Le sous-sol d'Alsace recèle des atouts naturels exceptionnels pour la production de chaleur et d'électricité renouvelables, notamment grâce à la géothermie. Cette méthode innovante consiste à capter l'eau chaude présente dans les réservoirs naturels du fossé rhénan.
Depuis 2016, ÉS (Electricité de Strasbourg) est à l'avant-garde du développement de la géothermie haute température en Alsace, exploitant deux centrales dans le Bas-Rhin : à Soultz-sous-Forêts et à Rittershoffen.
Le site de géothermie profonde de Soultz-sous-Forêt est un pionnier mondial dans son domaine. Depuis 1985, il s'agissait d'un laboratoire expérimental, devenu aujourd'hui un site industriel produisant de l'électricité renouvelable à partir d'eau chaude (près de 200°C) naturellement présente à 3.500 mètres de profondeur.
Le principe de la géothermie profonde
Le projet Soultz, situé à 50 km au nord de Strasbourg, est un projet de recherche à long terme qui vise le développement d’une nouvelle forme de géothermie (dite Géothermie profonde des roches fracturées ou géothermie HFR - Hot Fractured Rocks).
Le principe de base est le suivant : il s’agit de profiter de la fracturation naturelle que présentent en profondeur certains sites pour créer un échangeur thermique profond et chaud, constitué d’un réseau de fractures dans lequel circulerait de l’eau injectée depuis la surface par un forage.
L’eau se réchauffant au contact des roches serait ensuite captée par un ou plusieurs autres forages, puis réinjectée dans l’échangeur par le biais du premier forage après exploitation, en surface, de son contenu énergétique.
A Soultz, la chaleur est recherchée entre 4.500 et 5.000 mètres de profondeur, là où la température des roches fracturées dépasse les 200 °C (Voir schéma ci-contre). L’eau présente est ramenée en surface grâce à une pompe de production.
La température attendue du fluide naturel, une fois les 4,5 km parcourus dans le tubage, est d’environ de 180°C, le débit de 35 litres/s par puits de production.
Une fois l’eau remontée, on lui enlève les calories en la diffusant à travers un échangeur de chaleur, elle est ensuite renvoyée dans son milieu d’origine par un puits d’injection. De retour à 5.000 m de profondeur, elle se fraye un chemin dans le réseau de fractures existant, pour s’y réchauffer avant d’être récupérée à nouveau par un des deux puits de production distants chacun d’environ 500 mètres du puits d’injection.
Géothermie à Soultz-sous-Forêts : Du site laboratoire au site industriel...
Historique et développement du site de Soultz-sous-Forêts
De 1984 à 2008, le site de Soultz-sous-Forêts a permis de mettre au point les techniques aujourd’hui utilisées partout dans le monde pour la géothermie haute température en sous-sol fracturé. Le site compte une quinzaine de puits d’exploration ayant servi à la recherche, dont 3 allant jusqu’à 5000 mètres de profondeur.
Sur ce site, les ingénieurs ont compris que l’eau géothermale naturellement présente dans ces profondeurs pouvait être remontée en surface pour y récupérer sa chaleur et que la profondeur de forage la plus adaptée à la géothermie haute température se situait autour de 2500 m.
Les premiers kilowattheures électriques ont été produits le 13 juin 2008 après 24 années de recherche et 80 millions d’euros d’investissement et de fonds de recherche européen.
Le site laboratoire de Soultz-sous-Forêts a donné lieu à une soixantaine de doctorats et plusieurs centaines de publications scientifiques. Après plusieurs années de recherche et d'exploration du sous-sol alsacien, le projet expérimental de centrale géothermique de Soultz-sous-forêts a enfin vu le jour.
Fonctionnement de la centrale géothermique
Une fois la bonne connexion entre les puits de forage (fig.5.) et le réservoir souterrain d'eau géothermale réalisé il faut pouvoir ensuite pomper l'eau géothermale afin d'en extraire les calories : les calories passent alors de l'eau géothermale à 200°C vers un fluide intermédiaire : l'isobuthane (fluide caloporteur). Celui-ci servira à transformer la chaleur en électricité (fig.
L'eau de la première boucle est chaude et pompée par les puits GPK 2 et/ou GPK 4 et elle transmet ses calories à l'isobuthane en passant par un échangeur de chaleur. Au sein de la seconde boucle, l'isobuthane qui a reçu les calories de l’eau se détend à l'entrée de la turbine, et, en passant à l'état gazeux libère une importante énergie mécanique, ce qui fait tourner la turbine reliée au générateur électrique.
L'isobuthane passe ensuite par les aérocondenseurs afin d'être refroidit. Il est possible, par un calcul simple, de réaliser une estimation de la quantité d'énergie thermique que l'on peut obtenir à partir du transfert de chaleur des roches vers l'eau que l'on récupère de la profondeur (Fig. 8).
Si on considère un volume de roche de 1km3 perdant 20°C au profit de l'eau et sachant que la masse volumique du granique est d'environ 3000 Kg/m3 et sa capacité thermique de 837 J/Kg/K il est possible de réaliser une application numérique. La quantité d'énergie obtenue est alors de 5,0.1016 J.
Afin d'avoir un élément comparatif on peut convertir cette grandeur en Tep (Tonne équivalent pétrole). Une Tep vaut 42 GJ.
La centrale de géothermie de Soultz-sous-Forêts pourra produire 12.000 MWh d'électricité par an, soit la consommation d'environ 2.400 logements. Elle permettra d'économiser 950 tonnes de dioxyde de carbone par an, ce qui correspond aux émissions annuelles de près de 950 voitures."C'est une technologie sécurisante pour le sol sous nos pieds, et pour les populations", précise Marc Kugler, le directeur général du groupe Electricité de Strasbourg.
Implication locale et perspectives d'avenir
ÉS ambitionne de développer les projets de géothermie sur le territoire et d’être un acteur pivot de la valorisation de la filière industrielle lithium en Alsace et dans le Grand Est, en partenariat avec Eramet. D'ici 2030, ÉS veut produire 15 % de l'électricité du territoire avec la géothermie.
Les perspectives de la géothermie répondent aux défis de la transition énergétique en Alsace. Elles offrent aussi des opportunités pour un lithium durable. ÉS avance dans ces projets en étroite collaboration avec les élus du territoire pour favoriser l’acceptabilité des citoyens.
L'entreprise s'engage à informer régulièrement le public sur l'avancement de ses projets à travers des journées portes ouvertes, des réunions d’information pour les élus, une exposition sur la géothermie, des bulletins d'information et des mises à jour sur son site internet.
Le rôle des acteurs et du financement
Le projet est né d’un accord de coopération franco-allemand signé en 1987, suite à des travaux préliminaires conduits par le BRGM avec le soutien de l’Ademe pour la France et par le Geologisches Landesamt du Bade-Wurtemberg pour l’Allemagne. La Commission européenne s’est intéressée au projet et a contribué à son financement dès 1989.
Depuis 1995, le projet est conduit par un GEIE (le GEIE « Exploitation Minière de la Chaleur ») qui assure la maîtrise d’ouvrage et regroupe des industriels français et allemands producteurs et/ou distributeurs d’électricité. La présidence du GEIE est assurée par le Directeur Général d’Electricité de Strasbourg.
De nombreuses équipes scientifiques françaises (BRGM, CNRS, universités) et allemandes (BGR, GGA, Mesy, GTC, Stadtwerke Bad Urach), mais aussi suisses, anglaises, japonaises, américaines participent aux travaux scientifiques. Elles sont pour la plupart regroupées ou représentées au sein de l’« European Hot Dry Rock Association » qui assure le pilotage et la coordination scientifique du projet.
L’Ademe est présente sur ce programme depuis son origine. Elle a assuré l’essentiel du financement français et organisé les différents audits du programme aux étapes cruciales.
Potentiel et perspectives
Les conditions hydrogéologiques un peu particulières nécessaires au développement de la technologie décrite limitent le potentiel économiquement accessible. Néanmoins, en Alsace, ces conditions semblent être réunies sur une superficie de 4.000 km², ce qui représente un potentiel d’énergie électrique à produire exploitable de façon pérenne de 2.000 à 3.000 MW, en limitant l’exploitation à 5 % environ de la surface favorable.
Sur le reste du territoire français, des conditions assez similaires se retrouvent dans le couloir rhodanien et dans la plaine de la Limagne, avec des potentiels équivalents.
Le projet de centrale pilote à caractère scientifique et expérimental de géothermie profonde de Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin) produira ses premiers kW d'énergie renouvelable en janvier 2008 avec une centrale de production d'électricité de 1,5 MWe.
La géothermie consiste à utiliser la chaleur de l'intérieur de la Terre pour le chauffage ou la production d'électricité. En France, par exemple, le Bassin Rhénan d'Alsace présente un gradient géothermal jusqu'à 10°C par 100 mètres. Ainsi, à 5 km sous le continent, la température atteint les 250°C.