIA décrit trois types de base de centrales géothermiques. Dans les centrales à vapeur sèche, la vapeur du réservoir entraîne directement la turbine. Dans les centrales à vapeur flash (flash steam), l’eau chaude sous haute pression arrive à la surface et, lorsque la pression baisse, une partie se transforme rapidement en vapeur. Dans les centrales à cycle binaire, l’eau géothermique transfère sa chaleur à un autre liquide dont le point d’ébullition est plus bas ; ce second fluide se vaporise et entraîne la turbine. L’EIA indique que, dans ce dernier système, l’eau géothermique n’entre pas en contact avec la turbine et est réinjectée dans le sous-sol. EIA : types de centrales géothermiques.

Le tableau résume les mécanismes décrits par le DOE et l’EIA ; il ne détermine pas lequel est le plus efficace ni lequel convient le mieux à un endroit donné. L’EIA indique que les centrales géothermiques qu’elle décrit ont besoin d’eau très chaude ou de vapeur, dans une plage de 300 °F à 700 °F. Cette plage concerne les centrales dans leur ensemble ; elle n’est pas ventilée selon le type de technologie et ne constitue pas une exigence générale pour toutes les applications géothermiques. EIA : ressources géothermiques et leur exploitation.

Chauffage, refroidissement et chaleur utilisée directement

Les pompes à chaleur géothermiques utilisent le terrain comme milieu d’échange thermique. Lorsque les températures à la surface sont plus élevées, le sous-sol joue le rôle de puits qui absorbe la chaleur ; lorsqu’elles sont plus basses, il fonctionne comme une source de chaleur. Le DOE distingue cette fonction des systèmes de chauffage et de refroidissement urbains, qui peuvent combiner plusieurs technologies géothermiques — par exemple, une série de pompes à chaleur — pour desservir des bâtiments, des campus ou des collectivités. Le DOE explique ces usages thermiques.

L’utilisation directe repose sur une autre logique : des puits, généralement plus profonds que ceux des pompes à chaleur, acheminent l’eau chaude souterraine afin de fournir de l’eau chaude aux bâtiments, du chauffage des locaux ou de la chaleur à des procédés industriels. Parmi les exemples cités par le DOE figurent la pisciculture, les serres et le séchage de la pâte à papier, du papier, du bois et d’autres matériaux. Dans ces cas, l’objectif est d’exploiter directement la chaleur, et non de décrire une conversion en électricité.

La différence pratique entre ces options dépend de la ressource disponible et de la demande à satisfaire : électricité, climatisation ou chaleur pour un procédé. Les sources consultées expliquent les mécanismes, mais ne fournissent pas de comparaison quantitative des coûts, du rendement ou des exigences d’installation entre les trois voies. La description permet donc de distinguer leurs fonctions, mais pas de décider laquelle est supérieure dans toutes les situations.

Portée et limites des informations

La page du DOE présente la géothermie comme une ressource aux usages multiples et décrit des possibilités, des technologies et des programmes de travail. Elle présente également des estimations du potentiel aux États-Unis : plus de 17.000 systèmes de chauffage urbain et des pompes à chaleur géothermiques équivalant à 28 millions de foyers d’ici 2050. Pour la capacité de production d’électricité, elle distingue deux analyses : l’analyse GeoVision de 2019 indiquait un potentiel pouvant atteindre 60 gigawatts ; l’analyse Enhanced Geothermal Shot™ de 2022 indiquait un potentiel de 90 gigawatts d’ici 2050, sous réserve de réductions agressives des coûts des systèmes géothermiques améliorés. Il s’agit de projections de potentiel, non de résultats déjà obtenus ni de garanties de déploiement. Le DOE présente les estimations et leur contexte.

Le DOE indique également que les centrales peuvent produire de l’électricité de manière constante et ajuster leur production en fonction des variations de la demande. Ces caractéristiques décrivent ce que l’institution attribue aux centrales géothermiques ; les informations fournies ne présentent pas de comparaison indépendante de leurs performances avec celles d’autres sources d’énergie. L’EIA aide à situer les technologies de production, mais ne constitue pas une corroboration indépendante des estimations ou des affirmations du DOE.

En somme, la géothermie ne désigne pas une technologie unique : la chaleur terrestre peut être convertie en électricité, échangée avec des bâtiments au moyen de pompes à chaleur ou fournie directement pour des usages thermiques. Les informations disponibles permettent de distinguer ces mécanismes, mais pas d’établir leur viabilité, leur coût ou leur impact sur un site donné.