Géothermie : fonctionnement, avantages et installation des pompes à chaleur géothermiques

Qu’est-ce que la géothermie ?

La géothermie consiste à exploiter la chaleur stockée sous la surface de la Terre pour diverses applications énergétiques. Issue du noyau terrestre et des roches en fusion situées sous la croûte terrestre, cette chaleur peut être captée et convertie en électricité ou en chaleur pour des usages domestiques ou industriels.

Dans un contexte où la demande pour des solutions énergétiques durables croît, la géothermie se positionne comme une option fiable, renouvelable et respectueuse de l’environnement. Contrairement à d’autres énergies renouvelables comme le solaire ou l’éolien, elle fonctionne en continu, offrant une production stable et prévisible.

Avantages de la géothermie

L’un des principaux avantages de la géothermie est son faible impact environnemental. Elle permet une production d’énergie sans émissions directes de gaz à effet de serre (GES), contribuant ainsi à la lutte contre le réchauffement climatique. De plus, la géothermie repose sur une ressource inépuisable à l’échelle humaine : la chaleur de la Terre.

Comment fonctionne la géothermie ?

Le principe de base de la géothermie

La captation de la chaleur s’opère sous différentes profondeurs de couches terrestres (croûte, manteau), emmagasinée dans le sous-sol à des profondeurs généralement inférieures à 200 mètres, pour des températures inférieures à 30°C. Cette chaleur peut être exploitée de différentes manières, en fonction de la profondeur et des températures atteintes.

Les différentes échelles de la géothermie

1. Géothermie de très basse température : utilisée principalement pour le chauffage et le refroidissement de bâtiments via des pompes à chaleur géothermiques. Ce système capte la chaleur à des profondeurs peu importantes, généralement entre 50 et 200 mètres.
2. Géothermie de basse température : elle permet d’alimenter des réseaux de chaleur urbains. Elle exploite des réservoirs géothermiques plus profonds, entre 200 et 2 000 mètres, et fonctionne à des températures de 30 à 100°C.
3. Géothermie de haute température : ce type de géothermie est utilisé pour la production d’électricité. Les forages atteignent des profondeurs de plus de 2 000 mètres, où les températures dépassent souvent les 150°C. La vapeur ainsi produite est convertie en énergie via des turbines.

Les utilisations de la géothermie

Chauffage par géothermie

Le chauffage par géothermie consiste à utiliser des pompes à chaleur géothermiques (PAC) qui extraient la chaleur du sol pour la transférer à un bâtiment. Trois systèmes principaux existent :

1. Pompe sol-sol : adaptée aux maisons individuelles disposant de grands terrains, cette technologie repose sur un réseau de tuyaux enterrés horizontalement.
2. Pompe sol-eau : extrait la chaleur du sol pour la distribuer à un circuit d'eau chaude.
3. Pompe eau-eau : fonctionne en pompant l'eau d'une nappe phréatique pour chauffer le bâtiment.

Ce type de chauffage est particulièrement avantageux car il permet de réduire les factures d’énergie tout en garantissant un confort thermique optimal.

Production d’électricité avec la géothermie

La géothermie haute température permet la production d’électricité à travers des centrales géothermiques. Ce processus se fait en injectant de l’eau dans des réservoirs souterrains chauds, la vapeur générée étant ensuite utilisée pour faire tourner des turbines qui produisent de l’électricité.

Usages industriels et agricoles

La géothermie est aussi utilisée pour chauffer des serres, dans l’aquaculture et pour divers processus industriels, comme le séchage de produits agricoles. Ces applications montrent l’adaptabilité de cette énergie renouvelable dans divers secteurs.

Les différents types de géothermie

Géothermie verticale

Ce système utilise des forages plus profonds (jusqu’à plusieurs centaines de mètres) et est idéal pour les espaces restreints. La géothermie verticale offre une efficacité accrue, mais nécessite des travaux d'installation plus complexes.

Géothermie horizontale

Cette méthode est courante pour les maisons individuelles avec un grand terrain. Elle consiste à installer des capteurs géothermiques horizontaux à une faible profondeur, généralement entre 1 et 2 mètres. Elle est plus simple à installer, mais moins performante que la géothermie verticale.

Avantages de la géothermie

• Énergie renouvelable : la géothermie utilise une source inépuisable, la chaleur terrestre, et produit très peu d'émissions de CO2
  Exemple :
  - La géothermie de surface utilise 15g / kilowattheure thermique d’émissions de CO2
  - La géothermie profonde utilise 10g / kilowattheure thermique d’émissions de CO2
• Efficacité énergétique : une fois installé, un système géothermique permet de réaliser des économies d'énergie substantielles sur le long terme. Hors amortissement des investissements, la solution géothermique présente des coûts annuels de consommation énergétique d’un logement collectif bas : 759 €TTC/an à 1 066 €TTC/an avec une hausse de 50 % du prix de l’électricité par rapport à 2020.
• Autonomie énergétique : elle contribue à réduire la dépendance aux énergies fossiles.

Inconvénients de la géothermie

Coût initial élevé 

Le principal obstacle à l’adoption de la géothermie est le coût d’installation, qui peut être élevé en raison des forages et des équipements spécifiques.
En 2020, l’installation d’une pompe à Chaleur (PAC) géothermique eau/eau sur champ de sondes (11-12 kW) coûtait 31 200 € (prix du matériel, de la pose et du forage).
Néanmoins, les pompes à chaleur eau/eau sont relativement compétitives avec des coûts de 127 €/MWh soit 2 731 € TTC / an pour une maison individuelle de 100 m2 contre 4 429 € pour l’énergie électrique.

Source : Coûts des énergies renouvelables en France, édité par l’ADEME

Impact environnemental des forages 

Bien que limité, le forage peut affecter les nappes phréatiques ou entraîner des risques sismiques mineurs.

Comment installer un système géothermique ?

Étapes d’installation d’une pompe à chaleur géothermique

L'installation d'une pompe à chaleur géothermique (PAC géothermique) suit plusieurs étapes essentielles pour garantir son efficacité et sa durabilité. 

Voici les principales étapes du processus.

• Étude de faisabilité et conception (étude du terrain, calcul des besoins de l’habitation),
• Demande d’autorisations (déclaration auprès des autorités locales),
• Installation des capteurs géothermiques (forage et mise en place des capteurs),
• Installation de la pompe à chaleur (pose et branchements),
• Branchement au système de chauffage,
• Mise en service et réglages (vérifications techniques, tests et mise en service),
• Entretien et suivi.

Quelle profondeur pour la géothermie verticale ?

La profondeur des forages dépend du type de sol et de la technologie utilisée. En moyenne, pour une installation résidentielle, les forages atteignent entre 50 et 150 mètres, tandis que pour des projets de grande envergure, ils peuvent aller jusqu'à plusieurs centaines de mètres.

Aides financières et subventions

En France, plusieurs aides gouvernementales sont disponibles pour encourager les particuliers à adopter la géothermie. Parmi elles, MaPrimeRénov’ et le crédit d’impôt permettent de réduire significativement les coûts initiaux d’installation.

La géothermie en France

La France dispose d'un fort potentiel géothermique, notamment en Île-de-France et en Alsace. Des projets de géothermie profonde sont en cours pour augmenter la part de cette énergie dans le mix énergétique national. Ces initiatives sont soutenues par des régulations favorables et des subventions visant à promouvoir l'utilisation de la géothermie dans les zones résidentielles et industrielles.

La géothermie représente une solution durable pour répondre aux défis énergétiques actuels. Son rôle dans la production d’énergie propre, notamment pour le chauffage des bâtiments et la production d’électricité, en fait un axe de développement prometteur vers la transition énergétique.