Les ressources naturelles des profondeurs

La géothermie offre une source d’énergie neutre en CO2 disponible toute l’année, tout en nécessitant moins d’espace que les centrales à charbon, à gaz ou hydrauliques, puisque la majeure partie des installations est située en profondeur, sous la surface terrestre. Par le passé, les séismes induits par la stimulation hydraulique ont suscité des inquiétudes. Mais qu’en est-il aujourd’hui ?

Plusieurs groupes de recherche de l’EPFZ explorent activement le potentiel de la géothermie. Leur constat est unanime : cette ressource représente un atout majeur pour la Suisse. Par ailleurs, le risque sismique, qui varie selon les techniques de géothermie profonde, est désormais bien mieux maîtrisé.

La géothermie est une technologie ancienne. Les Romains utilisaient déjà des sources thermales. Aujourd'hui encore, les eaux souterraines chaudes qui circulent dans des réservoirs naturels sont utilisées pour produire de la chaleur dans le cadre de systèmes hydrothermaux - par exemple pour le réseau de chauffage urbain de Riehen, Munich ou Paris. D'autres systèmes géothermiques modernes - appelés EGS (Enhanced Geothermal Systems) - vont plus loin : en l'absence de couches rocheuses aquifères, des fissures artificielles sont créées par stimulation hydraulique dans la roche cristalline profonde, ce qui laisse de la place pour l'eau. Cette eau se réchauffe et est ensuite pompée à la surface pour fournir de la chaleur ou produire de l'électricité.

Mais les BSE comportent également le risque de déclencher des tremblements de terre, comme ce fut le cas à Bâle en 2006. Certes, le risque a fortement diminué grâce à une stimulation ciblée et à une meilleure surveillance, mais des défis subsistent : Les forages sont coûteux et ne sont pas toujours couronnés de succès, et les fissures dans la roche ont tendance à se refermer avec le temps à cause des dépôts de minéraux.

Au plus profond de la roche suisse, dans ce qu'on appelle le BedrettoLab, l'équipe de Stefan Wiemer, professeur au département des sciences de la Terre et des planètes de l’EPFZ et directeur du Service sismologique suisse (SED), recherche de nouvelles méthodes pour rendre les EGS plus sûrs. Pour cela, les chercheurs misent sur de nombreuses petites stimulations contrôlées dans des zones isolées du puits de forage. « Nous avons besoin de petites secousses pour créer des fissures dans la roche. Mais il faut éviter à tout prix les secousses plus importantes », relève Stefan Wiemer. Les connaissances acquises au BedrettoLab sont désormais prises en compte dans la planification de la centrale géothermique pilote de la commune de Haute-Sorne, dans le canton du Jura. Dans le cadre de ce projet, les scientifiques de l’école polytechnique se chargent également de la surveillance sismique pour le compte du canton.

Des capteurs placés dans les puits de forage transmettent en temps réel de grandes quantités de données sismologiques et hydrauliques aux chercheurs. Un modèle d'apprentissage automatique spécialement développé à cet effet calcule en permanence, sur la base de ces données, le nombre de séismes dépassant une certaine valeur limite auxquels il faut s'attendre si la stimulation prévue se poursuit. Si les valeurs limites risquent d'être dépassées, le système donne immédiatement l'alerte et fait des propositions sur les adaptations à effectuer pour éviter des secousses plus importantes.

Stefan Wiemer souligne que la situation de départ pour EGS est très différente de celle d'il y a 20 ans. « Aujourd'hui, nous avons de très bons mécanismes de contrôle. Et ce, grâce à une meilleure collecte des données et aux possibilités offertes par l'IA de traiter d'énormes volumes de données en temps réel. Cela permet de mieux comprendre et de minimiser les risques, mais pas de les exclure totalement », explique-t-il.

Martin Saar est professeur d'énergie géothermique et de géofluides au département des sciences de la Terre et des planètes de l’EPFZ. Lui et son groupe font également des recherches sur la manière d'améliorer les systèmes géothermiques. Pour ce faire, ils poursuivent une idée innovante : au lieu de créer des fissures dans la roche en injectant de l'eau, ils prévoient de forer des systèmes de tuyaux fermés entiers en profondeur dans le sous-sol.

Cela fonctionne indépendamment de la géologie et ne comporte que les risques sismiques minimes habituels des forages souterrains. Ce n'est pas de l'eau, mais du CO2 qui circulerait dans les tuyaux, ce qui augmenterait le rendement de la centrale géothermique. Dans le sous-sol profond, le CO2 se réchauffe, se dilate et monte de lui-même. Il est ensuite directement dilaté dans une turbine pour produire de l'électricité. Étant donné que ces systèmes géothermiques avancés en boucle fermée profonde (AGS) constituent un circuit fermé, ils n'ont aucune émission opérationnelle de CO2.

Les AGS pourraient fournir une source d'énergie fiable en l'absence de soleil et de vent et servir de « puissance de secours ». « Compte tenu de l'augmentation des besoins en électricité en hiver, les AGS pourraient constituer une alternative respectueuse du climat aux centrales à gaz de réserve à forte émission de CO2 dont il est actuellement question », relève M. Saar.

Cependant, les coûts de forage élevés constituent encore aujourd'hui un inconvénient. Mais il y a de l'espoir, car les coûts du forage rotary traditionnel ont pu être réduits de manière significative au cours des dernières années. De plus, des travaux sont menés dans le monde entier sur des méthodes de forage modernes et sans contact, comme la foudre ou les micro-ondes, ce qui pourrait réduire énormément les coûts du forage profond à l'avenir. 

Un autre type de géothermie profonde est ce que l'on appelle les systèmes CO2-Plume Geothermal (CPG), que le groupe de recherche de Saar a inventé et fait breveter en 2009. Martin Saar a observé qu'à l'époque déjà, de plus en plus d'États s'intéressaient au stockage durable du CO2 dans des réservoirs géologiques afin de lutter contre le réchauffement climatique : « Je me suis alors demandé ce que cela donnerait si nous pouvions non seulement pomper ce CO2 dans le sous-sol et le stocker durablement, mais aussi le faire remonter temporairement et l'utiliser pour produire de la chaleur ou de l'électricité ».

Le CO2 injecté dans les couches profondes de la terre pour être stocké se réchauffe et s'écoule vers le haut. Là, il fait tourner une turbine, se refroidit et redescend - un circuit fermé qui garantit que tout le CO2 est stocké à long terme dans les profondeurs du sous-sol. L'utilisation du CO2 à la place de l'eau, plus visqueuse, comme source d'énergie, permet en outre de multiplier par deux ou trois la production de chaleur et donc d'électricité. Autre avantage : le fait d'extraire la chaleur du CO2 permet d'en stocker davantage dans le sous-sol.

Le concept CPG est développé en collaboration avec des partenaires industriels, tels que Shell, Petrobras, Holcim et Ad Terra Energy. Le consortium CPG, créé en 2023 et soutenu par l'Office fédéral de l'énergie, évalue actuellement différents sites pour une première installation pilote afin de démontrer la faisabilité technique à une échelle commerciale.

Mais les sondes géothermiques peuvent être utilisées non seulement pour extraire la chaleur du sous-sol, mais aussi pour l'emmagasiner. C'est le cas en Suisse, où les sondes géothermiques sont souvent utilisées pour chauffer des bâtiments de manière durable. Selon Maren Brehme, chercheuse au sein du groupe Saar, la géothermie de moyenne profondeur (jusqu'à plusieurs centaines de mètres) offre un potentiel supplémentaire pour faire progresser le tournant thermique en Suisse. « C'est justement pour la production de chaleur que la Suisse est encore fortement dépendante du gaz et donc de l'étranger », développe le chercheur.

Dans cette forme de géothermie, la chaleur excédentaire en été ou issue de processus industriels est amenée dans le sous-sol par des forages, stockée dans la roche, puis pompée en hiver et utilisée pour le chauffage - un procédé déjà utilisé avec succès dans des pays comme les Pays-Bas par exemple pour le chauffage des habitations. Brehme et son équipe souhaitent maintenant adapter ce procédé à la Suisse et aux conditions géologiques locales. Dans le BedrettoLab, les scientifiques étudient comment la chaleur peut être stockée dans la roche cristalline.

Ici aussi, les coûts de forage sont encore relativement élevés et on en sait trop peu sur le sous-sol suisse. Cela augmente le risque de ne pas trouver de perméabilité suffisante dans le sous-sol. « La Suisse n'a pratiquement pas de gisements de pétrole ou de gaz. C'est pourquoi le sous-sol n'a jamais été autant exploré que dans d'autres pays. Nous devons combler ces lacunes de connaissances », ajoute-t-il.

Dans l’ensemble, les perspectives pour la géothermie en Suisse sont prometteuses, selon elle. Les technologies de forage progressent, devenant à la fois plus efficaces et économiques. Les obstacles réglementaires sont peu à peu levés, et des assurances commencent à proposer des couvertures contre les risques liés au forage. Par ailleurs, les sondages révèlent que la population est, en principe, favorable à cette source d’énergie.