Point sur les différents types de géothermie, et la
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Séminaire stratégique INDURA 7 juillet 2016 Saint Etienne Géothermie Yves SIMEON BRGM Rhône-Alpes BRGM Rhône-Alpes Sommaire : ¾ Principes de la géothermie ¾ Différents types de géothermie ¾ Documents disponibles ¾ Exemple d’application géothermie très basse énergie ¾ Utilisation des sites BRGM ¾ réglementation GEOTHERMIE du grec "gé" la Terre et "thermé" chaleur. ENERGIE GEOTHERMIQUE …énergie emmagasinée sous forme de chaleur sous la surface de la terre solide. (Directive 2009/28/CE du Parlement Européen et du Conseil relative à la promotion et l’utilisation de l’énergie produite à partir de sources renouvelables…). Dimensions et températures de la Terre - Croûte - Manteau - Noyau - Rayon = 6 371 KM >3 Gradient géothermique Température en fonction de la profondeur 5 10 15 20 25 0 Température (°C) Profondeur (m) Echantillon total : 619 mesures in situ profondeur de 1 à 500 m température de 7,1 à 30,1 °C 100 462 points compris entre 0 et 100 m de profondeur profondeur moyenne : 49 m température moyenne : 12,8 °C 157 points supérieurs à 100 m de profondeur avec un gradient de températude de 4 °C / 100 m 200 300 Résultats d’une étude faite sur 619 mesures réalisées sur des captages AEP. Gradient géothermique Température en fonction de la profondeur et de la saison 0 °C 20 °C Température Température (°C) 0m 0 5 10 15 20 0 5 10 Profondeur (m) 15 20 25 Janvier Avril Juillet 30 m Octobre 30 Profondeur (m) 5 Les différents types de géothermie >6 Chaleur de la Terre Température de la ressource Chauffage / Rafraichissement par Pompes à chaleur 10°C 30°C EAU Utilisation directe de la chaleur du sous-sol 120°C 160°C VAPEUR Utilisation directe de la vapeur géothermale 350°C >7 Typologie usuelles en dehors systèmes volcaniques Géothermie Basse Energie Chauffage direct Aquifères profonds Géothermie Très Basse Energie Chauffage et/ou rafraichissement Pompes à chaleur Sous-sol ou eau souterraine Géothermie profonde – EGS (Enhanced Geothermal System) Socles ou bassins sédimentaires +/- fracturés et +/->«8 secs » La Haute énergie en contexte volcanique Production d’électricité à Bouillante en Guadeloupe Réservoirs naturels de vapeur La haute énergie hors contexte volcanique Géothermie profonde à Soultz-sous-forêts – EGS (Enhanced Geothermal System) – Production d’électricité et de chaleur Géothermie basse énergie Utilisation directe de la chaleur des nappes profondes Aquifères profonds des bassins sédimentaires Géothermie très basse énergie Géothermie par Pompe à Chaleur Géothermie superficielle Les variations saisonnières sont amorties dans les premiers mètres La température du proche sous-sol est égale à la moyenne des températures annuelles Ensuite, c’est le gradient géothermique qui contrôle la température Géothermie très basse énergie Exploitation de la chaleur souterraine Géothermie très basse énergie Les trois formes de géothermie superficielle les plus répandues Echangeur plan (échangeur horizontal) Echangeur vertical (sondes géothermiques) Forages sur nappe aquifère (doublet de production et d’injection) Echange d’énergie échange d’énergie et mobilisation de matière boucle fermée boucle ouverte Individuel Individuel Collectif &Tertiaire CHAMP DE SONDES Collectif &Tertiaire Géothermie très basse énergie Principe d’une pompe à chaleur (PAC) Diversité des besoins Profondeur Concept Conditions d’utilisation 0,5 à 1 m Capteurs horizontaux Pavillon avec jardin 1 à 10 m Puits Canadiens Préchauffage air VMC Individuel et collectif/tertiaire 1 à 20 m Fondations thermoactives Bâtiment important avec pieux géotechniques PAC sur aquifère superficiel Du particulier au grand collectif Contraintes hydrogéologiques Sondes verticales Maison individuelle Investissement substantiel Contraintes géologiques faibles Champs de sondes Habitat collectif, tertiaire… Capteurs profonds Réservé aux grands ensembles 10 à 100 m 50 à 100 m (ou plus) 50 à 100 m (ou plus) > 100 m - 2 000 m Les forages d’eau, production et injection Forage d’exploitation Forage d’injection Sens écoulement nappe Niveau piézométrique hors pompage Rabattement Nappe Substratum imperméable Surcote Les sondes géothermiques verticales (SCV) Avantages ¾Température du sol stable en profondeur jusqu’à 200 m ¾Nécessite très peu d’espace ¾Pas besoin d’eau Fonctionnement en boucles fermées Dimensionnement de sondes verticales > Dimensionnement de la puissance extraite du terrain : « règle du pouce » Puissance max soutirée par mètre linéaire de sonde verticale Terrains saturés : 50 W/m Terrains secs : 30 W/m Energie max prélevée (sinon appauvrissement de la ressource) Terrains saturés : 150 kWh/m/an Terrains secs : 100 kWh/m/an Dimensionnement de sondes verticales Baisse de température du terrain après 25 années de fonctionnement 0m -1°C -2°C -3°C Profondeur 100 m 0m Distance au forage 10 m Les échangeurs horizontaux Les échangeurs horizontaux base de calcul simple • « Règle du pouce » : superficie de l’échangeur = 1,5 à 2 fois la surface à chauffer • Dimensionnement : Norme allemande VDI4640 • Limite de la quantité de chaleur extraite sur 1 an : 50 à 70 kWh/m²/an • Profondeur d’enfouissement : 1,2 à 1,5 m • Boucles distantes d’au moins 40 cm Les échangeurs compacts (les corbeilles…) Avantages et inconvénients de la géothermie Avantages 9 Potentiel important (chaud froid) 9 Coefficient de performance constant (COP) 9 Energie locale ¾ source d’emploi locale ¾ Coûts de fonctionnement réduits, stables 9 Indépendante des variations climatiques ¾ Disponible 24 / 24 h ¾ Faible occupation foncière ¾ Peu d’émissions (CO2, NOx...) 9 Maturité technique Inconvénients 9 Doit être réalisés par foreurs habilités 9 Energie non transportable 9 Développement nécessite coordination (ressource épuisable) 9 Coûts de réalisation 9 Peu avoir impact sur milieu si mal réalisés Contexte géologique et potentiel géothermique en Rhône Alpes Carte géologique simplifiée de Rhône Alpes > > > Ages formations très étendus, plus ancien plus de 300 millions d’année (socle Alpes, Massif Central,) jusqu’au dépôt glaciaire de l’ère quaternaire récente Les roches rencontrées, roches cristallines, volcaniques, calcaires, marnes, argiles, sables, formations alluviales et glaciaires… Structure géologique d’effondrement sillon rhodanien séparant Massif Central des Alpes Modifié de Geothermal Education Office Différents types d’aquifère en Rhône Alpes Contexte karstique Différents types d’aquifères en Rhône Alpes ¾ Calcaires (dont contexte karstique) ¾ Alluvions des grands cours d’eau ¾ fluvio-glaciaires ¾ Molasse Valorisation du potentiel géothermique en Rhône Alpes ¾ Atlas du potentiel géothermique très basse énergie des aquifères ¾ Potentialité du sous-sol pour la mise en place de sondes géothermiques verticales ¾ Diffusion des résultats – mise en ligne Site internet potentiel géothermie en Rhône Alpes http://www.geothermie-perspectives.fr/ 9 9 Ne pas confondre : cartes du potentiel géothermique, avec cartes réglementaires des risques liés à la géothermie de minime importance Cartes ressources géothermiques Cartes de zones réglementaires Evaluation du potentiel géothermique très basse énergie des aquifères Evaluation du potentiel géothermique très basse énergie des aquifères Evaluation du potentiel du sous-sol pour la mise en place de SGV : choix de la méthode et des critères de potentialité géothermique – – – Pas possibilité de travailler en 3D déformation structurale trop importante pour connaître en tous lieux la coupe géologique Prise en compte lithologie Effondrement karstique, mouvement de terrain Evaluation du potentiel du sous-sol pour la mise en place de SGV : Potentialité géothermique Zone a priori favorable sous réserve d’étude confirmant le caractère adapté Zone incertaine nécessitant des études complémentaires Zone a priori défavorable sauf étude démontrant le caractère adapté Zone non concernée Particularités site internet Présence structure scientifique à enjeux CERN Pays de Gex Données minières Autres formes de géothermie en Rhône Alpes 20 forages pétroliers au meilleur potentiel Forages pétroliers et gradients géothermiques Autres formes de géothermie en Rhône Alpes Lacs Potentiel lacs pour surtout rafraîchissement /climatisation Léman (Genève Lac Nations) chauffage et climatisation Lac du Bourget prototype (société De profundis) fait en boucle fermée 6 lacs pré-selectionnés Autres formes de géothermie en Rhône Alpes Tunnels 25 ouvrages pré-selectionnés 40% 30% 20% 10% 70% 60% 50% 0 80% 2 100% 90% 4 6 8 10 12 % de la puissance totale récupérable 14 16 Challes‐Les‐Eaux (73) Vals‐Les‐Bains (7) Aix‐Les‐Bains_Marlioz (73) Evian‐Les‐Bains (74) Allevard‐Les‐Bains (38) Montbrun‐Les‐Bains (26) Saint‐Gervais (73) Uriage‐Les‐Bains (38) saint‐Laurent‐les‐bains (7) Neyrac‐Les‐Bains (7) Montrond‐Les‐Bains (42) Brides‐les‐bains (73) Thonon‐Les‐Bains (74) Salins‐Les‐Thermes (73) Divonne‐Les‐Bains (1) Aix‐Les‐Bains_Chevalley (73) La Léchère (73) Autres formes de géothermie en Rhône Alpes Eaux thermo-minérales 0% 18 Site internet potentiel géothermie en Rhône Alpes – Données accessibles à l’adresse http://www.geothermie-perspectives.fr/ Exemples Site internet potentiel géothermie en Rhône Alpes Exemples Site internet potentiel géothermie en Rhône Alpes Anneau CERN Réglementation Géothermie et régime légal des mines (1/2) Au-delà de 10 m de profondeur : déclaration de l’ouvrage au titre de l’article L 411.1 du code minier > 10 m GEOTHERMIE DE MINIME IMPORTANCE Régime déclaratif spécifique < 200 m et < 500 kW et temp. < 25 °C GEOTHERMIE BASSE TEMPERATURE Autorisation de recherches + Permis d’exploitation + AOTM (*) > 150 °C GEOTHERMIE HAUTE TEMPERATURE Permis exclusif de recherches + Concession d’exploitation + AOTM (*) Soultz (Alsace) : 200 °C en fond de puits à 5 000 m de profondeur et 180°C en tête de puits. Bouillante (Guadeloupe) : 250 °C en fond de puits à 1000 m de profondeur et 220 °C en tête de puits. (*) Autorisation d’ouverture de travaux minier : étude d’impact, enquête publique Géothermie et régime légal des mines (2/2) < 200 m et < 500 kW et temp. < 25 °C • GEOTHERMIE DE MINIME IMPORTANCE • Régime déclaratif spécifique décret 78-498 • GEOTHERMIE BASSE TEMPERATURE > 100 m ou > 232 kW et < 150 °C • Autorisation de recherches • Permis d’exploitation • AOTM (*) décret 2006-649 décret 78-498 • GEOTHERMIE HAUTE TEMPERATURE > 150 °C • Permis exclusif de recherches (PER) • Concession d’exploitation • AOTM (*) décret 2006-649 (*) Autorisation d’ouverture de travaux minier : étude d’impact, enquête publique 43 décret 2006-648 Décret n° 2015-15 du 8 janvier 2015 modifiant les décrets n° 78-498 et n° 2006-649 Principales modifications de la géothermie de minime importance : o profondeur < 200 m et eau < 25°C o puissance thermique récupérée < 500 kW o prélèvements et réinjections se font dans la même nappe o Débits réinjectés inférieurs au seuils d’autorisation de la rubrique 5.1.1.0 de l’article R.214-1 du code de l’environnement Prescriptions générales à respecter pour la réalisation des ouvrages norme NFX10-999 30 août 2014 Réalisation des forages par des entreprises qualifiées Définitions de zones à risques géologiques avec avis d’experts Date d’entrée en vigueur de la nouvelle réglementation : 1er juillet 2015 Arrêté qualification des entreprises de forage intervenant en matière de géothermie de minime importance Dispositions qui visent à s’assurer que les ouvrages soient mis en œuvre selon les règles de l’art par des entreprises de forage disposant des compétences professionnelles, techniques et financières. ¾ L’entreprise devra : fournir la preuve des ses compétences (a minima suivre une formation agréée), disposer des assurances correspondant à son activité, se soumettre à des contrôles, ... ¾ Organisme de qualification : Qualit’EnR Cartographie des zonages réglementaires : une France en 2 échelles et 3 couleurs. Echelle régionale Echelle régionale Rhône Alpes disponible fin 2016 en cours validation Préfet via DREAL zones rouges dans lesquelles la réalisation d’ouvrages de géothermie est réputée présenter des dangers et inconvénients graves et ne peut pas bénéficier du régime de la minime importance zones vertes qui ne présentent pas d’enjeux identifiés de protection ou des risques de l’environnement zones orange dans lesquelles un examen des projets au cas par cas est nécessaire Cartographie régionale : en fonction de l'usage (SGV ou nappe) pour 3 gammes de profondeur. 46
