L'énergie du sous-sol

Elle fournit une énergie neutre en carbone tout au long de l'année et, contrairement aux centrales électriques au charbon, au gaz ou à l'hydroélectricité, elle occupe un espace minimal, puisque la majeure partie de la centrale est située profondément sous la surface de la Terre. Dans le passé, cependant, les tremblements de terre provoqués par la stimulation hydraulique ont suscité des inquiétudes. Où en sommes-nous aujourd'hui ?

Plusieurs groupes de recherche de l'ETH Zurich travaillent d'arrache-pied sur les possibilités de l'énergie géothermique. Ils sont tous d'accord sur un point : l'énergie géothermique recèle un immense potentiel pour la Suisse. Le risque de tremblement de terre, qui varie d'une forme de géothermie profonde à l'autre, est également devenu beaucoup plus maîtrisable.

Toutes les énergies géothermiques ne sont pas égales

La géothermie est une technologie ancienne. Les sources thermales sont utilisées depuis l'époque romaine et, 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, les réseaux de chauffage urbain de Riehen, de Munich ou de Paris).

D'autres systèmes géothermiques modernes, appelés EGS (Enhanced Geothermal Systems), vont encore plus loin : là où il n'y a pas de couches de roches aquifères, la stimulation hydraulique est utilisée pour créer des fractures artificielles dans la roche cristalline profonde, offrant ainsi de l'espace pour l'eau. Cette eau se réchauffe et est pompée à la surface pour fournir de la chaleur ou produire de l'électricité.

Cependant, les EGS comportent également le risque de déclencher des tremblements de terre, comme cela s'est produit à Bâle en 2006. Bien que la stimulation ciblée et l'amélioration de la surveillance aient considérablement réduit ce risque, des défis subsistent : le forage est coûteux et n'est pas toujours couronné de succès, et les fractures dans la roche ont tendance à se refermer au fil du temps en raison des dépôts de minéraux.

Le système de feux de circulation est un moyen fiable de minimiser les risques

Stefan Wiemer, professeur au département des sciences de la terre et des planètes de l'ETH Zurich et directeur du Service sismologique suisse (SED), mène des recherches dans les profondeurs du sous-sol suisse, dans une installation connue sous le nom de BedrettoLab. Les scientifiques étudient de nouvelles méthodes pour rendre les EGS plus sûres, les chercheurs et chercheuses se concentrant sur de nombreuses petites stimulations contrôlées dans des zones isolées du trou de forage. «Nous avons besoin de petites vibrations pour créer des fractures dans la roche, mais nous devons à tout prix éviter les séismes plus importants», explique Stefan Wiemer.

Les résultats du BedrettoLab sont pris en compte dans les plans de la centrale géothermique pilote de la commune de Haute-Sorne, dans le canton du Jura. Les scientifiques de l'ETH Zurich ont également été chargés par le canton de surveiller l'activité sismique dans le cadre de ce projet.

Les capteurs installés dans les forages transmettent aux scientifiques de grandes quantités de données sismologiques et hydrauliques en temps réel. Un modèle d'apprentissage automatique spécialement développé calcule en permanence le nombre de tremblements de terre au-dessus d'un certain seuil auquel on peut s'attendre si la stimulation prévue se poursuit. S'il existe un risque de dépassement des seuils, le système tire immédiatement la sonnette d'alarme et suggère les ajustements à effectuer pour éviter les secousses majeures.

Stefan Wiemer souligne que le point de départ de l'EGS est très différent aujourd'hui de ce qu'il était il y a 20 ans. «Aujourd'hui, nous disposons de très bons mécanismes de contrôle. Cela est dû à l'amélioration de la collecte des données et à la capacité de l'intelligence artificielle à traiter d'énormes volumes de données en temps réel. Cela nous permet de mieux comprendre et de minimiser les risques, même si nous ne pouvons pas les exclure complètement», explique-t-il.

L'énergie de secours de la Terre

Martin Saar est professeur d'énergie géothermique et de géofluides au département des sciences de la terre et des planètes de l'ETH Zurich. Avec son équipe, il étudie également les moyens d'améliorer les systèmes géothermiques. Ils et elles ont une idée novatrice pour y parvenir : au lieu de créer des fractures dans la roche en injectant de l'eau, elles et ils prévoient de forer des systèmes entiers de tuyaux fermés dans le sous-sol. Cette méthode fonctionne quelle que soit la géologie et n'entraîne que le risque minimal habituel de tremblement de terre associé aux forages souterrains. Les tuyaux feraient alors circuler du CO₂ plutôt que de l'eau, ce qui augmenterait l'efficacité de la centrale géothermique. En profondeur, le CO₂ se réchauffe, se dilate et s'élève de lui-même, où il est détendu dans une turbine pour produire de l'électricité. Comme leur nom l'indique, ces systèmes géothermiques avancés (EGS) en circuit fermé profond constituent un circuit fermé, ce qui signifie qu'ils n'émettent pas de CO₂ opérationnel.

En l'absence de vent ou de soleil, les systèmes géothermiques avancés pourraient constituer une source d'énergie fiable et servir d'alimentation de secours. «Compte tenu de la demande croissante d'électricité en hiver, les EGS pourraient constituer une alternative écologique aux centrales de réserve au gaz à forte intensité de carbone dont on parle actuellement», explique Martin Saar.

L'inconvénient est le coût élevé du forage, mais il y a de l'espoir, car le coût du forage rotatif traditionnel a été considérablement réduit ces dernières années. Des travaux sont également en cours dans le monde entier, y compris dans l'équipe de Martin Saar, pour étudier des méthodes modernes de forage sans contact, utilisant par exemple la foudre ou les micro-ondes, qui pourraient réduire considérablement le coût des forages profonds à l'avenir.

Stockage à long terme du carbone et production d'énergie en un seul endroit

Un autre type d'énergie géothermique profonde est un système géothermique à volume de CO₂ (CPG) que le groupe de recherche de Martin Saar a inventé en 2009. À l'époque, ce dernier avait déjà constaté que de plus en plus de pays étaient intéressés par le stockage permanent du carbone dans des réservoirs géologiques afin de lutter contre le réchauffement de la planète : «À l'époque, je me suis demandé ce qui se passerait si nous pouvions non seulement pomper le CO₂ sous terre et le stocker de manière permanente, mais aussi l'extraire temporairement et l'utiliser pour produire de la chaleur ou de l'électricité.»

Le CO₂ injecté dans les couches profondes de la Terre pour y être stocké se réchauffe et s'écoule vers le haut. Il y actionne une turbine, se refroidit et redescend - un cycle fermé qui garantit que tout le CO₂ est stocké en permanence dans les profondeurs de la terre. L'utilisation du CO₂ comme vecteur d'énergie au lieu de l'eau, qui est plus visqueuse, augmente la production de chaleur - et donc d'électricité - généralement par un facteur de deux à trois. Un autre avantage est que, comme la chaleur est extraite du réservoir géothermique, ce qui réduit la pression des fluides interstitiels, une plus grande quantité de CO₂ peut être stockée dans le réservoir souterrain.

Le développement du concept CPG se poursuit au sein d'un consortium CPG (https://geg.cpg.ethz.ch/) que Martin Saar a fondé en 2023, en collaboration avec des partenaires industriels tels que Shell, Petrobras, Holcim et Ad Terra Energy, et qui bénéficie également du soutien de l'Office fédéral de l'énergie. Le consortium CPG évalue actuellement différents sites pour une première usine pilote afin de démontrer la faisabilité technique à l'échelle commerciale.

Utiliser la Terre comme une batterie

Mais les sondes géothermiques ne servent pas seulement à extraire la chaleur du sous-sol, elles peuvent aussi être utilisées pour injecter de la chaleur, comme c'est le cas en Suisse, par exemple, où les sondes géothermiques sont fréquemment utilisées comme moyen de chauffage durable des bâtiments. Selon Maren Brehme, chercheuse au sein de l'équipe de Martin Saar, la géothermie de moyenne profondeur (jusqu'à plusieurs centaines de mètres) présente un potentiel supplémentaire pour faire progresser la transition thermique en Suisse. «En ce qui concerne la production de chaleur, en particulier, la Suisse est encore fortement dépendante du gaz, et donc de l'étranger», explique Maren Brehme.

Avec cette forme d'énergie géothermique, la chaleur excédentaire de l'été ou des processus industriels est acheminée sous terre par des forages, stockée dans la roche, puis pompée à nouveau en hiver et utilisée pour le chauffage. Ce procédé a déjà été mis en œuvre avec succès dans des pays comme les Pays-Bas, où il est utilisé pour chauffer des serres. Aujourd'hui, Maren Brehme et son équipe souhaitent adapter ce procédé aux conditions géologiques de la Suisse. Au BedrettoLab, les scientifiques étudient comment stocker la chaleur dans les roches cristallines.

Ici aussi, les coûts de forage sont encore relativement élevés et les connaissances sur le sous-sol suisse sont insuffisantes, ce qui augmente le risque de ne pas trouver une 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 fait l'objet d'études aussi approfondies que dans d'autres pays. Nous devons combler ces lacunes dans nos connaissances», explique Maren Brehme.

Dans l'ensemble, elle estime toutefois que les perspectives de la géothermie en Suisse sont bonnes : les technologies de forage s'améliorent et deviennent de plus en plus abordables, les obstacles réglementaires sont levés et les premières compagnies d'assurance ont commencé à proposer une couverture contre les risques liés au forage. De plus, les sondages montrent que la population est généralement ouverte à la géothermie.