Géothermie : fonctionnement, usages, chiffres clés

Par Florian Tostivint

Responsable éditorial - énergie

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La géothermie exploite la chaleur naturelle sous la surface de la Terre grâce à des techniques variées telles que l'extraction hydrothermale et l'utilisation de pompes à chaleur. Elle se décline en applications multiples : le chauffage collectif et individuel, la production d’électricité et même les bains thermaux. Elle offre une énergie renouvelable et inépuisable, faiblement émettrice de CO₂, d'une grande fiabilité et peut potentiellement être utilisée sur la majeure partie de la planète. Elle dépend néanmoins de conditions géologiques locales, qui représentent des coûts initiaux variables et généralement élevés.  Elle reste peu exploitée et représente environ 1 % de la consommation de chaleur en France.

Qu'est-ce que la géothermie ?

La géothermie est l'exploitation de l'énergie thermique stockée dans le sous-sol de la Terre. Elle utilise la chaleur naturelle présente dans les roches et les fluides souterrains pour produire du chauffage et, dans certains cas, de l'électricité. Cette source d'énergie renouvelable, pratiquement inépuisable à l'échelle humaine, permet de limiter les émissions de CO₂.

Comment récupérer la chaleur de la Terre ?

La récupération de la chaleur du sous-sol s’effectue à travers plusieurs techniques.

Dans le cas de la géothermie de surface, des forages ou des sondes horizontales permettent d’atteindre des aquifères situés à moins de 200 mètres de profondeur. Des échangeurs thermiques (murs géothermiques ou corbeilles) captent la chaleur contenue dans le sol et la transmettent à une pompe à chaleur.

En géothermie profonde, des doublets de forages – un puits de production et un puits de réinjection – sont utilisés pour extraire et restituer l’eau chaude. Ces installations s’accompagnent souvent de systèmes de régulation informatisés qui optimisent la performance en fonction des besoins énergétiques.

D’où vient la chaleur récupérée ?

La chaleur de la Terre provient essentiellement du résidu de la formation planétaire et de la désintégration radioactive d’éléments tels que l’uranium, le thorium et le potassium dans le manteau. Ce phénomène de radioactivité naturelle génère un gradient géothermique qui augmente avec la profondeur (en moyenne environ 30°C par kilomètre).

La composition géologique de la Terre, avec ses différentes couches (croûte, manteau, noyau), permet ainsi de disposer d’un vaste réservoir de chaleur exploitable selon la profondeur.

Les différents types

• Géothermie de surface : elle exploite la chaleur du sol à faible profondeur (jusqu’à 200 m) pour le chauffage direct ou via pompes à chaleur, avec des installations souvent intégrées dans les fondations des bâtiments ou via des sondes horizontales.
• Géothermie profonde : elle récupère l’énergie contenue dans des aquifères situés entre 500 et 3000 m de profondeur. Utilisée principalement pour le chauffage urbain, elle peut également produire de l’électricité sur des sites à haute température.
• Géothermie haute température : exploitée dans des zones volcaniques ou dans des réservoirs rocheux, elle permet la production d’électricité à partir de fluides dépassant 150 °C.

Avantages et limites

Points forts :

• Renouvelable et durable : la chaleur terrestre est inépuisable à l’échelle humaine. Elle ne laisse aucun déchet après utilisation et n'abime pas les paysages.
• Faible impact environnemental : les systèmes géothermiques émettent très peu de CO₂ et contribuent à la décarbonation du secteur énergétique.
• Disponibilité Stabilité : le sol présente une température quasi constante, garantissant des performances optimales indépendamment des conditions atmosphériques (même par temps froid). Elle est captable 24h/24, quelle que soit la saison. Par ailleurs, la géothermie à basse température est disponible dans presque tous les sous-sols de la planète.

On considère que les installations de géothermie de surface rejettent, en moyenne, 4 fois moins que l'électricité, 5 fois moins que le gaz naturel et 7 fois moins que le fioul pour satisfaire un même besoin de chauffage

Points faibles :

• Investissement initial élevé : le coût de forage et d'installation peut être important, nécessitant des financements adaptés.
• Dépendance aux caractéristiques géologiques : l'exploitation efficace dépend de la présence d’aquifères et de la composition du sous-sol, ce qui limite l’implantation géographique.
• Risques techniques : les opérations de forage et de réinjection exigent une expertise technique pointue et un suivi régulier pour éviter la dégradation de la ressource.
• Pas 100% renouvelable : ni intégralement autonome, car elle nécessite un générateur (donc de l’électricité).

Pour la production électrique, son rendement dépendra fortement des conditions géologiques, d'où une adoption inégale des technologies de par le monde.

Quant à la production de chaleur, le rendement peut être bon sur l'essentiel de la planète. Le prix pour installer une PAC géothermique se situe autour de 20 000€. Toutefois, le coût d’installation est éligible aux aides à la rénovation énergétique et se rentabilise au bout de quelques années 

Quelles sont les utilisations de la géothermie et leurs procédés ?

La géothermie s’utilise principalement pour le chauffage, la production d’électricité et pour l’animation thermale des bains. Chacune de ces applications repose sur des procédés techniques adaptés aux caractéristiques de la ressource et aux besoins spécifiques des utilisateurs.

Le chauffage

Dans le domaine du chauffage, la géothermie permet de fournir une chaleur constante pour les bâtiments individuels ou collectifs. Que ce soit via des réseaux de chaleur urbains ou des systèmes domestiques équipés de pompes à chaleur, cette énergie assure un confort thermique optimal tout en réduisant la dépendance aux énergies fossiles.

Chauffage collectif

Le chauffage collectif par géothermie repose sur la mise en place de réseaux de chaleur alimentés par de l’eau chaude extraite en profondeur. Des doublets de forages, comprenant un puits de production et un puits de réinjection, assurent l’extraction continue de la chaleur, qui est ensuite distribuée aux bâtiments via des canalisations enterrées.

Les procédés impliquent également l’installation d’échangeurs thermiques pour adapter la température et réguler la distribution. Parmi les avantages, on retrouve la stabilité de la ressource et des coûts de fonctionnement maîtrisés sur le long terme.

Pompe à chaleur

Les pompes à chaleur géothermiques exploitent l’énergie récupérée du sous-sol pour chauffer ou rafraîchir des bâtiments. En captant les calories via des sondes ou des échangeurs, la pompe à chaleur augmente la température de l’énergie récupérée grâce à un cycle thermodynamique, affichant souvent un coefficient de performance (COP) bien supérieur à celui des pompes à chaleur aérothermiques, ce qui multiplie l’énergie utile fournie par rapport à l’électricité consommée.

Ce procédé permet non seulement de chauffer en hiver mais aussi de rafraîchir en été, en inversant le cycle de fonctionnement. Une liste typique des étapes comprend : le captage de la chaleur, la compression du fluide frigorigène, le condensateur qui restitue la chaleur et enfin l’évaporation pour renouveler le cycle.

La production d'électricité

La production d’électricité par géothermie s’appuie sur des centrales géothermiques installées dans des zones à forte température, souvent en milieu volcanique ou dans des réservoirs rocheux profonds. Ces centrales utilisent la vapeur ou des fluides organiques pour actionner des turbines, générant ainsi de l’électricité en continu.

Les centrales géothermiques convertissent la chaleur terrestre en électricité via divers systèmes adaptés aux caractéristiques du fluide géothermal. Dans le cycle direct à contre-pression, la vapeur entraîne une turbine, puis est libérée ou utilisée pour la chaleur, permettant la cogénération. Le cycle direct à condensation améliore le rendement en condensant la vapeur après la turbine. Le cycle à vaporisation sépare vapeur et liquide, dirigeant chacun vers la turbine. Enfin, le cycle indirect à condensation utilise un échangeur thermique pour éviter la corrosion, transférant la chaleur à un fluide secondaire qui actionne la turbine.

Il existe deux méthodes pour produire de l’électricité par géothermie :

La géothermie naturelle en haute énergie : elle consiste en l'exploitation de l'eau chaude présente dans le sous-sol à haute température, sous forme de liquide ou de vapeur. Cette vapeur va servir à faire tourner une turbine, qui va produire de l’électricité, accouplée d’un alternateur.

La centrale de Bouillante en Guadeloupe, avec une puissance de près de 15,5 MWe, produit autour de 90 GWh par an. Les procédés de conversion thermique incluent le cycle flash (pour les fluides à haute température) et les cycles organiques (ORC) pour des températures plus modérées.

Le géothermie stimulée : l’eau est ici injectée dans le sous-sol pour y être réchauffée au contact des roches sèches et chaudes avant d'être captée grâce à des pompes par deux autres puits. Elle monte ensuite en surface et cède sa chaleur à un fluide qui se transforme en vapeur, laquelle va faire tourner la turbine.

La première centrale utilisant la géothermie profonde est celle de Soultz-sous-Forêts en Alsace, initiée en juin 2008.

Les bains thermaux

L’utilisation des ressources géothermiques pour les bains thermaux remonte à l’Antiquité, lorsque les sources chaudes étaient déjà prisées pour leurs vertus thérapeutiques. Aujourd’hui, des thermes modernes exploitent la chaleur naturelle pour alimenter des piscines, spas et centres de bien-être, souvent accompagnés de systèmes de réchauffement et de filtration innovants. Parmi les procédés, on peut citer l’exploitation directe des sources chaudes et l’injection de chaleur dans des circuits fermés, permettant de maintenir une température constante et agréable.

Quelle place pour la géothermie ?

En France, la géothermie représente aujourd’hui environ 2,1 TWh de chaleur produite et alimente déjà plusieurs dizaines de réseaux de chaleur urbains, principalement en Île-de-France et en Nouvelle-Aquitaine.

À l’échelle mondiale, elle demeure une ressource complémentaire avec un potentiel important encore largement sous-exploité, offrant des perspectives de développement majeures dans le contexte de la transition énergétique.

Dans le mix énergétique mondial

Au niveau mondial, la production d’électricité géothermique s’élève à environ 88–90 TWh par an, avec des leaders comme les États-Unis, l’Indonésie et les Philippines qui exploitent pleinement leur potentiel.

Pour le chauffage, la géothermie contribue significativement dans certains pays, notamment en Europe et en Amérique du Nord, où des réseaux de chaleur alimentés par la géothermie offrent une alternative stable et décarbonée aux énergies fossiles.

Le tableau ci-dessous montre l'évolution de la capacité installée de la production géothermique dans le monde entre 2000 et 2022 et sa croissance à travers différents continents. La capacité installée représente la puissance maximale qu'une infrastructure de production d'énergie peut générer en conditions optimales.