Project Topics
Get Complete Project Material File(s) Now! »
L’énergie géothermique dans une transition énergétique écologique
Depuis une transition énergétique économique
Une transition énergétique décrit des changements dans les sources d’ap-provisionnement en énergie primaire. L’exemple universellement vécu de ce type de changement a été la transition entre des combustibles traditionnels issus de la biomasse (bois, résidu de culture), et des combustibles fossiles (pétrole, gaz natu-rel, charbon). La figure 3 montre que cette transition énergétique s’est effectuée sur plusieurs décennies. Elle donne un aperçu du temps pouvant être nécessaire à la mise en place d’une telle transition.
La découverte de combustibles fossiles, tel que le charbon ou le pétrole brut, a rendu leurs utilisations attrayantes car la quantité d’énergie fournie par unité de masse est beaucoup plus importante que la plupart des ressources de biomasse (Tableau 1).
Lorsque les combustibles fossiles sont disponibles et que la densité de population est relativement faible, la croissance économique n’est pas alors limitée par le manque de ressource énergétique. Cependant, ces dernières années, une crois-sance démographique accrue et une augmentation de la consommation moyenne d’énergie ont modifié ces conditions.
Vers une transition énergétique écologique
Entre 1850 et 2010, la population est passée de 1.3 milliards d’habitants à 6.9 mil-liards (Fig 4). La population mondiale va continuer de croître, à un rythme rapide. Selon les estimations actuelles, entre les années 2000 et 2050, la population pas-sera de 6.1 milliards à 9.6 milliards. A cela s’ajoute une augmentation importante de la consommation d’énergie par habitant et par an. En effet, aujourd’hui, cette consommation d’énergie est 15 fois plus importante qu’en 1850 (voir Fig 4).
L’analyse de bulles d’air conservées dans des glaciers de l’Antarctique et du Groen-land montre que 5,000 ans avant la civilisation préindustrielle les concentrations atmosphériques de CO2 ont fluctué entre 250 et 290 partie par million (ppm). Au-jourd’hui, la concentration de CO2 dans l’atmosphère est surveillée en permanence à l’observatoire de Mauna Loa (Hawaï). Depuis 1950, une nette augmentation est observable. La moyenne annuelle mondiale est passée de 316 ppm à 400 ppm (Fig 5).
En 1988, dans le but de synthétiser des études scientifiques sur le climat, l’ONU forme le Groupe d’experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC). En 2007, le GIEC affirme que le réchauffement climatique depuis 1950 est « très probablement » dû à l’augmentation des gaz à effet de serre d’origine anthropique. En 2014, le degré de certitude est passé à « extrêmement probable ». En 2021, le GIEC évoque une responsabilité « sans équivoque » de l’Homme dans les chan-gements climatiques. Ce dérèglement climatique accélère donc les ambitions de développer des énergies renouvelables avec des programmes comme le European Green Deal (https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_fr), ou le Sustainable Energy for All (https://www.seforall.org/). Mar-quant ainsi une volonté de tendre vers des énergies bas carbone, ces choix poli-tiques dessinent une nouvelle transition énergétique, écologique. Cette volonté est accentuée lorsque des événements naturels montrent à la civilisation moderne sa vulnérabilité. Même si l’effet direct du déclin des émissions de CO2 par la pandémie du SRAS-CoV-2 est négligeable (Forster et al. 2020), ces événements permet-traient d’accélérer la transition énergétique de certains pays. Alors qu’en 1850 la transition énergétique a été motivée par de meilleurs rendements économiques, aujourd’hui, cette nouvelle transition énergétique est motivée par la nécessité de limiter nos émissions de CO2, et donc par l’utilisation de ressources bas-carbone.
Une transition énergétique écologique
Quelques énergies bas-carbone
Parmi les ressources énergétiques bas-carbone, le nucléaire est mentionné comme étant une alternative majeure aux combustibles fossiles. L’énergie produite par la fission d’atomes n’émet pas de CO2, mais elle nécessite des installations très lourdes. Le principal risque de l’utilisation de l’énergie nucléaire est le Maximum Credible Accident (MCA). Même si les scientifiques et les ingénieurs tentent de minimiser ce risque, les accidents de Three Mile Island (États-Unis), en 1979, de Tchernobyl (Ukraine), en 1986, et de Fukushima (Japon), en 2011, ont mis en évi-dence des conséquences désastreuses sur l’Homme et l’environnement.
L’autre problème majeur de l’utilisation de l’énergie nucléaire est la gestion des déchets radioactifs. En 2013, EDF estime qu’après 40 ans d’exploitation du parc nucléaire français, le volume de déchet de vie longue (concentrant 99.9% de la radioactivité) est de 6,700 m3. A titre de comparaison, un gymnase municipal de taille moyenne (34 m de long, 28 m de large, 8 m de hauteur) a un volume de 7,616 m3. Si après 40 ans d’exploitation, le volume de déchet les plus radioactifs paraît faible par rapport à l’énergie produite, à ce jour, les problèmes liés à la gestion de ces déchets ne sont pas résolus.
Dans ce contexte, l’énergie solaire et l’énergie éolienne peuvent être des énergies alternatives. Bien que dans la production d’énergie, la quantité de CO2 relâchée dans l’atmosphère soit nulle, ce sont des énergies assujetties aux conditions clima-tiques et météorologiques (Goldenberg, 2000; Tester et al. 2006), et dont l’emprise au sol est importante. Par exemple, le complexe de Noor Ouarzazate (Maroc) s’étend sur 30,000 m2 (voir Fig 6). Même si la production d’électricité est différente, à titre de comparaison, une centrale géothermique équipée d’aérocondenseurs, de puits, et d’un bassin, a une superficie globale 10 fois moins importante. En sus d’avoir une faible emprise au sol, l’énergie géothermique ne dépend pas des con-ditions climatiques et météorologiques.
De plus, la quantité d’énergie présente dans la croûte terrestre est plus que suffi-sante pour satisfaire au besoin énergétique mondial. En effet, considérant toutes activités humaines confondues, l’Agence Internationale de l’Énergie estime à 0.432 EJ (1 EJ = 1018 J) la consommation mondiale d’énergie. Dickson and Fanelli (2013) estiment que la quantité d’énergie géothermique dans la croûte terrestre est de 5.
L’énergie géothermique
En tant que ressource énergétique, l’utilisation de la géothermie est an-cienne. Il y a 2000 ans les habitants de Pompéi l’utilisaient pour chauffer des habi-tations. En 1332, la ville de Chaudes-Aigues (France, Massif central) a développé le premier système de chauffage urbain alimenté par des eaux chaudes de 82°C. En 1904, P. G. Conti lance la première production d’électricité à partir de la géo-thermie, à Larderello (Italie, Toscane). Par la suite, hormis quelques exceptions, l’énergie géothermique n’a pas joué un rôle important dans la production d’électri-cité avant la seconde moitié du XXe siècle. En quelques exemples, la centrale de Wairakei en Nouvelle-Zélande a été mise en service en 1958. En 1960, le centre The Geysers, dont la capacité est aujourd’hui de 1517 MW, est ouvert aux États-Unis, au Nord de San Francisco. Celle de Cerro Prieto, au Mexique, ouvre en 1970, et a aujourd’hui une capacité de 820 MW. En comparaison avec l’énergie nucléaire, en France, plus de la moitié des réacteurs nucléaires ont une puissance d’environ 900 MW (www.edf.fr).
Aujourd’hui, l’énergie géothermique est utilisée comme ressource énergétique re-nouvelable dans plus de 90 pays (Lund et al. 2020). Dans le monde, la capacité installée pour la production d’électricité est de 16.0 GWe, correspondant à une pro-duction annuelle d’électricité de 95 GWh (Huttrer, 2020; Lund et al. 2020, www.thinkgeoenergy.com). L’énergie géothermique peut être utilisée pour produire de l’électricité, mais également pour l’utilisation de la chaleur. Des classifications permettent de séparer les différents types de géothermie.
Classification de l’énergie géothermique
En se basant sur la température, les systèmes géothermaux sont classés en quatre catégories :
– La géothermie Très Basse Température (T < 30°C). Ce type de géothermie est utilisé pour le chauffage individuel, ou le collectif réduit.
– La géothermie de Basse Température (30°C < T < 90°C). Ce type de gise-ment se trouve à quelques centaines de mètres de profondeur et jusqu’à 2500 m. On en retrouve dans des bassins sédimentaires, riches en roches poreuses (des grès ou des sables), permettant aux fluides de circuler libre-ment. La géothermie BT est utilisée en pisciculture, en chauffage collectif ou individuel.
– La géothermie Moyenne Température (90°C < T < 150°C). Ce type de gise-ment se trouve à moins de 1 km de profondeur dans des zones volcaniques, ou entre 2 km et 4 km de profondeur dans des bassins sédimentaires. La géothermie MT est utilisée dans un cadre industriel, ou dans le séchage de produits agricoles.
– La géothermie Haute Température (T > 150°C). Habituellement, ces gise-ments se situent entre 1 km et 3 km de profondeur, au niveau des zones volcaniques, ou des limites de plaques tectoniques. La géothermie HT est principalement utilisée pour la production d’électricité. Cette étude se place dans cette dernière catégorie. Nous allons nous intéresser à des cibles géo-logiques hébergeant potentiellement des gisements géothermaux de HT. Ces cibles peuvent se retrouver au niveau des zones volcaniques, en limite de plaques, mais également dans d’autres contextes géologiques. Avant cela, regardons à grande échelle, les contextes géologiques et géodyna-miques aujourd’hui reconnus comme étant favorables à l’émergence de ces réservoirs.
Contrôle géodynamique et structural des systèmes géothermaux de Haute Température
Contrôle géodynamique
En première approche les sources d’eaux chaudes et les fumerolles sont des indices géologiques de surface pour l’exploration de systèmes géothermaux de HT. A l’échelle du globe, la répartition de ces indices de surface va dépendre du contexte géodynamique. La classification de Moeck (2014), reprise par Jolie et al. (2020), définit un ensemble de contextes géodynamiques et de modes de transfert de chaleur favorables au développement des systèmes géothermaux de HT (Fig 7).
Table of contents :
Introduction Générale (version française)
1 Évolution des concepts
2 L’énergie géothermique dans une transition énergétique écologique
2.1 Depuis une transition énergétique économique
2.2 Vers une transition énergétique écologique
2.3 Une transition énergétique écologique
2.3.1 Quelques énergies bas-carbone
3 L’énergie géothermique
3.1 Classification de l’énergie géothermique
4 Contrôle géodynamique et structural des systèmes géothermaux de Haute Température
4.1 Contrôle géodynamique
4.2 Contrôle structural
5 Les Enhanced (ou Engineered) Geothermal System
6 Les Zones de Failles Crustales (ZFC) comme systèmes géothermiques électrogènes 55
7 Objectifs et méthodologies
General Introduction (english version)
1 Evolution of geothermal concepts
2 Geothermal energy in an environmental energy transition
2.1 From an economic energy transition
2.2 Towards a green energy transition
2.3 Green energy transition
2.3.1 Some low-carbon energies
3 Geothermal energy
3.1 Classification of geothermal energy
4 Geodynamic and structural control of HT geothermal systems
4.1 Geodynamic control
4.2 Structural control
5 The Enhanced (or Engineered) Geothermal System
6 Crustal Fault Zones (CFZ) as geothermal power systems
7 Objectives and methodologies
Chapter II : Geodynamics and geothermal system
1 The Earth, a thermal engine
2 Heat fluxes in Europe and France
3 Geological setting of the French Massif Central
3.1 Variscan history
3.2 Mesozoïc history
3.3 Cenozoïc history
4 Geothermal setting of the “La Sioule” licence
4.1 Spring and magma chamber
4.2 Surface heat flux and heat production
4.3 Magnetotelluric data
Chapter III : Hydrothermal circulation in crystalline basement: critical parameters, driving forces and large-scales numerical modelling
1 The permeability
1.1 Permeability, a control parameter for fluid flow and heat transfer within the Earth’s crust 113
1.1.1 Fluid flow control
1.1.2 Heat transfer control
1.1.21 In a homogeneous porous medium
1.1.22 In a fractured medium
1.2 Spatial variation of permeability
1.2.1 Permeability variation with depth
1.2.2 Permeability variation within a fault zone
1.2.3 Spatial variation of permeability within fault zones at different scales of observations, from the fractal to the constructal theory
1.3 The dynamic permeability
2 The driving forces involved in the fluid flow within a fault zone
2.1 The buoyancy forces
2.2 The pressure gradients
2.2.1 Topography effects
2.2.2 Tectonic stresses
3 Large-scale numerical modelling of fault zones constrained by a multidisciplinary approach
Chapter IV : Some controlling and limiting factors on fluid flow, within a Crustal Fault Zone, in a basement domain
1 Equation and benchmarking
1.1 Governing equations
1.1.1 Equations used in the Thermal and Hydraulic (TH) models
1.1.2 Equations used in the Thermal Hydraulic and Mechanical (THM) models
1.2 Benchmarking
2 Dip and permeabilty effects of CFZ on fluid flow
2.1 Geometry boundary conditions and meshing
2.1 Results
3 Stress direction, stress intensity, and permeability effects on fluid flow within CFZ
3.1 Geometry, boundary conditions and meshing
3.2 Results
4 Discussion
4.1 Dip and permeability effects on fluid flow within CFZ
4.2 Stress direction, stress intensity, and permeability effects on fluid flow within CFZ
5 Tectonic regimes as a control factor for crustal fault zone geothermal reservoir in an amagmatic system
Chapter V : Geothermal potential of the Pontgibaud Crustal Fault Zone (French Massif Central) – a Multidisciplinary Approach
1 Geological setting
1.1 Geological formation
1.2 Structural setting
1.2.1 Famennian to late Namurian (365 Ma-315 Ma)
1.2.2 Early to late Stephanian (305-295 Ma)
1.2.3 Permian to Jurassic (295-205 Ma)
1.2.4 Cretaceous to late Pliocene (96-2.5 Ma)
1.2.5 Present-day stress regime
1.3 Structure favorable features for fluid circulation in the «La Sioule» licence
1.3.1 The Sillon Houiller fault zone
1.3.2 The Aigueperse-Saint-Sauves fault zone
1.3.3 The Pontgibaud Fault Zone
1.4 Geothermal setting of the Pontgibaud area
1.4.1 Spring and magma chamber
1.4.2 Surface heat flux and heat production
1.4.3 Magnetotelluric data
2 Materials and methods
2.1 Field, structural observations, and Peyrouses 1 borehole sampling
2.2 Laboratory observations and measurements
2.3 Numerical modelling approach
2.3.1 Meshing geometry and boundary conditions of 2D TH Pontgibaud large-scale numerical modelling
2.3.2 Meshing geometry and boundary conditions of 3D THM Pontgibaud large-scale numerical modelling
3 Results
3.1 Structure characterization of the « La Sioule » licence
3.2 Structure characterization of the Pontgibaud Fault Zone
3.3 Synthesis of fields observations and measurements
3.4 Laboratory observation
3.4.1 Thin-section observations (2D observations)
3.4.2 X-Ray Microtomography Observations (3D observations)
3.5 Laboratory measurements
3.5.1 Porosity and Permeability measurements
3.6 Synthesis of field and laboratory observations and measurements: an introduction to large-scale numerical modelling
3.6.1 Field, thin-section and X-Ray microtomography observations for permeability spatial variation (X, Y)
3.6.2 Borehole observations and permeability measurements for permeability spatial variations (X, Z)
3.7 Numerical Approach
3.7.1 Rayleigh number analysis
3.7.2 2D TH numerical modelling of the Pontgibaud Crustal Fault Zone
3.7.21 Finding the right R and Kf combination for Pontgibaud Crustal Fault Zone
3.7.22 Combining geophysical data and numerical results
3.7.3 3D THM numerical modelling of the Pontgibaud Crustal Fault Zone
4 Discussions
4.1 Origin and effects of heterogeneities
4.2 Controlling fluid flow factors within the Pontgibaud Crustal Fault Zone
4.3 Positive temperature anomaly on the Pontgibaud CFZ
Chapter VI : General discussion, limitations and perspectives
1 A multidisciplinary approach
2 Why use numerical modelling?
2.1 Choice of boundary conditions
3 Control and limiting factors on fluid flow within CFZ in basement domain
3.1 Structural dip effect on fluid flow within CFZ
3.2 Permeability ratio effect on fluid flow within CFZ
3.3 Effect of topography on fluid flow within CFZ
3.4 What effect(s) have fault intersections on fluid flow within CFZ’s?
3.5 Comparison of the numerical parametric study results with large-scale numerical modelling
3.5.1 2D study with a TH coupling
3.5.2 3D study with a THM coupling
4 Darcy’s law limits and representative permeability of CFZ
4.1 Darcy’s law limits
4.2 Representative permeability of CFZ
5 Geothermal potential of CFZ
