Introduction à l'énergie géothermique — Transformer la chaleur souterraine en électricité grâce aux systèmes à détente et binaires

Contrairement à l'énergie solaire et éolienne, l'énergie géothermique n'est pas tributaire des conditions météorologiques. La chaleur du magma, enfouie profondément sous terre, est disponible jour et nuit, par tous les temps. C'est pourquoi la géothermie est considérée depuis longtemps comme une énergie renouvelable pouvant assurer une production d'électricité de base. Pourtant, le Japon, situé sur la Ceinture de feu du Pacifique et possédant l'une des plus importantes ressources géothermiques au monde, dispose d'une capacité installée qui reste faible par rapport à cette ressource. Ce déficit est moins lié à la physique de la vapeur elle-même qu'à la difficulté d'évaluer précisément la composition du sous-sol et aux contraintes sociales liées aux intérêts divergents des acteurs en surface. Cet article présente les deux technologies de base – les systèmes à détente directe et les systèmes binaires – puis le processus d'évaluation des ressources, le cadre réglementaire japonais et les projets de démonstration des technologies de nouvelle génération.

L'essentiel en 30 secondes

• La capacité d'un réservoir souterrain à produire de l'énergie géothermique repose sur la combinaison de trois éléments : la chaleur, l'eau et la perméabilité (les espaces permettant la circulation de l'eau). La technologie utilisée diffère selon qu'il s'agit de ressources permettant l'extraction directe de vapeur à haute température ou de ressources à température moyenne ou basse contenant de l'eau chaude mais ne produisant jamais de vapeur.

• Les ressources à haute température (200-350 °C) se prêtent à la méthode de vaporisation instantanée (qui actionne directement une turbine grâce à la vapeur séparée de l'eau). Les ressources à température moyenne ou basse (80-150 °C environ) se prêtent à la méthode binaire (cycle de Rankine fermé utilisant un fluide caloporteur à bas point d'ébullition).

• Le Japon possède l'une des plus importantes ressources géothermiques au monde, mais la capacité installée n'en représente qu'une partie. Les raisons sont multiples : longs délais de développement, risques d'échec de l'exploration, réglementation des parcs nationaux et coordination avec les exploitants de sources thermales sont autant d'éléments interdépendants.

• La géothermie est une ressource qu'il est impossible d'appréhender pleinement sans forage. Même après avoir renforcé la confiance grâce à des levés géophysiques et des analyses chimiques, la viabilité d'un projet n'est souvent confirmée qu'une fois les puits de production forés, et les périodes de développement dépassent généralement dix ans. En tant que technologie de nouvelle génération, des recherches sont en cours sur les systèmes géothermiques améliorés (EGS), qui créent artificiellement de la perméabilité, et sur l'exploitation des fluides géothermiques supercritiques en profondeur. Ces deux technologies sont encore au stade de la démonstration et leur commercialisation est encore lointaine.

1. Qu'est-ce qu'une ressource géothermique ? — Les trois conditions : chaleur, eau et perméabilité

Plus on s'enfonce dans la Terre, plus la température augmente. Le gradient géothermique moyen de la croûte terrestre est d'environ 25 à 30 °C par kilomètre, mais dans les zones volcaniques, une chambre magmatique peut remonter près de la surface, provoquant une hausse de température locale beaucoup plus importante. La chaleur seule ne peut pas produire d'énergie. Ce n'est que lorsque l'eau, pour évacuer cette chaleur, et la perméabilité (fractures très perméables à l'eau ou structure poreuse permettant à l'eau de circuler dans la roche) sont toutes deux présentes qu'un réservoir géothermique devient économiquement exploitable.

L'exploration des ressources géothermiques commence par le repérage des sites prometteurs parmi les sources thermales de surface, les fumerolles et les structures géologiques. Les levés de résistivité (levés électromagnétiques comme la méthode MT) permettent d'estimer l'étendue des nappes phréatiques, tandis que la thermométrie géochimique — qui consiste à reconstituer la température souterraine à partir de la composition chimique des gaz et de l'eau — évalue la qualité de la ressource. Cependant, il ne s'agit que d'indices indirects ; la présence effective de vapeur ou d'eau chaude en quantités économiquement viables ne peut être établie qu'après le forage d'un puits. Le forage d'un seul puits d'exploration coûte plusieurs centaines de millions de yens et prend beaucoup de temps. De plus, il est fréquent qu'un puits ne soit pas commercialement viable, même après forage. Ce « risque d'exploration » supporté par le développeur est une caractéristique qui distingue nettement l'énergie géothermique des autres énergies renouvelables.

Figure 1 — A Une centrale géothermique convertit la vapeur et l'eau chaude puisées dans le réservoir par un puits de production en électricité en surface, puis réinjecte les eaux usées dans la même couche géothermique par un puits d'injection. Cette réinjection est un choix de conception fondamental qui permet d'éviter l'épuisement de la ressource et l'affaissement du sol.

2. Systèmes à détente directe — Utilisation directe de la vapeur à haute température

La méthode de détente directe consiste à faire passer le mélange à haute température et haute pression d'eau chaude et de vapeur puisées dans le sous-sol à travers un séparateur. La pression chute alors instantanément, provoquant une vaporisation instantanée (« détente instantanée ») et la séparation de la vapeur et de la saumure. La vapeur ainsi séparée alimente directement la turbine et fait tourner le générateur. La saumure restante peut parfois subir une seconde détente à une pression encore plus basse pour extraire davantage de vapeur : c'est ce qu'on appelle la double détente directe. Comparée à la détente simple, la double détente permettrait d'extraire environ 10 à 25 % de production supplémentaire de la même ressource et est largement utilisée pour une meilleure exploitation des ressources existantes.

Après son passage dans la turbine, la vapeur est condensée dans un condenseur, puis rejetée par la tour de refroidissement. La conception standard réinjecte l'eau chaude et le condensat utilisés pour la production dans le sous-sol via un puits d'injection. Ceci permet non seulement de prévenir l'épuisement des ressources, mais aussi de limiter l'affaissement du sol et le rejet d'eau chaude en surface. En simplifiant le travail fourni à la turbine, à partir du débit massique \dot m, du rendement de la turbine \eta_t et de la différence d'enthalpie entrée/sortie h_{in}-h_{out}, on obtient l'approximation suivante :

Comme la différence d'enthalpie est déterminée par la pression et la température de la vapeur, une ressource plus chaude produit un rendement supérieur pour un même débit massique. C'est pourquoi la méthode de détente convient aux ressources à haute température, de l'ordre de 200 à 350 °C.

La vapeur contient souvent des gaz incondensables tels que le sulfure d'hydrogène (H₂S) et le dioxyde de carbone, qui provoquent des odeurs et des problèmes de corrosion. Ces gaz nécessitent un traitement par extracteurs de gaz et désulfuration. Outre une conception des émissions qui tient compte de la dispersion atmosphérique et des normes de sécurité locales, la méthode de vaporisation instantanée est une technologie éprouvée qui constitue la base de la production mondiale d'énergie géothermique à grande échelle.

3. Systèmes binaires — Fonctionnement d'un cycle de Rankine avec un fluide à bas point d'ébullition

Toutes les ressources géothermiques ne sont pas suffisamment chaudes pour extraire directement de la vapeur. Dans les ressources d'eau chaude à température moyenne à basse (environ 80 à 150 °C), il est difficile de faire bouillir l'eau directement pour actionner une turbine. C'est là qu'intervient la méthode binaire. La chaleur du fluide géothermique est d'abord transférée, via un échangeur de chaleur (un évaporateur), à un fluide de travail organique dont le point d'ébullition est inférieur à celui de l'eau (des hydrocarbures comme le pentane et l'isobutane, ou des fluides frigorigènes). La vapeur de ce fluide fait tourner la turbine. Comme le fluide géothermique lui-même n'entre jamais en contact avec la turbine — seul le fluide de travail circule en circuit fermé à travers la turbine, le condenseur et la pompe —, ce système est également appelé cycle de Rankine organique. (ORC).

Plus l'écart de température entre la source de chaleur et le fluide caloporteur est faible, plus la limite supérieure théorique du travail qu'un moteur thermique peut extraire est basse. Exprimée sous la forme du rendement de Carnot,

où T_h représente la température absolue de la source de chaleur (le fluide géothermique) et T_c celle du fluide caloporteur (air ambiant ou eau de refroidissement). Comparées aux ressources à plus de 200 °C utilisées par la méthode de détente, les ressources à température moyenne à basse ciblées par la méthode binaire présentent un T_h plus faible et un écart plus faible par rapport à T_c, ce qui abaisse le plafond théorique. Le rendement thermique réel dépend également du choix du fluide caloporteur, des performances de l'échangeur de chaleur et des variations saisonnières de la température extérieure. Il est généralement inférieur à celui de la méthode de détente, qui utilise directement la vapeur. Cependant, comme le fluide géothermique n'entre jamais en contact direct avec la turbine, l'entartrage est limité. La corrosion des canalisations et de la turbine est plus facile à éviter, et grâce au circuit fermé, les rejets dans l'atmosphère sont minimes. Son principal atout réside surtout dans sa capacité à convertir en électricité des ressources en eau chaude à température moyenne ou basse, inutilisables par la méthode de vaporisation instantanée.

La méthode binaire, qui produit de l'électricité à partir de l'eau chaude de sources thermales existantes sans réduire significativement le débit de ces sources, suscite également un intérêt croissant, car elle facilite leur intégration au sein des communautés locales. Il existe aussi un « cycle combiné vaporisation-binaire » qui récupère la chaleur résiduelle de la saumure issue de la vaporisation instantanée d'une source à haute température (chaleur inutilisable par la méthode de vaporisation instantanée) grâce à un cycle binaire. Ce procédé permet également d'augmenter la production d'une ressource existante.

4. Différences entre la vaporisation instantanée et la méthode binaire

5. Situation du secteur géothermique japonais : l'écart entre le volume des ressources et la capacité installée

Les ressources géothermiques du Japon figurent parmi les troisièmes plus importantes au monde (derrière les États-Unis et l'Indonésie), pourtant la capacité installée réelle… La capacité de production n'est pas à la hauteur des ressources disponibles. La centrale géothermique de Hatchobaru (préfecture d'Oita), exploitée par Kyushu Electric Power, a une puissance de 110 000 kW et est la plus grande centrale géothermique du pays, suffisante pour alimenter des dizaines de milliers de foyers. Mais le simple fait qu'il s'agisse de la « plus grande » centrale géothermique du Japon illustre le décalage important entre le développement et les ressources existantes.

Les difficultés de déploiement ne s'expliquent pas par une seule raison.

• Longs délais de développement : il n'est pas rare qu'il faille dix ans, voire plus, entre les études préliminaires et l'exploitation commerciale. Ce n'est qu'après des études de surface, des explorations géophysiques, le forage de plusieurs puits d'exploration et une évaluation environnementale qu'une décision de commercialisation peut être prise.

• Coûts et risques liés à l'exploration et au développement : il arrive qu'un puits d'exploration soit foré sans que le projet n'aboutisse à une commercialisation, laissant ainsi le promoteur seul face au risque de ne pas récupérer son investissement initial.

• Chevauchement avec la réglementation des parcs nationaux : de nombreux Les zones riches en ressources se situent à l'intérieur de parcs nationaux volcaniques ou de parcs quasi nationaux, et leur exploitation nécessite diverses autorisations ainsi qu'une prise en compte du paysage et de l'environnement naturel. Ce point a été soulevé à plusieurs reprises lors des discussions gouvernementales sur la réforme de la réglementation.

• Coordination des intérêts avec les exploitants de sources thermales : les sources thermales constituent une ressource importante pour le tourisme et les économies régionales du Japon, et la crainte que l'énergie géothermique n'affecte le débit, la qualité ou la température de l'eau d'une source thermale peut entraîner de longues négociations avec les associations locales de exploitants de sources thermales. Des groupes tels que l'Association japonaise des spas ont, dans certains cas, déposé des demandes s'opposant à l'assouplissement de la réglementation relative à l'exploitation géothermique à l'intérieur des parcs nationaux.

Dans ce contexte de contraintes, les promoteurs utilisent des solutions techniques alternatives — telles que le forage dirigé en angle, qui place la tête de puits dans une zone moins problématique pour le paysage ou la réglementation tout en ciblant la ressource souterraine — afin de trouver un équilibre entre le coût et l'acceptation sociale. Le défi pour l'énergie géothermique ne réside pas dans la physique de la vapeur ; il s'agit de parvenir à un consensus social sur « où et comment forer ».

6. Impact environnemental et surveillance

Parce que L'énergie géothermique ne consomme pas de combustible et ne produit quasiment aucun gaz à effet de serre issu de la combustion. Cependant, des gaz comme le sulfure d'hydrogène dissous dans le fluide géothermique peuvent affecter l'atmosphère et l'environnement s'ils ne sont pas correctement traités. Un déséquilibre à long terme entre le pompage et la réinjection d'eau chaude peut entraîner une baisse de la pression du réservoir et un affaissement du sol. Par conséquent, la gestion de l'emplacement des puits d'injection et du volume réinjecté est tout aussi importante que le plan de production lui-même.

Lors de l'exploitation d'une centrale géothermique à proximité d'une source thermale, il est essentiel, avant même le début de la production, de surveiller en permanence le débit, la température et la qualité de l'eau des sources thermales environnantes, et de mettre en place un système permettant de détecter rapidement toute anomalie. Ces mesures sont indispensables pour maintenir la confiance de la population locale. Au-delà des marges de sécurité techniques, ce type de surveillance et de communication d'informations est fondamental pour la durabilité sociale de l'énergie géothermique.

7. Technologies de nouvelle génération — Systèmes géothermiques améliorés (EGS) et géothermie supercritique

L'énergie géothermique conventionnelle se limitait jusqu'à présent aux ressources hydrothermales, où la chaleur, l'eau et la perméabilité sont naturellement présentes. Les EGS offrent une alternative. Les systèmes géothermiques améliorés (EGS), par opposition aux systèmes géothermiques techniques, sont une technologie qui applique une pression hydraulique à une roche chaude mais peu perméable afin de créer artificiellement un réseau de fractures, puis y fait circuler de l'eau pour en extraire la chaleur. Si elle s'avère concluante, elle pourrait transformer de vastes étendues de roches à haute température, jusqu'alors considérées comme une ressource inexploitée, en ressources géothermiques.

Utah FORGE (Observatoire frontalier pour la recherche en énergie géothermique), soutenu par le Département de l'Énergie des États-Unis (DOE), est un site de démonstration dédié à la validation de la technologie EGS. Près de Milford, dans l'Utah, le projet a foré un puits incliné à 65 degrés en 2021, puis, en 2023, un second puits a été combiné pour créer un réservoir artificiel. Il semblerait que plus des deux tiers de l'eau injectée dans le premier puits aient été récupérés. Le projet a obtenu une prolongation jusqu'en 2028 ainsi qu'un financement supplémentaire et s'attelle actuellement à lever les obstacles techniques qui le séparent d'une utilisation pratique.

Recherche L'exploration de profondeurs encore plus grandes se concentre sur la géothermie supercritique. Le projet de forage profond d'Islande (IDDP) étudie la possibilité d'exploiter les fluides géothermiques supercritiques, atteignant des températures de 400 à 600 °C à des profondeurs de 4 à 5 km. Le puits IDDP-2 (Reykjanes), achevé en 2017, aurait confirmé des conditions supercritiques de 426 °C et 340 bars de pression à une profondeur de 4,5 km. Les fluides supercritiques possèdent une enthalpie élevée et l'on estime que ce même puits pourrait potentiellement extraire beaucoup plus d'énergie qu'un puits géothermique conventionnel. Cependant, de nombreux défis techniques subsistent avant la commercialisation, notamment en matière de technologie de forage, de matériaux de forage et de protection contre la corrosion.

Ces deux technologies demeurent au stade de la démonstration et de la recherche, et aucune n'est encore en mesure de remplacer les technologies géothermiques flash et binaires existantes. Néanmoins, leur potentiel pour élargir la définition d'une ressource géothermique, d'un simple « lieu où l'eau et la perméabilité coïncident » à « tout lieu où l'on trouve de la roche chaude », est prometteur. La géothermie est un domaine de recherche susceptible de transformer radicalement l'avenir de l'énergie géothermique.

Résumé : Comprendre la géothermie

La technologie géothermique elle-même — la différence entre la géothermie à cycle instantané et la géothermie à cycle combiné — est déterminée presque mécaniquement par la température de la ressource. Ce qui importe réellement pour évaluer la géothermie au Japon, ce n'est pas la taille de la ressource, mais plutôt la question pratique du temps et de l'argent nécessaires, ainsi que des réglementations et de la coordination des parties prenantes, pour convertir cette ressource en électricité.

Lors de l'étude d'un projet géothermique, il est important de vérifier les points suivants :

1. Quelle est la température de la ressource ? S'agit-il d'une géothermie à cycle instantané, à cycle combiné ou d'un cycle combiné ?

2. Quel est le délai prévu entre l'étude et la mise en service commerciale ? Qui supporte le risque d'exploration ?

3. Quel est le lien avec les parcs nationaux et les zones thermales ? Où en sont les négociations locales ?

4. Un plan est-il prévu pour l'emplacement des puits d'injection et la gestion à long terme du réservoir ?

Gérer ces quatre points vous permettra d'appréhender l'actualité géothermique avec plus de clarté. Le chiffre de « troisième ressource mondiale » est trompeur, mais il faut tenir compte de la distance réelle que l'eau doit parcourir avant d'être transformée en électricité.

Références

• JOGMEC — Apprendre l'énergie géothermique

• Agence pour les ressources naturelles et l'énergie — Énergie géothermique

• NEDO — Matériaux technologiques pour la production d'énergie géothermique

• Association japonaise de géothermie (JGA)

• Utah FORGE — Observatoire des frontières pour la recherche en énergie géothermique

• Département de l'Énergie des États-Unis — Bureau des technologies géothermiques

• Projet de forage profond d'Islande

• AIE — Énergie géothermique