Géothermie

 Qu’est-ce que la géothermie ?

La géothermie étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et désigne le procédé qui permet de récupérer la chaleur naturelle terrestre pour produire de l’énergie.

D’où vient la chaleur ?

La chaleur stockée dans l’écorce terrestre a pour origine, à la fois le refroidissement du noyau terrestre (99% de la masse de la terre est à plus de 1 000°C), et surtout la désintégration naturelle des éléments radioactifs contenus dans les roches profondes. A cela s’ajoute, pour les premiers mètres de profondeur, le stockage de la chaleur issue du rayonnement solaire.

Grâce aux propriétés thermiques du sous-sol, la température est régulée dès les premiers mètres sous la surface : elle s’affranchit des fluctuations saisonnières et reste constante pour une profondeur donnée.

Expérimenté concrètement par des générations de mineurs de fond et aujourd’hui bien mesuré, l’accroissement de la température en fonction de la profondeur est appelé « gradient géothermal ». Ainsi, ce gradient est en moyenne de 4°C tous les 100 m en France, excepté dans le nord de l’Alsace : 10°C/100 m, et au pied des Pyrénées : 2°C/100 m.

Quelles sont les utilisations de cette chaleur ?

Le schéma suivant illustre les différentes utilisations de la chaleur, en fonction de la température récupérée :

• la géothermie superficielle (température inférieure à 30°C), qui permet autant le rafraîchissement que la production de chaleur avec le recours de pompes à chaleur ;
• la géothermie basse énergie (température entre 30 et 90°C) ;
• la géothermie haute énergie (température supérieure à 150°C) ;

Comment fonctionne la géothermie profonde ?

Pour la géothermie basse et haute énergie, au minimum deux forages sont nécessaires : l’un pour pomper l’eau chaude, l’autre pour réinjecter l’eau refroidie (de manière à protéger l’environnement et à garantir la pérennité de la ressource). En surface, la chaleur contenue dans l’eau est utilisée pour chauffer des bâtiments ou pour des applications industrielles. Dans le cas de la haute énergie, elle est utilisée pour faire tourner une turbine et produire ainsi de l’électricité.

Comment fonctionne la géothermie superficielle ?

Pour la géothermie superficielle, ce sont les propriétés de régulation thermique du proche sous-sol, indépendantes des variations saisonnières, qui sont mises à profit pour des usages très diversifiés (logements individuels et collectifs, bâtiments publics et tertiaires, agriculture, piscines, industrie, surfaces de distribution) :

• pour la production de chaleur, la température est généralement insuffisante pour une utilisation directe ; les calories contenues dans le sous-sol sont extraites à l’aide d’une pompe à chaleur (PAC), à des coûts maîtrisés (généralement moins d’un quart du coût électrique équivalent) ; la constance des températures prélevées assure des rendements supérieurs à ceux observés sur les systèmes captant l’air ambiant ;
• pour le rafraîchissement, le proche sous-sol, qui affiche des températures d’une dizaine de degrés, permet une utilisation directe sans mettre la pompe à chaleur en marche : il s’agit du rafraîchissement passif (ou geocooling), dont les coûts de fonctionnement sont infimes ; les calories prélevées aux bâtiments sont réinjectées dans le sous-sol, ce qui fait de cette filière une solution efficace pour lutter contre les effets d’îlots de chaleur urbains ; dans certains cas, ces calories pourront être réutilisées pour produire de la chaleur en hiver.
• pour le stockage d’énergie dans le milieu souterrain : cela peut s’appliquer pour une installation qui fonctionne en mode réversible pour chauffage et rafraîchissement, mais cela peut répondre également aux problématiques croissantes de stockage de la chaleur « fatale », pour permettre sa valorisation ; ce peut être le cas par exemple de la chaleur produite par une activité industrielle ou un site d’incinération, stockée toute l’année pour pouvoir être valorisée en chauffage au lieu d’être dissipée dans le milieu naturel.

L’utilisation de ces atouts thermiques du sous-sol peut se faire :

• en faisant circuler un fluide dans des sondes étanches (systèmes en boucle fermée),

• en pompant directement l’eau souterraine lorsqu’une nappe est présente (systèmes en boucle ouverte).

L’ Ademe a édité en 2017 une brochurerelative à la filière géothermie superficielle. Son contenu, à vocation promotionnelle et pédagogique, est illustré par un panel d’exemples de réalisations diversifiées, dont plusieurs sont en Nouvelle-Aquitaine.

Rédigé par J. Barrière et P. Durst - BRGM

Pour en savoir plus :

• Consulter le site Géothermie perspectives « Toute l’information sur l’énergie de la terre »
• Dossier sur la Géothermie dans le n° 114 de la revue Géochronique : voir la page de garde / sommaire / éditorial de la revue. Cette revue est proposée à la vente sur le site de la Société Géologique de France
• Brochure « Géothermie de surface – 6 bonnes raisons de choisi la géothermie pour les collectivités » (publication BRGM - ADEME , avec la collaboration de l’AFPG, la FNCCR et le SER)
• Guide pratique « La géothermie pour chauffer et rafraîchir sa maison » ( ADEME )

Géothermie de minime importance

Le Gouvernement a publié le décret n°2015-15 du 8 janvier 2015 qui définit et encadre, à titre principal la réglementation des activités géothermiques dites « de minime importance ». Ce texte a été adopté en application des articles L. 112-1 et L. 112-3 du Code Minier, introduits par la loi « Warsmann » n° 2012-387 du 22 mars 2012. En application du décret 2006-649 du 2 juin 2006 modifié, quatre arrêtés encadrent les pratiques et la reconnaissance d’une compétence en matière de forage géothermique.

Le Code Minier

Le Code Minier régit la recherche et l’exploitation des gîtes géothermiques qui requièrent des autorisations délivrées par l’Etat, sauf pour les activités exclues du Code Minier ou qui bénéficient du régime dérogatoire de la minime importance (qui dans ce cas relèvent d’une déclaration). Concernant la Géothermie de Minime Importance (GMI), deux articles définissent le cadre et font désormais apparaitre la notion d’échange d’énergie thermique :

• Article L112-1 :
  Ne relèvent pas du régime légal des mines les activités ou installations de géothermie utilisant les échanges d’énergie thermique avec le sous-sol lorsqu’elles ne présentent pas d’incidences significatives sur l’environnement et qu’elles ne nécessitent pas des mesures spécifiques de protection des intérêts mentionnés aux articles L161-1 et L161-2. Les activités ou installations concernées sont déterminées par décret en Conseil d’Etat, en fonction de la nature des ouvrages et des fluides caloporteurs utilisés et de seuils portant sur la profondeur et la puissance thermique des ouvrages, sur la température des milieux sollicités ainsi que sur les débits des eaux prélevées, réinjectées ou rejetées.
• Article L112-3 :
  Parmi les gîtes géothermiques à basse température, sont considérées comme des activités géothermiques de minime importance les activités de géothermie exercées dans le cadre du présent code qui utilisent les échanges d’énergie thermique avec le sous-sol, qui ne présentent pas de dangers ou d’inconvénients graves pour les intérêts mentionnés à l’article L161-1 et qui satisfont aux conditions fixées par décret en Conseil d’Etat sur la base des caractéristiques mentionnées au second alinéa de l’article L112-1.

Les décrets d’application

Le décret n° 2015-15 du 8 janvier 2015 est mis en application depuis le 1^er juillet 2015. Il définit et réglemente les activités de géothermie dite « de minime importance » et est pris en application des articles L. 112-1 et L. 112-3 du Code Minier. Il modifie notamment :

• le décret n° 78-498 du 28 mars 1978 modifié relatif aux titres de recherches et d’exploitation de géothermie ;
• le décret n° 2006-649 du 2 juin 2006 modifié relatif aux travaux miniers, aux travaux de stockage souterrain et à la police des mines et des stockages souterrains ; l’annexe de l’article R. 122-2 et l’article R. 414-27 du Code de l’Environnement.

Le décret n°2015-15 du 8 janvier 2015, modifie le décret n°78-498 du 28 mars 1978 et le décret n°2006-649 du 2 juin 2006 modifié en apportant les évolutions suivantes :

Exclusion du régime légal des mines de la géothermie de moins de 10 m de profondeur. L’article 2 du décret n°78-498 prévoit que : « Art. 2. - Conformément à l’article L. 112-1 du code minier et sans préjudice des dispositions de l’article L. 411-1 de ce code, ne relèvent pas du régime légal des mines les activités et installations géothermiques suivantes :

• Les puits canadiens ;
• Les géostructures thermiques ;
• Les échangeurs géothermiques fermés d’une profondeur inférieure à 10 mètres ;
• Les échangeurs géothermiques ouverts dont au moins un échangeur fonctionne en circuit ouvert répondant aux conditions mentionnées au II de l’article 3 et dont aucun des ouvrages de prélèvement ou de réinjection ne dépasse la profondeur de 10 mètres. »

L’article 3 du décret n°78-498 est complété par un paragraphe II (dont la mise en application est effective au 1^er juillet 2015) qui prévoit que :

Pour l’application de l’article L. 112-3 du Code Minier, sont considérées comme des exploitations de gîtes géothermiques à basse température relevant du régime de la minime importance les activités géothermiques ci-après :

1. Pour les activités ne recourant qu’à des échangeurs géothermiques fermés, celles qui remplissent les conditions suivantes :
   • La profondeur du forage est inférieure à 200 mètres ;
   • La puissance thermique maximale échangée avec le sous-sol et utilisée pour l’ensemble de l’installation est inférieure à 500 kW ;
2. Pour les activités recourant au moins à un échangeur géothermique ouvert, celles qui remplissent les conditions suivantes :
   • La température de l’eau prélevée en sortie des ouvrages de prélèvement est inférieure à 25 °C ;
   • La profondeur du forage est inférieure à 200 mètres ;
   • La puissance thermique maximale échangée avec le sous-sol et utilisée pour l’ensemble de l’installation est inférieure à 500 kW ;
   • Les eaux prélevées sont réinjectées dans le même  aquifère  et la différence entre les volumes d’eaux prélevés et réinjectés est nulle ;
   • Les débits prélevés ou réinjectés sont inférieurs au seuil d’autorisation fixé à la rubrique 5.1.1.0 de l’article R. 214-1 du code de l’environnement (inférieurs à 80 m³/h).

Toutefois, les activités mentionnées aux 1° et 2° ne relèvent pas de la minime importance lorsqu’elles sont situées dans des zones rouges, où les activités géothermiques présentent des dangers ou inconvénients graves, définies à l’article 22-6 du décret n° 2006-649 du 2 juin 2006 relatif aux travaux miniers, aux travaux de stockage souterrain et à la police des mines et des stockages souterrains.

Les arrêtés accompagnant le décret du 8 janvier 2015

En application du décret 2006-649 du 2 juin 2006 modifié, quatre arrêtés du 25 juin 2015 encadrent les pratiques et la reconnaissance d’une compétence en matière de forage géothermique :

• Arrêté relatif aux prescriptions générales applicables aux activités géothermiques de minime importance : l’arrêté précise, outre les conditions relatives à l’implantation d’une installation de géothermie de minime importance, les mesures à mettre en œuvre lors de la réalisation de l’ouvrage géothermique, son exploitation et sa cessation d’exploitation ainsi que les modalités de surveillance et d’entretien de l’installation. Ces dispositions visent à garantir la pérennité des installations et de prévenir les risques sur l’environnement notamment pour protéger le patrimoine bâti et les ressources en eau.

• Arrêté relatif à la qualification des entreprises de forage intervenant en matière de géothermie de minime importance : l’arrêté vise à s’assurer que les ouvrages réalisés dans le cadre de la géothermie de minime importance soient mis en œuvre selon les prescriptions générales applicables et les règles de l’art par des entreprises de forage disposant des compétences professionnelles, techniques et financières afin de préserver les intérêts mentionnés à l’article L.161-1 du code minier. Ces dispositions sont d’application obligatoire pour les entreprises qui réalisent les travaux de forage lors de l’ouverture des travaux d’exploitation d’un gîte géothermique de minime importance ou qui réalisent les mesures d’arrêt des travaux d’exploitation.

• Arrêté relatif à la carte des zones réglementaires en matière de géothermie de minime importance : l’arrêté fixe la carte des zones de géothermie de minime importance ainsi que la méthodologie d’élaboration de la carte et les modalités de sa révision.

• Arrêté relatif à l’agrément d’expert en matière de géothermie de minime importance : l’arrêté expose le cadre et les modalités d’agrément des experts, les modalités dans lesquels ce dernier établit l’attestation de compatibilité d’un projet géothermique prévue dans la déclaration d’ouverture des travaux d’exploitation d’une activité de géothermie de minime importance. Le texte précise les compétences requises pour obtenir cet agrément.

Une simplification de la procédure de déclaration des installations et activités géothermiques de minime importance

Le site de télé-déclaration (télé-service), appelé par le décret 2015-15, permet d’effectuer les déclarations sur le site internet Télédéclaration des installations pour la géothermie de minime importance.

L’article 22-2 du décret 2006-649 du 2 juin 2006 modifié précise les pièces constituant la déclaration de l’ouverture des travaux d’exploitation d’un gîte géothermique de minime importance. Le pétitionnaire déclare l’ouverture de travaux d’exploitation sur le télé-service. Il reçoit un récépissé de déclaration et la qualification de la zone d’implantation du projet vis-à-vis de la carte des zones réglementaires :

• Zone « verte » : le régime déclaratif s’applique ;
• Zone « orange » : le régime déclaratif s’applique, la déclaration comporte en outre une attestation de compatibilité d’un expert agréé ;
• Zone « rouge » : les risques géologiques identifiés par la carte des zones réglementaires excluent le bénéfice du régime administratif de la minime importance. Une installation géothermique présentant les caractéristiques techniques de la minime importance située en zone rouge est considérée comme présentant des dangers et inconvénients graves au sens de l’article L161-1 du code minier. Une installation géothermique relève alors de la géothermie de basse température qui nécessite le dépôt d’une demande d’autorisation.

La carte des zones réglementaires s’appuie sur une méthodologie d’élaboration qui prend en compte 9 phénomènes redoutés pouvant apparaître lors d’un forage géothermique de minime importance. Une carte a été réalisée à l’échelle nationale. Celle-ci prend en compte l’ensemble des phénomènes sur la profondeur 10-200 mètres. Cette carte peut être révisée à l’échelle régionale ou locale afin de l’affiner tant sur les profondeurs en distinguant 3 couches de profondeurs (10-50 mètres, 10-100 mètres, 10-200 mètres) ainsi que sur la localisation des phénomènes.

Les phénomènes redoutés retenus pour l’établissement des cartes des zones réglementaires relatives à la Géothermie de minime importance sont les suivants :

1. Affaissement/ surrection lié aux niveaux évaporitiques ;
2. Affaissement/effondrement lié aux cavités (hors mines) ;
3. Affaissement/effondrement liés aux cavités minières ;
4. Mouvements de terrain (ou glissements de terrain) ;
5. Pollution des sols et des nappes d’eau souterraines ;
6. Phénomène d’artésianisme ;
7. Mise en communication d’aquifères ;
8. Remontée de nappe  ;
9. Biseau salé (uniquement pour les cartographies régionales).

 

 

Récapitulatif des procédures applicables aux différents types de géothermie utilisés

Type de géothermie	Conditions générales	Régime administratif
Géothermie avec puits canadiens, géostructures thermiques ou corbeilles	Aucun	Code minier non applicable
Géothermie avec des échangeurs thermiques fermés horizontaux (profondeur < 10 m)	Profondeur inférieure à 10 m	Code minier non applicable
Echangeurs géothermiques ouverts (forages d’eau)	Profondeur < 10 m, puissance < 500 kW, température < 25 °C, débit < 80 m3/h et réinjection même nappe	Code minier non applicable
	Profondeur > 10 m et < 200 m, puissance < 500 kW, température < 25 °C, débit < 80 m3/h, réinjection même nappe et en zone verte ou orange	Déclaration
	Profondeur > 200 m ou puissance > 500 kW ou température > 25 °C ou débit > 80 m3/h ou pas de réinjection en même nappe ou zone rouge	Autorisation instruite par les services de l’Etat
Echangeurs géothermiques fermés (sondes géothermiques)	Profondeur < 10 m, puissance < 500 kW	Code minier non applicable
	Profondeur > 10 m et < 200 m Puissance < 500 kW et zone verte ou orange	Déclaration
	Profondeur > 200 m ou puissance > 500 kW ou zone rouge	Autorisation instruite par les services de l’Etat
Echangeurs géothermiques d’une profondeur supérieure à 200 m	Profondeur > 200 m	Autorisation instruite par les services de l’Etat

 

 

Article rédigé par P. MONNOT, chargé de mission géothermie - BRGM

D’autres prescriptions locales, non spécifiques à la géothermie de très basse température, peuvent s’appliquer : la réglementation relative à la préservation de la ressource en eau potable et de la qualité des nappes souterraines (voir notamment l’article sur les Les périmètres de protection), la réglementation relative aux enjeux du sol et sous-sol (sols pollués, stockage de gaz et hydrocarbures, mouvement de terrain, …).

Vous êtes foreur et vous souhaitez télé-déclarer un projet de géothermie de minime importance en zone verte ? : visualisez les tutoriels.

Particuliers et professionnels, consultez le guide Géothermie de minime importance : de la réglementation aux règles de l’art.

 

La géothermie de surface (assistée par pompe à chaleur)

Quel est le principe ?

La pompe à chaleur (PAC) est un dispositif qui capte l’énergie dans l’environnement pour la restituer à une température plus élevée. Le principe est celui d’un réfrigérateur, il repose sur des cycles successifs de compression et détente d’un fluide frigorigène.

Elle nécessite par conséquent un apport d’énergie (électrique) pour faire fonctionner le compresseur, mais cette consommation reste minoritaire : la majorité de l’énergie restituée provient gratuitement de l’environnement.

Les performances des pompes à chaleur sont affectées par la température de l’environnement capté : ainsi les pompes à chaleur utilisant l’air ambiant (aérothermiques) vont voir leurs rendements de production de chaleur décroître avec la baisse des températures en hiver. A la différence de ces systèmes, la pompe à chaleur géothermique bénéficie des capacités naturelles de régulation thermique du sous-sol : en Aquitaine, au-delà de quelques mètres de profondeur, les températures restent supérieures à 12°C quelle que soit la saison. Les pompes à chaleur géothermiques ne voient donc pas leurs rendements baisser avec les températures de l’air ambiant, les performances sont constantes quelles que soient les conditions météorologiques.

Des applications diverses

Les applications de la géothermie de surface sont multiples :

Chauffage et/ou production d’eau chaude sanitaire assisté par pompe à chaleur
Rafraîchissement / climatisation assisté par pompe à chaleur
Rafraîchissement passif, en utilisant directement les températures fraîches et constantes du proche sous-sol
Régulation thermique de process industriels
Stockage intersaisonnier d’énergie dans le sous-sol : stockage réversible de l’excès de calories évacué en été pour le réutiliser en hiver
Couplage et stockage d’énergie produite par d’autres énergies renouvelables intermittentes : à ce titre, le système de stockage souterrain d’énergie solaire mis en place par la Communauté solaire de Drake Landing à Okotoks (Alberta, Canada) est exemplaire
Stockage d’énergie fatale
Ces applications peuvent être mises à profit par les deux filières géothermiques : sur boucles fermées (sondes géothermiques) et sur boucles ouvertes (sur nappe ). La diversité des applications est visible à travers les exemples connus en Aquitaine.

par J. Barrière - BRGM

Pour en savoir plus

• La géothermie de surface, une énergie performante et durable pour les territoires, publication ADEME – BRGM , en partenariat avec l’AFPG, la FNCCR et le SER
• Présentations des cycles de formation en Gironde de l’ALEC, de l’ ADEME , de l’AFPG et du BRGM sur la géothermie de surface, à destination du grand public, des porteurs de projet et des décideurs locaux
• Site de la plate-forme expérimentale de géothermie du BRGM, avec notamment le suivi en ligne d’un bâtiment régulé par géothermie
• Accès au site Géothermie-Perspectives.
• Vidéo « La géothermie assistée par pompe à chaleur » de l’AFPG