Ce document contient la transcription textuelle d’une vidéo du MOOC UVED « Énergies renouvelables ». Ce n’est donc pas un cours écrit au sens propre du terme ; le choix des mots, l'articulation des idées et l’absence de chapitrage sont propres aux interventions orales des auteurs.

L’origine de la chaleur exploitée en géothermie

Jean SCHMITTBUHL
Directeur de recherche – CNRS

Pour la géothermie profonde, une première question est de savoir d'où vient cette chaleur qu'on cherche à exploiter. On peut se poser la question à l'échelle du globe : quel est le flux de chaleur qui sort en permanence de la Terre sur tous les mètres carrés à la surface du globe ? On peut aussi se la poser à l’échelle de la France.

1. Flux de chaleur

Si on regarde la façon dont sort la chaleur du sol sur l'ensemble du globe, on peut voir qu’en permanence quelques fractions de Watts sortent par mètre carré. Ce flux de chaleur est tout petit. Si on veut se faire une idée, il est de l'ordre de 90 milliwatts par mètre carré. Si on prend 1 m² d’une surface, il n'y a même pas 1 Watt qui sort. Si on était capable de convertir toute cette énergie en électricité, la surface qu'il faudrait pour chauffer quelques ampoules est plutôt du domaine d'un terrain de foot. C'est donc une petite chaleur qui existe et que l'on cherche à utiliser. Si on regarde de plus près, on voit bien que la distribution de l'émission de la chaleur en permanence elle n'est pas homogène. Elle se distribue de façon différente entre les continents et les océans. Sur les continents, elle est plus petite, de l'ordre de 60 milliwatts par mètre carré. Sur les océans, elle est un peu plus forte. C'est le chiffre que l'on peut retenir : sur les continents, on est environ à 60 milliwatts, donc une petite fraction de Watts pour chaque mètre carré de la surface. Ce chiffre de 90 milliwatts doit être situé par rapport à d'autres choses. Ces 90 milliwatts sont tous petits par rapport à ce qui va venir du Soleil, qui correspond en moyenne à 342 Watts par m², ce qui est 4000 fois supérieur à ce qui vient du dessous des pieds. On voit qu’exploiter la géothermie, c’est exploiter une petite partie de l'énergie qui arrive à la surface de la Terre. Un ordre de grandeur que l'on peut aussi garder est qu’en France, c’est plutôt de l’ordre de 150 Watts par mètre carré. On voit que déjà avec 1 m², si on était capables de convertir cette énergie en électricité, on peut déjà allumer pas mal d'ampoules. On se rend bien compte que c'est deux grandeurs bien différentes. Sur 1 m² de surface au sol à la surface du globe, on est principalement sensibles à la chaleur qui vient du Soleil, ces 342 Watts par mètre carré et il y a une petite quantité qui vient du sol, qui est ces 90 milliwatts ou 0,09 Watts par mètre carré. C’est cette petite fraction que l'on cherche à exploiter dans le cadre de la géothermie. Voilà, dans le tableau ci-dessous, quelques chiffres pour aussi positionner un peu cette énergie. Elle paraît toute petite mais elle reste quand même la deuxième source de dissipation de l'énergie à la surface du globe.

C'est donc une petite fraction par rapport à l'énergie solaire, mais ça reste plus important que l'énergie qui est dissipée par les marées ou par les volcans. Et c'est presque 100 fois l'ensemble de l'énergie qui est dissipée par les séismes à la surface du globe. Ce que l'on peut voir aussi, c'est que ce flux géothermique (donc 4,6 - 10¹³ Watts) est un ordre de grandeur qui est comparable à la production mondiale d'énergie. Dans l'absolu, si tout était au mieux dans le meilleur des mondes, on devrait pouvoir assurer l'ensemble des besoins mondiaux par ce flux géothermique.

2. Origine de cette chaleur

Le flux géothermique est ce qui se passe à la surface du globe. Mais d’où vient cette chaleur ?

Si on résume la situation en quelques chiffres clés (figure ci-dessus), on voit que l'essentiel vient du manteau terrestre, en grande profondeur, avec une production au niveau du noyau, une production dans le manteau aussi et le refroidissement initial aussi qui contribue à hauteur de 18 TW. Mais un point qui n'est pas toujours bien connu, c'est qu'il y a quand même une partie non négligeable qui vient de la radioactivité qui est présente dans la partie supérieure de la Terre au niveau de la lithosphère. Toute cette production s'échappe en permanence et forme ces 46 TW. Cette chaleur sort en permanence autour du globe.

3. Variations géographiques

Elle est différente entre les océans et les continents mais même au niveau des continents, il y a des grandes variations géographiques. Sur la figure ci-dessous, vous avez une carte de la distribution de ce flux de chaleur au niveau de l'Europe.

On voit en bleu qu'il y a les 60 milliwatts par mètre carré dont on a parlé qui sont le flux moyen continental. Mais on voit par exemple qu’en France, il y a dans la partie Est une grande zone où on est sensiblement au-dessus de ce flux moyen. Puis il y a d'autres zones, comme en Italie ou en mer Adriatique, qui sont beaucoup plus froides, ou au sud de la Turquie, et on voit qu'il y a des contrastes importants avec des zones qui sont favorables à ce flux de chaleur et d'autres qui le sont beaucoup moins. Si on essaie de comprendre ça, on peut voir que c'est très lié à la géodynamique régionale. La formation des Alpes contribue à cette distribution du flux de chaleur. C’est également le cas de la subduction sur la mer Égée qui contribue à un potentiel énorme en Turquie, alors qu'au niveau de la mer Égée, le flux est beaucoup plus faible. Il y a un lien fort entre géologie, géodynamique et distribution du flux de chaleur.

4. Situation de la France

Quand on zoome encore un peu plus cette analyse du flux de chaleur sur la France métropolitaine, on voit qu'il y a cette distribution sur le centre et l'Est d'un flux élevé mais que la situation alsacienne est vraiment singulière avec un flux de chaleur qui peut être beaucoup plus important que le flux moyen continental (figure ci-dessous). Il peut monter jusqu'à 300 milliwatts par mètre carré ce qui en fait une situation singulière. On voit bien que l'exploitation de cette chaleur, en particulier en profondeur, est très dépendante du territoire et peut être beaucoup plus propice, par exemple en Alsace. C'est effectivement dans ces régions-là que les grands projets, en particulier de Soultz-sous-Forêt, ont été développés.