La géothermie de surface est une opportunité de décarbonation thermique et d’indépendance énergétique encore trop méconnue et trop peu utilisée. À l’heure où la production de chaleur est issue majoritairement de solutions fossiles, cette source d’énergie naturelle et inépuisable est un levier majeur pour répondre aux enjeux énergétiques français.
Une production thermique encore très carbonée en France
État des lieux sur la production thermique en France
Source de près de la moitié de la consommation énergétique française (43 % de l’énergie finale consommée), la chaleur est encore aujourd’hui fortement carbonée et repose sur une utilisation massive des énergies fossiles telles que le gaz ou le fioul. En effet, seuls 23 % de la production de chaleur en France sont issus d’énergies renouvelables thermiques1. La chaleur renouvelable est très souvent occultée face à la décarbonation du mix électrique. Or la décarbonation énergétique nécessite de s’atteler à ces deux enjeux centraux.
Les besoins de chaleur concernent principalement des usages dits « basse température », pour 75 % d’entre eux, c’est-à-dire d’une température inférieure à 100 °C. Ces consommations permettent notamment la production de chauffage et d’eau chaude sanitaire pour les bâtiments résidentiels et tertiaires. Par ailleurs, compte-tenu du réchauffement climatique et pour faire face à l’augmentation des températures, les besoins en termes de production de froid bas carbone sont amenés à croître dans une logique de confort d’été.
Il est donc nécessaire et urgent de s’intéresser au verdissement de la production thermique basse température. En outre, le contexte économique, géopolitique et la volatilité des prix, en particulier du gaz, génèrent un souci d’indépendance énergétique, en ligne avec les enjeux et les engagements de décarbonation pris par la France.
La géothermie, une solution naturelle et renouvelable encore sous-exploitée
La géothermie, du grec « geo » et « thermos » signifie littéralement « chaleur de la terre ». Elle consiste en l’utilisation de l’énergie contenue naturellement dans le sous-sol comme source de chaleur inépuisable, stable et à faible émission de gaz à effet de serre. Aujourd’hui, largement sous-exploitée en France, elle n’est à l’origine que d’environ 1 % de la consommation de chaleur. Elle possède pourtant un potentiel considérable et le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) considère qu’elle est applicable sur plus de 90 % du territoire métropolitain.
Fort de ce constat et afin d’accélérer l’usage de la géothermie souvent trop méconnue, le gouvernement a mis en place diverses mesures et plans d’action. Ces derniers visent notamment à faciliter la structuration de la filière en France, à accompagner les installations au travers de subventions, à disposer d’une meilleure connaissance de nos sous-sols et à faciliter les démarches administratives et réglementaires.
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La géothermie de surface, une solution pour décarboner rapidement la production thermique basse température en France
Les différentes géothermies et leurs applications
La géothermie de surface, de quelques dizaines à quelques centaines de mètres, permet de capter une température du sous-sol d’environ 13°C et d’alimenter des systèmes très basses températures à l’aide d’une pompe à chaleur. Une telle installation peut produire du chauffage et de l’eau chaude sanitaire mais aussi du rafraichissement passif ou de la climatisation.
Plus en profondeur, jusqu’à quelques milliers de mètres, il est possible d’atteindre des températures de captage de 60-100 °C pour alimenter un réseau de chaleur urbain en usage direct. Avec la géothermie profonde, il est possible également de générer de l’électricité ; c’est le cas notamment de la centrale géothermique située à Bouillante en Guadeloupe.
Les trois-quarts des besoins de chaleur concernent des températures basses. Dans ce cadre, la géothermie de surface, c’est-à-dire assistée par une pompe à chaleur et de faible profondeur, est une solution adaptée pour répondre à ces régimes de température au travers d’une production locale de chaleur et de rafraichissement, principalement à destination des secteurs résidentiels collectifs et tertiaires (bureaux, écoles, hôpitaux, etc.).
Potentiel et grands principes de la géothermie de surface
Le potentiel de la géothermie de surface, malgré sa faible exploitation à ce jour en France, est particulièrement propice pour répondre aux enjeux d’une production thermique locale décarbonée. Aujourd’hui, environ 4,8 TWh en France sont issus de la géothermie de surface. Or, le BRGM estime à 100 TWh annuels le potentiel d’économie de gaz accessible d’ici 15 à 20 ans grâce à cette solution (10 fois plus qu’avec la géothermie profonde).
Le principe de la géothermie de surface consiste à capter les calories présentent naturellement dans le sol (autour de 13°C) à faible profondeur afin de produire du chaud ou du froid. La température du sol est captée dans le sous-sol par un circuit géothermique reposant soit sur un champ de sondes, soit sur un système de puisage/réinjection d’eau au sein d’une nappe d’eau. Ensuite, une pompe à chaleur alimentée électriquement permet de maximiser ces calories prélevées, ces dernières étant ensuite distribuées au sein du bâtiment par le réseau de distribution. Le schéma ci-dessous illustre ce fonctionnement.
La captation s’effectue généralement entre 10 et 200 mètres. Dès 10 mètres, la profondeur est suffisante pour disposer d’une température stable toute l’année, quelles que soient les conditions climatiques extérieures (la température du sol est constante en moyenne autour de 13°C). Il s’agit donc d’une solution renouvelable locale sans intermittence ni saisonnalité, disposant de très bonnes performances pouvant permettre de réduire la consommation d’énergie par quatre et les émissions carbone par 10.
La géothermie de surface permet de produire du chaud basse température (<70 °C) pour répondre aux usages de chauffage, d’eau chaude sanitaire, mais permet également de rafraîchir les bâtiments soit en utilisant directement la température captée dans le sol (~13 °C) soit en la refroidissant via une pompe à chaleur réversible pour de la climatisation.
Levier majeur pour permettre d’atteindre la neutralité carbone d’ici 2050 et l’indépendance énergétique, la géothermie de surface est l’une des rares solutions permettant la production à la fois de chaleur et de froid bas carbone. Cette réversibilité est d’autant plus intéressante qu’il est difficile aujourd’hui de produire du froid décarboné. Or, les besoins en rafraichissement et en climatisation sont amenés à croitre en rai- son de la hausse des températures.
Les freins rencontrés dans le développement de la géothermie de surface
Encore aujourd’hui, certaines confusions et méconnaissances portent préjudice à la géothermie de surface :
- malgré sa maturité, il s’agit en France d’une solution assez méconnue du grand public, mais également d’un grand nombre de bureaux d’études qui n’analysent donc pas la géothermie de surface comme une alternative possible ;
- la confusion entre les différents types de géothermie peut également expliquer une certaine réticence notamment auprès de propriétaires fonciers. À titre d’illustration, la géothermie de surface, en raison de sa faible profondeur, ne peut pas déclencher de problématiques sismiques, contrairement à la géothermie profonde ;
- l’aérothermie et la géothermie de surface peuvent laisser penser qu’il s’agit de solutions équivalentes. D’un investissement initial moindre que la géothermie, l’aérothermie tire son énergie de l’air ambiant, et sa performance fluctue naturellement en fonction des températures extérieures. L’aérothermie a donc son intérêt, mais n’est pas adaptée pour les grands froids et son efficacité baisse en même temps que les températures extérieures chutent. L’inertie thermique d’une solution géothermique quant à elle, permet de s’exempter de cette saisonnalité et de disposer d’une solution performante de production de chaleur, même au cœur de l’hiver.
Cette méconnaissance de la géothermie de surface ne lui a donc pas permis de se développer à la hauteur de son potentiel. Par ailleurs, l’investissement initial non négligeable est également un frein au développement de cette solution malgré sa performance dans la durée. Pourtant, la faible maintenance requise par ces systèmes, leur longue durée de vie, au minimum 50 ans pour la partie sous-sol, et l’autonomie de l’installation permettent de limiter considérablement les frais d’exploitation. Ainsi, le coût global d’opérations de géothermie de surface est très intéressant. Par ailleurs, le fonds chaleur subventionne ce type d’opérations dont le retour sur investissement se situe généralement entre 5 et 12 ans.
La filière française aujourd’hui se structure et les facilitations réglementaires encouragent le dévelop- pement de la géothermie de surface. En effet, l’intérêt croissant est déjà visible et de plus en plus de projets voient le jour.
Le déroulement d’une opération, ou comment fiabiliser son investissement en amont des travaux
Pour pouvoir garantir l’intérêt et la faisabilité d’une opération de géothermie de surface, il est nécessaire de valider, en amont des travaux, certaines conditions d’adéquation entre les ressources hydrogéologiques et les besoins bâtimentaires. Ainsi, un principe « d’études en entonnoir » est pré- conisé afin de limiter les frais engagés et bien dimensionner les installations.
Généralement, la première étape consiste à confirmer, par une étude, l’intérêt de la mise en place d’une géothermie de surface sur un site donné. Cette confirmation d’opportunité est facilitée par le travail réalisé par le BRGM de concaténation des données historiques disponibles et par la mise en place d’une cartographie réglementaire pour la géothermie de minime importance.
À la suite de ce premier état des lieux, il est recommandé de réaliser une étude de faisabilité. Des acteurs tels que Carbon Shift (groupe EQUANS) peuvent réaliser ces études pour garantir la faisabilité technico-économique des opérations et ainsi sécuriser l’investissement à engager. Un test sur site est enfin réalisé pour affiner les hypothèses de l’étude de faisabilité avant de commencer les travaux d’installation.
Le stockage intersaisonnier géothermique, un avenir prometteur
L’utilisation du sous-sol comme réserve naturelle de stockage de chaleur
La géothermie de surface peut dans certains cas être couplée avec du stockage thermique dans le sous- sol afin d’en maximiser les performances.
La solution est basée sur un constat simple rencontré sur nombre de bâtiments tertiaires : en hiver les besoins thermiques, tels que le chauffage, concernent principalement la production de chaleur, alors qu’en été les consommations relèvent principalement de besoins en froid (rafraichissement ou de climatisation). Cette saisonnalité s’avère être problématique pour la majorité des solutions renouvelables intermittentes, comme pour le solaire thermique dont les plus fortes productions sont en été alors que les besoins de chauffage les plus importants s’observent durant la période hivernale.
Comme vu précédemment, la géothermie de surface ne souffre pas de cette intermittence et permet une production stable toute l’année. De plus, si elle est adossée à un système de stockage passif dans le sous-sol, il est possible d’en améliorer encore les performances. En effet, en hiver, lorsqu’on prélève des calories dans le sous-sol pour se chauffer, cela signifie qu’on le refroidit. À l’inverse, lorsqu’on prélève des frigories pour rafraichir ou climatiser son bâtiment, la température réinjectée dans le sol est plus chaude. Le concept du stockage intersaisonnier consiste à constituer dans le sous-sol deux zones, l’une chaude et l’autre froide, et d’inverser la zone de captage deux fois par an Ainsi, en hiver, la zone chaude permet de disposer d’une température plus haute, et la montée en température pour assurer le chauffage est moins consommatrice d’énergie. En parallèle, du froid est réinjecté dans la zone froide qui sera utilisé l’été suivant. Lors de la période estivale, la captation s’effectue dans la zone froide et réalimente en chaud la zone chaude pour l’hiver qui suit.
Aujourd’hui, ces techniques de stockage dans le sous-sol ne sont pas développées en France. Il s’agit pourtant d’une solution technologiquement mature, très commune aux Pays-Bas, qui met en œuvre des ATES depuis des décennies. Installect, société d’EQUANS, a ainsi installé plus de 400 systèmes de ce type sur le territoire néerlandais.
Conclusion
La géothermie de surface permet de diviser par quatre les consommations énergétiques du chauffage et de climatisation et par 10 les émissions carbone. Il s’agit donc d’un levier majeur pour répondre aux enjeux de décarbonation et d’indépendance énergétique. Adaptée aux secteurs tertiaire et résidentiel collectif, cette solution dispose d’un formidable potentiel sur la France métropolitaine. La géothermie de surface est amenée à se développer fortement dans les prochaines années et est adaptée à presque l’intégralité du territoire métropolitain. Enfin, l’utilisation du sous-sol comme réserve naturelle de stockage intersaisonnier, encore anecdotique en France, est un axe prometteur amené à se démultiplier dans une logique d’efficacité énergétique et de performance.
1. 61 % de la chaleur produite en France est carbonée (gaz, fuel et charbon) ; 23 % provient d’énergies renouvelables thermiques (essentiellement au travers de biomasse et de pompes à chaleur aérothermiques) ; enfin le reste est produit à partir d’électricité.
