Explorer le rôle de l’énergie géothermique dans l’avenir de l’énergie propre

L’électricité produite à partir de la chaleur naturelle du sous-sol pourrait devenir compétitive par rapport à l’électricité du réseau d’ici 2027 grâce à des systèmes géothermiques améliorés, bien qu’il faille encore prendre en compte les risques de tremblement de terre, ont constaté des chercheurs.

Historiquement, l’accès à l’énergie géothermique dépend des trois facteurs les plus importants de l’immobilier : l’emplacement, l’emplacement et l’emplacement. Les centrales géothermiques classiques nécessitant des roches chaudes et perméables ainsi qu’une abondance de fluides souterrains, l’utilisation de cette technologie s’est surtout limitée aux régions où le volcanisme était récent, comme le Japon, la Nouvelle-Zélande, les Philippines, le Kenya, le Salvador, l’Islande et l’ouest des États-Unis.

Toutefois, au cours des 50 dernières années, des techniques développées à l’origine pour les champs pétrolifères et adaptées aux « systèmes géothermiques améliorés » (EGS) ont offert la promesse d’exploiter des réserves profondes de chaleur naturelle sur une plus grande partie de la planète.

« L’énergie géothermique améliorée suscite beaucoup d’enthousiasme », a dit Roland Horne, professeur de sciences et d’ingénierie énergétiques à l’École de développement durable Doerr de Stanford, qui a réuni plus de 450 ingénieurs, scientifiques et gestionnaires de 28 pays au début du mois à l’occasion du 50e atelier géothermique de Stanford, afin d’échanger des idées et de présenter les résultats de projets menés dans le monde entier.

À ce jour, la quasi-totalité des applications des centrales géothermiques ont été utilisées à des fins de recherche dans des installations uniques à petite échelle, a déclaré M. Horne, qui a été invité à réunir une équipe d’auteurs pour rédiger un article de synthèse pour le numéro de février 2025 de Nature Reviews Clean Technology sur les centrales géothermiques et leur potentiel pour fournir de l’énergie à plus grande échelle.

Des millénaires après que les Romains eurent exploité la chaleur souterraine pour chauffer leurs bâtiments, et plus d’un siècle après que l’Italie eut mis en service la première centrale géothermique au monde, M. Horne et ses coauteurs notent que la géothermie contribue aujourd’hui à hauteur de 45 % à l’approvisionnement en électricité de certains pays, comme le Kenya. Mais elle ne représente encore que moins de la moitié de 1 % au niveau mondial. L’énergie solaire et l’énergie éolienne représentent plus de 25 fois cette contribution. Avec les centrales géothermiques, la géothermie peut désormais représenter une part bien plus importante des besoins énergétiques de l’humanité.

Un forage plus rapide réduit les coûts

Bon nombre des techniques de forage qui ont permis le boom du gaz de schiste au début des années 2000 ont été adaptées pour permettre à la géothermie de fonctionner dans davantage de régions à moindre coût, a déclaré M. Horne. Ces techniques comprennent le forage horizontal et la fracturation hydraulique, ou fracking, qui consiste à pomper des fluides à haute pression dans des puits forés dans et à travers des formations rocheuses à des milliers de pieds sous terre. La pression ouvre les fractures existantes dans la roche ou en crée de nouvelles, ce qui facilite l’écoulement du pétrole ou d’autres fluides vers la surface. Dans les systèmes géothermiques améliorés, le fluide est simplement de l’eau chaude provenant des réservoirs souterrains naturels.

Parmi les autres techniques adaptées, citons le forage de plusieurs puits à partir d’une seule plateforme afin d’accroître l’efficacité et de réduire les coûts. Les trépans à diamant synthétique, qui peuvent creuser efficacement dans la roche dure, se sont également révélés essentiels, permettant de réaliser un nouveau puits géothermique en quelques semaines au lieu de plusieurs mois.

« Forer plus vite fait une énorme différence pour l’ensemble de l’économie de l’EGS », a déclaré Horne, le professeur Thomas Davies Barrow à Stanford, qui siège également au conseil scientifique d’une société de développement géothermique amélioré cofondée par Tim Latimer, MS-MBA “17, et Jack Norbeck, PhD ”16, tous deux anciens élèves de Stanford.

S’appuyant en partie sur la modélisation menée par Mohammad Aljubran, étudiant en doctorat, Horne et ses coauteurs estiment que l’accélération des taux de forage pourrait rendre les systèmes géothermiques améliorés compétitifs par rapport aux prix moyens de l’électricité dans la majeure partie des États-Unis d’ici 2027, à environ 80 dollars le mégawatt-heure.

En Californie, qui tire actuellement environ 5 % de son électricité de la géothermie, les auteurs estiment que la capacité géothermique pourrait être multipliée par dix avec les systèmes géothermiques améliorés pour atteindre 40 gigawatts d’ici à 2045 et remplacer les combustibles fossiles pour l’électricité de base. Les centrales géothermiques viendraient ainsi compléter les énergies renouvelables intermittentes que sont l’énergie éolienne et l’énergie solaire, ajoutant de la stabilité à un réseau électrique décarbonisé.

« Avec les centrales géothermiques, nous pouvons répondre à la demande », a déclaré M. Horne, dont les coauteurs de l’article de synthèse du 31 janvier sont M. Norbeck et son ancien étudiant Mark McClure, cofondateur et directeur général d’une société qui commercialise des logiciels de modélisation des fractures pour les compagnies pétrolières, gazières et les centrales géothermiques. Les autres coauteurs sont William Ellsworth, professeur émérite de recherche en géophysique à la Doerr School of Sustainability, Eva Schill, qui dirige le programme des systèmes géothermiques du Lawrence Berkeley National Laboratory, et Albert Genter, directeur général adjoint de la géothermie à Électricité de Strasbourg, qui participe au développement commercial des projets de centrales géothermiques en France.

Atténuer les risques de tremblement de terre

Tout comme la fracturation pour le pétrole et le gaz, la fracturation des roches profondes pour accéder aux réservoirs géothermiques peut déclencher des tremblements de terre.

L’un des moyens évidents de réduire les risques est une fois de plus la localisation : Il suffit d’éviter de forer dans des zones sujettes aux tremblements de terre. Par exemple, il serait peu judicieux de construire un site au sommet de la faille de San Andreas, qui traverse dangereusement la Californie, a déclaré M. Horne.

Une deuxième approche consiste à surveiller la sismicité à l’aide d’un système connu sous le nom de protocole de feux de circulation. Si un événement sismique d’une certaine ampleur se produit, les exploitants ralentissent leurs forages. Les événements sismiques plus importants sont traités comme des feux rouges qui interrompent tous les forages et nécessitent un examen avant un éventuel redémarrage.

Selon M. Horne, une stratégie récemment mise au point pour limiter la sismicité consiste à créer de nombreuses petites fractures pendant le forage plutôt qu’une ou quelques fractures massives. La plupart des tremblements de terre associés aux EGS se sont produits lorsque de grandes fractures stimulées par l’homme sont remplies de fluide et activent des failles, qui sont des fractures naturelles dans la roche. « Une approche au goutte-à-goutte plutôt qu’à la lance à incendie peut réduire de manière significative le risque et l’ampleur de la sismicité induite », a ajouté M. Horne.

Lui et ses collègues espèrent que cette nouvelle étude encouragera la poursuite de la recherche et du développement des centrales géothermiques en tant que source d’énergie durable et fiable. « Les centrales géothermiques pourraient changer la donne en matière de production d’énergie verte, non seulement en Californie, mais dans l’ensemble des États-Unis et dans le monde entier », a conclu M. Horne. « L’exploitation en toute sécurité de la chaleur interne de la Terre pourrait contribuer de manière substantielle à alimenter notre avenir en énergie ».

Roland Horne, Albert Genter, Mark McClure, William Ellsworth, Jack Norbeck & Eva Schill / Nature Reviews Clean Technology
Article : Enhanced geothermal systems for clean firm energy generation – DOI: 10.1038/s44359-024-00019-9

Source : Stanford