Passage à l’énergie géothermique

Quiconque a déjà jeté un coup d’œil dans la caldera d’un volcan en activité sait qu’il y a là une grande puissance latente. De temps en temps, nous en avons un aperçu. L’éruption du mont Tambora, en Indonésie, en 1815, a été dix fois plus puissante que celle, plus célèbre, du mont Krakatau (Krakatoa)[1], en 1883, et a provoqué un nuage de sulfate si massif qu’il a submergé la Terre. Elle a refroidi les températures et perturbé les régimes climatiques à tel point que les récoltes ont été très mauvaises et que la famine a sévi[2].

Plus récemment, l’éruption du mont Saint Helens aux États-Unis en 1980 a libéré 24 mégatonnes d’énergie thermique, soit l’équivalent de 1 600 fois la taille de la bombe atomique larguée sur Hiroshima[3] en 1945.

L’énergie géothermique, dérivée de la chaleur stockée dans la Terre elle-même, offre une occasion unique d’exploiter les immenses réservoirs d’énergie que recèle notre planète. Le département de l’Énergie des États-Unis estime que les États-Unis possèdent à eux seuls une quantité étonnante de ressources thermiques (5 térawatts), suffisante pour répondre aux besoins énergétiques de l’ensemble de la planète.[4].

Contrairement à d’autres sources d’énergie renouvelable, l’énergie géothermique offre à la fois de l’électricité et de la chaleur, ainsi qu’un potentiel d’extraction de minéraux à valeur ajoutée. En tant que source d’électricité, l’énergie géothermique permet une production fiable avec un rendement élevé, de faibles émissions de gaz à effet de serre et une empreinte écologique réduite. Lorsqu’elle est correctement gérée, elle devient une source d’énergie durable, évolutive et dont les coûts d’exploitation sont faibles. En fournissant directement de la chaleur, elle augmente l’efficacité et réduit la consommation d’électricité à des fins de chauffage et de refroidissement.

Malgré ces avantages inhérents, le développement de l’énergie géothermique est confronté à des défis qui ont entravé ses progrès, même dans les régions où les ressources sont facilement accessibles.

Les projets géothermiques sont souvent confrontés à des délais de développement plus longs, nécessitant d’importantes dépenses initiales en capital et présentant un risque élevé au cours des phases initiales d’exploration[5]. D’autres obstacles sont liés aux questions de financement, aux cadres politiques et réglementaires, à l’expertise institutionnelle et technique et à la nécessité de faire des progrès sur le plan technologique. Ces défis affectent à la fois la production d’électricité et les applications de chauffage, entravant la réalisation du plein potentiel de l’énergie géothermique à ce jour.

Pourtant, la situation évolue rapidement, grâce à une technologie innovante et à des programmes de financement plus imaginatifs.

Prenons l’exemple du Japon[6]. Après l’incident nucléaire de Fukushima en 2011, le gouvernement a renouvelé son soutien aux énergies renouvelables par le biais d’un programme de subventions et de tarifs de rachat. En offrant des prix préférentiels et des contrats à long terme aux développeurs de projets, les tarifs de rachat encouragent la fourniture d’électricité d’origine géothermique au réseau national. Ce qui a permis la construction de plus de 60 centrales géothermiques, produisant chacune jusqu’à 2 Mwe (mégawatts électriques), dans 45 champs géothermiques. Ce qui distingue ces petites centrales électriques géothermiques – et qui pourrait en faire un modèle pour d’autres projets – c’est leur profil de risque plus faible, leurs exigences réduites en matière d’investissement et la possibilité de commencer à fonctionner sans devoir entreprendre des explorations approfondies.

Comment fonctionne l’énergie géothermique ?

L’énergie géothermique exploite la chaleur stockée dans la croûte terrestre. Elle s’obtient en forant le sol et en extrayant la chaleur à l’aide de liquides, qui sont ensuite renvoyés en surface. À la surface, l’énergie est extraite du fluide et convertie en électricité ou utilisée directement sous forme de chaleur.

L’énergie géothermique est présente à différentes profondeurs et températures, les systèmes hydrothermaux étant les plus développés. Ces systèmes utilisent l’eau comme vecteur de la chaleur qui circule dans les roches perméables en profondeur.

Les différentes possibilités d’utilisation de l’énergie géothermique dépendent de sa température, qui est classée en trois catégories : à haute énergie (supérieure à 150 °C), moyennes à basse énergie (90-150 °C) et à très basse énergie (inférieure à 90 °C).

Les ressources à haute température sont idéales pour la production d’électricité, tandis que les ressources à température moyenne sont utilisées pour le chauffage des locaux, les processus industriels et les applications agroalimentaires. Les ressources à basse température sont utilisées pour le chauffage direct des bâtiments et les applications thermiques telles que les spas et les piscines[7].

Électricité géothermique

Les principales technologies de centrales électriques utilisées pour transformer l’énergie géothermique en électricité sont la vapeur sèche, la vapeur flash et le cycle binaire[8]. Les centrales à vapeur sèche extraient la vapeur directement du réservoir géothermique, qui est ensuite dirigée vers une turbine à vapeur couplée à un générateur pour produire de l’électricité. La vapeur d’échappement est évacuée dans un condenseur afin d’optimiser l’efficacité. Dans les petites unités, les installations à contrepression rejettent la vapeur d’échappement directement dans l’atmosphère, ce qui constitue une solution plus simple et plus rentable.

La technologie à vapeur flash, utilisant des liquides géothermiques biphasés, est la méthode la plus utilisée dans les usines géothermiques actuellement dans le monde entier. Ce processus consiste à transformer le liquide géothermique en vapeur à travers des puits et dans des réservoirs à basse pression, en séparant la composante vapeur de la composante liquide. La vapeur est relâchée dans une turbine couplée à un générateur pour produire de l’électricité. L’évacuation de vapeur est acheminée vers un condenseur ou rejetée dans l’atmosphère. Il est possible de produire de l’électricité supplémentaire en réinjectant de nouveau le composant liquide séparé dans les réservoirs géothermiques.

Les centrales à cycle binaire transfèrent la chaleur du liquide géothermique à un liquide de travail secondaire dont le point d’ébullition est plus bas, produisant ainsi de l’électricité par le biais d’un système en boucle fermée. Les centrales binaires peuvent fonctionner à des températures plus basses et ont l’avantage de pouvoir produire de l’électricité à partir de ressources géothermiques dont la température peut aller jusqu’à 70 °-80 °C.

Les générateurs de tête de puits, unités modulaires produisant moins de 10 MWe, offrent une solution attrayante pour générer très tôt des revenus pendant la phase de développement d’un champ géothermique. Ils utilisent les puits existants, ce qui réduit le temps du retour sur investissement, et présentent des avantages tels que des réseaux plus courts et des périodes d’installation plus courtes que les centrales électriques à plus grande échelle.

Changement de donne potentiel pour les marchés émergents

Plus de 80 pays, dont plusieurs marchés émergents, sont déjà d’importants producteurs d’énergie géothermique. En 2022, l’Indonésie était le deuxième producteur mondial avec 2 356 MW, suivie des Philippines (1 935 MW), de la Turquie (1 682 MW), du Mexique (963 MW) et du Kenya (944 MW)[9]. Certains de ces pays restructurent désormais leurs cadres financiers afin d’attirer d’autres investissements et d’accélérer le rythme de développement de l’énergie géothermique.

Ces économies émergentes reconnaissent le potentiel de l’énergie géothermique et adoptent des objectifs ambitieux pour augmenter sa part dans leur bouquet énergétique. L’Indonésie, qui dépend fortement du charbon pour sa production d’électricité, vise à produire 23 % de son électricité à partir de sources renouvelables d’ici à 2025. Pour soutenir cet objectif, le gouvernement a alloué un budget d’investissement substantiel à Pertamina Geothermal Energy (PGE), un développeur géothermique appartenant à l’État. PGE devrait recevoir 250 millions USD en 2023, avec un financement qui devrait atteindre 1,6 milliard USD d’ici 2027. Cet investissement permettra à PGE d’étendre sa capacité géothermique d’environ 700 MW à 1 300 MW[10].

Pour attirer les investissements, l’Indonésie recherche activement des partenariats avec des entreprises étrangères. Mitsubishi Power, par exemple, s’est associé à PGE pour construire une unité 55 MW à la station Lumut Balai Unit 2, avec le soutien de l’Agence de coopération internationale du Japon.

PGE et Exergy en Italie ont également signé un protocole d’accord pour étudier le co-développement de la géothermie dans le pays[11]. L’Italie est le huitième plus grand producteur d’énergie géothermique au monde.

L’Indonésie encourage également les partenariats avec des sociétés des Émirats arabes unis, telles que Masdar, qui a réalisé son premier investissement géothermique en acquérant des actions dans le cadre de l’offre publique initiale de PGE.

Les Philippines se sont également engagées à tirer parti de l’énergie géothermique dans le cadre de leurs efforts pour atteindre leur objectif de faire en sorte que les énergies renouvelables représentent 50 % de leur bouquet énergétique d’ici à 2040[12]. Le pays prévoit d’augmenter sa capacité géothermique de 75 % au cours de cette période et élabore actuellement des politiques visant à stimuler le développement du secteur. Par exemple, Philippine Geothermal Production Company, détenue par le conglomérat local SM Investments, a annoncé son intention de développer cinq nouveaux projets géothermiques, pour une capacité supplémentaire de 250 à 400 MW. Pour attirer les investissements étrangers, le gouvernement a levé l’obligation de propriété locale, permettant aux sociétés étrangères de détenir 100 % de ces actifs.

Le Kenya a non seulement construit la première centrale géothermique d’Afrique, mais a également, en 2020-2021, généré 48 % de son électricité à partir de sources géothermiques. Et cela ne vas pas s’arrêter là. Le pays s’est fixé des objectifs ambitieux en matière de développement écologique et entend porter sa capacité géothermique actuelle de 944 MW à 1 600 MW d’ici à 2030 et à 10 000 MW d’ici à 2037, soit dix fois plus que sa capacité actuelle[13].

À l’instar de l’Indonésie, le pays souhaite bénéficier des investissements et du savoir-faire étrangers. Il a accueilli le Forum des affaires et des investissements géothermiques Italie-Kenya en mars 2023 et a signé des accords avec la société australienne d’énergie renouvelable Fortescue Future Industries et le producteur d’énergie indépendant Globeleq pour investir dans l’énergie verte et l’industrie manufacturière. Ces plans comprennent une installation d’énergie verte et d’engrais 300 MW à Naivasha qui sera alimentée par des sources géothermiques[14].

Relever le défi financier

Ces initiatives sont extrêmement encourageantes. L’un des principaux facteurs qui ont freiné le développement de l’énergie géothermique jusqu’à présent est son coût. Si vous ne disposez pas des fonds nécessaires, vous devez créer les structures financières qui vous permettront d’attirer et d’assurer la participation d’investisseurs qui s’engagent sur le long terme. Les projets géothermiques doivent devenir une classe d’actifs qui peut raisonnablement figurer dans le portefeuille d’une institution d’investissement conventionnelle, telle qu’un fonds de pension.

L’Agence internationale pour les énergies renouvelables (IRENA), entre autres, l’a reconnu et a créé une plateforme appelée l’Alliance mondiale de la géothermie pour lancer le partage des connaissances et la coordination entre les producteurs d’énergie géothermique du monde entier.

Son rapport le plus récent, Geothermal market and technology assessment[15] (Évaluation du marché de la géothermie et des technologies au niveau mondial) note que les projets géothermiques nécessitent un capital initial important et comportent des risques inhérents, ce qui se traduit par un profil d’investissement particulier. Pour obtenir un financement pendant la phase de développement, il est d’usage d’établir des contrats d’achat d’électricité (Power Purchase Agreements, PPA) de longue durée allant de 15 à 25 ans.

Les types de mesures qui peuvent être employées au niveau gouvernemental pour améliorer cette situation comprennent des allègements fiscaux et des exonérations sur les dépenses d’investissement pour l’équipement, ainsi que sur les dépenses d’exploitation, afin de rendre l’énergie géothermique plus compétitive par rapport à d’autres sources, et des subventions directes. Comme l’a montré le Japon, les tarifs de rachat sont un autre moyen de combler l’écart de coût entre la géothermie et les autres sources d’énergie en offrant des prix préférentiels et des contrats de longue durée aux promoteurs de projets géothermiques.

La gestion des risques est un autre facteur clé, d’autant plus qu’il y a eu de rares cas où les développements géothermiques ont déclenché des tremblements de terre. En 2017, par exemple, un développement en Corée du Sud a catalysé un tremblement de terre de magnitude 5,5[16]. Il est donc nécessaire de mettre en place des systèmes d’atténuation des risques, de garantie et d’assurance qui tiennent compte des incertitudes et des risques associés aux projets géothermiques, notamment les risques liés au sous-sol lors des forages d’exploration et la baisse de la productivité des puits. La contribution des projets géothermiques à la réduction des émissions de carbone peut également être une source de revenus sur le marché du carbone par la vente de crédits carbone.

Avancées technologiques

L’une des limites de la puissance géothermique est qu’elle est confinée aux régions volcaniques ou aux zones proches de plaques tectoniques, telles que la « ceinture de feu du Pacifique »[17], ainsi que les lignes de faille de la Méditerranée et de l’Afrique de l’Est, où les fissures existantes dans le noyau terrestre permettent à la vapeur de se former près de la surface.

Des considérations similaires ont jusqu’à présent limité le développement de l’une des sources d’énergie géothermique les plus puissantes, à savoir les systèmes géothermiques améliorés (Enhanced Geothermal Systems, EGS). Les EGS utilisent les ressources géothermiques de réservoirs plus profonds qui ne sont généralement pas économiquement viables en raison de la faible perméabilité de la roche environnante. Dans les EGS, des fluides sont injectés dans le sol à grande vitesse pour fracturer les roches profondes (ce que l’on appelle la « fracturation hydraulique »), créant ainsi des passages pour que l’eau atteigne les profondeurs et les gisements accessibles, en surmontant les limites de la perméabilité. L’avantage des EGS est que l’énergie géothermique peut produire de l’électricité partout où il y a de la chaleur dans le sous-sol. Mais cela coûte cher.

Tout cela est peut-être sur le point de changer grâce à la technologie de forage mise au point par Quaise Energy[18], une start-up basée aux États-Unis spécialisée dans la géothermie. En réutilisant la technologie actuelle du gyrotron, généralement utilisée dans la recherche sur la fusion nucléaire, le système de Quaise Energy permet de forer jusqu’à 19 kilomètres sous la surface, en exploitant des sources d’énergie géothermique très profondes dont les températures dépassent 400 °C. Cette technologie révolutionnaire élimine le besoin de fracturation hydraulique, évitant ainsi le risque de tremblements de terre associés à d’autres systèmes géothermiques. De plus, la technique de forage de Quaise devrait être rapide et efficace, permettant de réaliser des forages en 100 jours à l’aide des gyrotrons de 1 MW disponibles actuellement.

Quaise Energy se fixe des objectifs ambitieux pour le développement de sa technologie de forage. D’ici 2024, elle prévoit de faire une démonstration de son système sur le terrain, puis de procéder à l’extraction de vapeur en 2026 et de le commercialiser en 2028. Elle vise à atteindre un coût actualisé de l’énergie (Levelized Cost of Electricity, LCOE) compris entre 20 et 40 USD par mégawattheure. L’énergie géothermique serait ainsi en concurrence directe avec les prix les plus compétitifs de l’énergie éolienne et solaire, ce qui en ferait une option énergétique économiquement viable et respectueuse de l’environnement. Avec la possibilité de forer plus profondément et d’exploiter des ressources géothermiques à plus haute température, l’approche de Quaise Technology pourrait rendre l’énergie géothermique accessible aux pays du monde entier, quelle que soit leur activité tectonique.

L’avenir de la technologie des combustibles fossiles

Un autre avantage de l’énergie géothermique est qu’elle peut « s’appuyer » sur l’infrastructure et l’expérience de l’exploration souterraine de l’industrie des combustibles fossiles. Par exemple, Quaise Energy prévoit de convertir des centrales électriques au charbon désaffectées en centres de charge de base géothermiques, en tirant parti de leur capacité et de leurs raccordements au réseau. La reconversion des gisements d’hydrocarbures abandonnés est une autre voie possible pour la production d’énergie géothermique. La société indienne Cairn Oil & Gas, par exemple, a signé un accord avec Baker Hughes pour produire de l’énergie géothermique à partir de ses champs au Rajasthan[19].

Mieux que les batteries

La recherche montre que la technologie des EGS a le potentiel de stocker l’énergie excédentaire des sources solaires et éoliennes plus efficacement que les batteries lithium-ion[20]. Une collaboration entre l’Université de Princeton et le développeur géothermique, Fervo Energy, par exemple, a démontré que les réservoirs géothermiques profonds peuvent stocker l’énergie excédentaire sous forme d’eau chaude ou de vapeur. Cette chaleur stockée peut ensuite être utilisée pour produire de l’électricité lorsque des sources renouvelables ne sont pas disponibles. La capacité de stockage des réservoirs géothermiques est un avantage supplémentaire sans encourir de coûts supplémentaires pendant la construction. Cette avancée pourrait permettre aux centrales géothermiques de la prochaine génération de s’écarter du modèle d’exploitation traditionnel de la charge de base et d’apporter une valeur significative en tant que fournisseurs d’énergie éolienne et solaire, soutenant ainsi les trois technologies renouvelables.

Face aux développements en matière de financement et de technologie, il est clair que la géothermie a un bel avenir devant elle. Bien qu’elle soit confrontée à sa part de défis, son développement fait l’objet d’une dynamique et d’investissements croissants, ce qui indique que des progrès sont réalisés.

En 2021, la production mondiale d’énergie géothermique a atteint 16 gigawatts (GW). Cela peut sembler modeste comparé à l’impressionnante capacité de la plus grande centrale hydroélectrique du monde, le barrage des Trois Gorges, qui peut produire jusqu’à 22,5 GW, mais je suis convaincu que l’énergie géothermique dispose d’un immense pouvoir inexploité dont on commence à peine à prendre conscience.

Grâce à des efforts et à des investissements continus, la géothermie a la possibilité d’étendre son empreinte et de contribuer de manière significative au bouquet énergétique mondial. Malgré les défis qui restent à relever, la croissance constante des projets dans le monde entier démontre la reconnaissance croissante des avantages de l’énergie géothermique en tant que source d’énergie fiable et renouvelable. En exploitant la chaleur naturelle de la Terre, l’énergie géothermique peut jouer un rôle essentiel dans la réalisation d’un avenir durable et à faible émission de carbone pour notre planète.

[1]   L’éruption du Tambora, bien que dix fois plus puissante que celle du Krakatau (à 1 450 kilomètres de là), est moins connue, en partie parce que les nouvelles ont voyagé à la vitesse des voiliers, ce qui a limité sa notoriété. Le Krakatau est entré en éruption en 1883, après l’invention du télégraphe, qui a permis de diffuser rapidement la nouvelle.

[2]   https://experts.illinois.edu/en/publications/itamborai-ithe-eruption-that-changed-the-worldi#:~:text=When%20Indonesia’s%20Mount%20Tambora%20erupted,for%20more%20than%20three%20years

[3]   https://pubs.usgs.gov/fs/2000/fs036-00/

[4]   https://www.energy.gov/articles/doe-launches-new-energy-earthshot-slash-cost-geothermal-power

[5] https://www.irena.org/Publications/2023/Feb/Global-geothermal-market-and-technology-assessment

[6] https://www.irena.org/Publications/2023/Feb/Global-geothermal-market-and-technology-assessment, page 32

[7] https://www.irena.org/Publications/2023/Feb/Global-geothermal-market-and-technology-assessment, page 14

[8] https://www.irena.org/Publications/2023/Feb/Global-geothermal-market-and-technology-assessment, page 16

[9] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[10] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[11] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[12] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[13] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[14] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[15] https://www.irena.org/Publications/2023/Feb/Global-geothermal-market-and-technology-assessment

[16] https://www.rff.org/publications/explainers/geothermal-energy-101/

[17] https://education.nationalgeographic.org/resource/plate-tectonics-ring-fire/

[18] https://www.energymonitor.ai/tech/geothermal-can-provide-half-the-worlds-energy-quaise-energy-ceo/

[19] https://oxfordbusinessgroup.com/articles-interviews/how-tech-can-unlock-geothermal-energy-in-emerging-markets/

[20] https://www.weforum.org/agenda/2022/11/geothermal-renewable-energy-storage/