On distingue différents types de géothermies qui se distinguent par la température de l' "énergie" puisée (en réalité, la température de l'eau géothermale), donc par la profondeur des "gisements d'énergie" exploités. Ceci influe principalement sur les applications et le matériel par lequel on transforme l'énergie puisée.
La géothermie haute énergie concerne des gisements de vapeur sèche ou humide (mélange entre eau et vapeur), pour des températures comprises entre 150°C et 350°C. Ces gisements se trouvent généralement à des profondeurs allant de 1 000m à 3 000m sous les zones de volcanisme, ou de limites de plaques.
Des gisements de vapeur sèche sont donc exploités où la vapeur ainsi puisée va passer directement dans des turbines pour produire de l'électricité. En cas de vapeur humide, l'eau va précédemment passer dans un système permettant de séparer l'eau à l'état liquide de l'eau à l'état vapeur qui peut ensuite circuler dans les turbines. Cette vapeur peut ensuite être réinjectée, si l'installation le permet. Le schéma ci-dessous montre cette technique.
Une nouvelle technique est en cours de développement et de test afin de pouvoir utiliser, dans le cadre de la géothermie haute énergie, l'énergie présente dans des roches imperméables. Elle est illustrée par le schéma ci-dessous. Cette technique est pratiquement la même sauf que l'on injecte, de l'eau (à l'état liquide) qui, au contact avec la roche chaude et sèche, va s'évaporer. Cette vapeur est ensuite récupérée pour produire de l'électricité, de la même manière que la géothermie haute énergie classique. Cette technique est appelée "roches chaudes sèches" et est actuellement en test en Alsace.
La géothermie moyenne énergie concerne des gisements d'eau liquide dont la température se situe entre 90°C et 180°C. On trouve des gisements de ce type à moins de 1 000m de profondeur dans les zones volcaniques ou entre 2 000m et 4 000m de profondeur dans des zones à gradient géothermique (quasi-)normal, généralement dans des bassins sédimentaires.
Cette eau, n'étant pas assez chaude pour être vapeur, donc produire de l'électricité, et trop chaude pour chauffer (il est inutile de prélever une eau à 100°C pour chauffer à 30°C), on crée une dépression dans une enceinte fermée, afin que l'eau s'évapore et qu'on puisse la faire passer dans une turbine pour produire de l'électricité : c'est la technologie du cycle binaire. Cette technique a un gros inconvénient : le phénomène de cavitation peut se produire. En effet, en cas de décompression trop brusque, des bulles de vapeur peuvent se former dans l'eau (exactement comme lorsqu'on ouvre une bouteille d'eau gazeuse). Ces bulles d'eau peuvent imploser, augmentant ainsi brusquement la pression et la température au niveau de cette bulle. Ces augmentations peuvent provoquer des dégâts aux installations géothermiques. Pour éviter ce phénomène, l'eau est généralement remplacée, pour une eau à température inférieure à 140°C, par un fluide frigorigène, s'évaporant à moindre température, directement transformé en vapeur et par conséquent, la cavitation ne peut pas avoir lieu. Ce fluide passe ensuite dans des turbines pour produire de l'énergie. Pour ce type d'installation, il est évident que l'on n'injecte pas le fluide frigorigène dans le sous-sol terrestre. Ce fluide circule dans un circuit fermé passant par un échangeur thermique. L'eau géothermale est puisée puis donne son énergie au fluide frigorigène avant d'être réinjectée (la réinjection est généralement effectuée pour ce type d'installation).
La géothermie basse énergie concerne des gisements dont la température est comprise entre 30°C et 100°C. Ce type de gisements se trouve entre 1 000m et 2 500m de profondeur dans des bassins sédimentaires de grande dimension. Cette technique est illustrée par le schéma ci-dessous. L'eau géothermale est principalement utilisée pour le chauffage. Après extraction, elle cède son énergie, au moyen d'échangeurs thermiques (cf. photo d'un échangeur thermique de la centrale de Fresnes ci-dessous), à un circuit d'eau secondaire, puis est réinjectée (dans la majorité des cas). Ceci est dû au fait que l'eau extraite est généralement corrosive. L'eau circulant dans ce circuit secondaire est appelée eau géothermique (à la différence de l'eau extraite du sous-sol appelée eau géothermale ou fluide géothermal). Ceci est le cas général : lorsque l'eau géothermale est assez pure pour circuler dans des radiateurs sans les corroder, elle ne passe pas par des échangeurs thermiques.
Prenons le cas le plus courant : le cas de chauffage d'habitations par géothermie (comme c'est le cas de Fresnes), illustré par le schéma ci-dessous. Après un court trajet dans la ville du premier échangeur à l'habitation, l'eau va passer par un second échangeur, généralement au sous-sol de l'immeuble (appelé sous-station) avant que le troisième circuit ne distribue l'eau dans les radiateurs (ce passage par un second échangeur peut être justifié par des raisons pratiques : en effet, si il y a fuite des radiateurs, ou si il y a besoin de travaux ou de purge des radiateurs, l'ensemble du réseau n'est pas pénalisé). On pourrait imaginer un système où, après que l'eau géothermique soit passée dans les radiateurs, circulerait dans des installations de chauffage qui n'ont pas besoin d'autant d'énergie que le chauffage d'habitations par radiateurs, afin d'utiliser toute l'énergie mise à notre disposition. Par exemple, elle pourrait passer par des planchers chauffant, nécessitant une moindre température que les radiateurs, puis passe, par exemple, par un circuit de dégivrage des routes, ...
Une installation de géothermie basse énergie peut être utilisée avec une centrale de cogénération pour faire l'appoint de chaleur. Une centrale de cogénération produit de l'électricité et de la chaleur à partir d'énergies moins écologiques et plus traditionnelles que la géothermie, par exemple à partir de gaz ou de combustion de charbon, ... Une centrale de cogénération permet donc de faire l'appoint de chaleur sur une installation géothermique en cas de besoin, et de produire en même temps de l'électricité. On peut aussi ici imaginer une installation de cogénération très écologique : la centrale utilise la combustion des déchets ménagers pour sa production d'électricité qui servira à alimenter les pompes de la centrale géothermique qui produira de la chaleur dont l'appoint sera fait par la cogénération.
TPE réalisé par ASSABAH Bouchra, BERNIER Jérôme et DELANOUE Sacha.
19 septembre 2007 au 6 février 2008