La géothermie (du grec ancien , « Terre », et , « chaleur ») est à la fois la science étudiant les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et l'ensemble des techniques visant à exploiter cette énergie renouvelable. Elle consiste à capter la chaleur issue du noyau terrestre, généralement à partir de nappes d'eau chaude naturelles ou en injectant de l'eau dans des roches pour en extraire l'énergie thermique. Celle-ci est utilisable directement pour le chauffage, la balnéothérapie, des usages agricoles, ou transformée en électricité dans des centrales géothermiques. La géothermie peut aussi rafraîchir ou produire du froid, plus économiquement et écologiquement que les climatiseurs classiques (solution bas carbone, sans rejet de chaleur dans l’air extérieur, et donc sans contribution à l'effet d’îlot de chaleur urbain).
La géothermie remonte à la Préhistoire, des usages thermaux étant attestés dès le Paléolithique, puis elle se développe dans l'Antiquité en Chine, dans la Rome antique ou à Bath au Royaume-Uni. Au , la géothermie est une composante importante de la transition énergétique dans plusieurs régions du monde, notamment en Islande, aux États-Unis et en Île-de-France, où elle alimente des réseaux de chaleur urbains.
La production électrique à partir de géothermie ne représente qu'environ 1 % de la consommation mondiale d'électricité en 2024. Elle pourrait répondre à 15 % de la demande en 2050.
Histoire, tendances vignette|La plus ancienne piscine connue alimentée par une source chaude, construite sous la dynastie Qin au Les sources d'eau chaude sont utilisées pour le bain au moins depuis le Paléolithique.. Le plus ancien spa connu est un bassin en pierre sur le mont Li dans le Shaanxi en Chine, construit sous la dynastie Qin au , à l'endroit même où le est construit par la suite. Au premier siècle de notre ère, les Romains conquièrent Aquae Sulis, aujourd'hui Bath, dans le Somerset, en Angleterre, et utilisent les sources chaudes qui s'y trouvent pour alimenter leurs thermes et chauffages par le sol. Les droits d'entrée de ces bains représentent probablement la première utilisation commerciale de l'énergie géothermique. Le plus ancien système de chauffage urbain géothermique du monde, situé à Chaudes-Aigues, en France, fonctionne depuis le . La première exploitation industrielle commence en 1827 avec l'utilisation de la vapeur du geyser pour extraire l'acide borique de volcans de boue à Larderello, en Italie..
En 1892, le premier réseau de chaleur en Amérique à Boise, dans l'Idaho, est alimenté directement par l'énergie géothermique, et est copié à Klamath Falls, dans l'Oregon, en 1900. Le premier bâtiment connu au monde à utiliser l'énergie géothermique comme source de chaleur principale est l', dans le comté d'Union (Oregon), dont la construction s'est achevée en 1907.. Un puits géothermique profond est utilisé pour chauffer des serres à Boise en 1926, et des geysers sont utilisés pour chauffer des serres en Islande et en Toscane à peu près à la même période.. Charlie Lieb met au point le premier échangeur de chaleur en fond de puits en 1930 pour chauffer sa maison..
vignette|gauche|Capacité électrique géothermique mondiale. La ligne rouge supérieure correspond à la capacité installée, la ligne verte inférieure à la production réalisée..
Au , la demande en électricité conduit à envisager l'énergie géothermique comme source de production. teste le premier générateur d'énergie géothermique le à Larderello. Il réussit à allumer quatre ampoules.. Plus tard, en 1911, la première centrale géothermique commerciale du monde est construite à cet endroit. C'est le seul producteur industriel d'électricité géothermique au monde jusqu'à ce que la Nouvelle-Zélande construise une centrale en 1958..
En 1912, Heinrich Zoelly brevète l'idée d'utiliser la pompe à chaleur, inventée par Lord Kelvin en 1852, pour tirer la chaleur du sol. Ce n'est cependant qu'à la fin des que la pompe à chaleur géothermique est mise en œuvre avec succès ; il s'agit probablement du système d'échange direct de , fabriqué par Robert C. Webber, mais les sources ne s'accordent pas sur la date exacte de son invention.. J. Donald Kroeker conçoit la première pompe à chaleur géothermique commerciale pour chauffer le Commonwealth Building à Portland (Oregon) et en fait la démonstration en 1946.. Le professeur Carl Nielsen de l'université d'État de l'Ohio construit la première version résidentielle en boucle ouverte dans sa maison en 1948.. La géothermie devient populaire en Suède à la suite de la crise pétrolière de 1973, et son acceptation dans le monde entier s'est lentement accrue depuis lors. Le développement, en 1979, des tuyaux en polybutène-1 a considérablement augmenté la viabilité économique de la pompe à chaleur..
La centrale électrique à cycle combiné est démontrée pour la première fois en 1967 en URSS.. Cette technologie permet de produire de l'électricité à partir de ressources à température beaucoup plus basse qu'auparavant. En 2006, une centrale à cycle binaire est mise en service à Chena Hot Springs, en Alaska, produisant de l'électricité à partir d'une température de fluide record de ..
Fin 2024, les pays les plus actifs en géothermie sont la Turquie, l'Indonésie et le Kenya, ainsi que les États-Unis, dont les capacités de production sont les plus importantes. L'Agence internationale de l'énergie (AIE) estime, dans un rapport publié en The Future of Geothermal Energy, Agence internationale de l'énergie, décembre 2024., que la géothermie, qui ne représente qu'environ 1 % de la consommation mondiale d'électricité en 2024, pourrait couvrir jusqu'à 15 % des besoins supplémentaires en électricité d'ici 2050, à condition que ses coûts de projets continuent à diminuer. Cette condition pourrait être satisfaite grâce aux progrès réalisés dans les techniques de forage pétrogaziers, combinés à d'autres techniques nouvelles ; la géothermie pourrait être une piste de reconversion pour l'industrie pétrogazière et du forage. Cependant, seuls 30 pays (contre 100 pays pour le solaire) ont à cette date un cadre réglementaire visant à développer cette énergie. Selon l'AIE, l'investissement en faveur de la géothermie pourraient atteindre de dollars d'ici 2035 et d'ici 2050, et on peut espérer ..
Types On distingue habituellement trois types de géothermie : la géothermie peu profonde (moins de « Géothermie Soultz ».) à basse température ; la géothermie profonde (jusqu'à ) pour la production de chaleurAssociation Française des Professionnels de la Géothermie (AFPG), La géothermie en France – Étude de filière, 2021, lire en ligne (consulté le 21 février 2023). ; la géothermie profonde à haute température (plus de .), selon plusieurs approches développées et explorées depuis les : géothermie des roches chaudes sèches ( ou HDR pour les anglophones), basée sur la fracturation hydraulique et la création d'un « échangeur thermique profond » qu'il faut périodiquement décolmater, géothermie des roches naturellement fracturées ou (HFR), géothermie stimulée EGS (), imaginée aux États-Unis en 1970 et mise en œuvre à Soultz-sous-Forêts en France dans le cadre d'un projet-pilote européen et franco-allemand Géothermie Soultz). ; la géothermie très profonde à très haute température.
Ces trois types ont en commun de prélever la chaleur contenue dans le sol, issue de la pression, et, dans certains cas, d'une plus ou moins grande proximité du magma.
Principes Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer un peu de cette chaleur, cependant la plus grande partie de la puissance géothermique obtenue en surface (87 %) est produite par la radioactivité des roches qui constituent la croûte terrestre (désintégration naturelle de l'uranium, du thorium et du potassium)Jean-Michel Coudert, Géothermie : du geyser au radiateur , ...
La croûte terrestre, épaisse en moyenne de , présente un gradient de température avec la profondeur, appelé gradient géothermique. Ainsi, plus on creuse et plus la température augmente, en moyenne de par de profondeur.
La géothermie vise à étudier et exploiter ce phénomène d'augmentation de la température en fonction de la profondeur (même si le flux de puissance obtenu diminue avec la profondeur, puisque l'essentiel de ce flux provient de la radioactivité des roches de la croûte terrestre)Diminution du flux thermique (en fin de page)..
Elle permet aussi de rafraîchir ou de produire du froid, plus économiquement et écologiquement que les climatiseurs (solution bas carbone, sans rejet de chaleur dans l’air extérieur, et donc sans contribution à l'effet d’îlot de chaleur urbain)..
Une énergie abondante de faible intensité Cette source d'énergie est considérée comme inépuisable (dans certaines limites), car elle dépend : pour la géothermie profonde, des sources de chaleur internes de la Terre, dont la durée de vie se chiffre en milliards d'années ; pour la géothermie de surface, des apports solaires.
Elle est en général diffuse et rarement concentrée, avec un flux moyen de ()Géothermie. Chiffres clé, Flux moyen d'énergie à la surface du globe : , sur eco-energie.ch (consulté en ). et un niveau de température faible. La puissance exploitable économiquement est donc en règle générale réduite. Il arrive cependant qu'elle soit plus concentrée à proximité des failles tectoniques entre plaques terrestres, en particulier des formations volcaniques ou encore dans des formations géologiques favorables, comme dans le Bassin parisien. C'est pourquoi il faut distinguer plusieurs types d'utilisation de la géothermie suivant ses caractéristiques locales : la géothermie de surface à basse température : jusqu'à ; la géothermie profonde : , jusqu'à de profondeur ; la géothermie très profonde à haute et très haute température, jusqu'à ; la géothermie volcanique de type geyser.
Son exploitation durable implique un débit d'extraction d'énergie limité au flux de chaleur alimentant la ressource, à défaut de l'épuiser pour une certaine période. Même si certains sites géothermiques peuvent atteindre jusqu'à , le rythme d'exploitation de la géothermie peut être supérieur au rythme de renouvellement naturel de la chaleur., ce qui peut entraîner un épuisement de la ressource à terme Ladislaus Rybach, « » , ..
Son caractère « inépuisable » dépend donc des conditions d'utilisation : en moyenne à la surface de la Terre, de l'ordre de pour chaque mètre carré () de terrain exploitéÉnergies renouvelables, Encyclopædia Universalis, : « La géothermie »., à comparer à la densité de puissance solaire moyenne reçue par la Terre, environ plus importante ().
Le renouvellement de la chaleur prélevée trop vite (plus que les très faibles du flux thermique des profondeurs terrestres) se fait en général par diffusivité thermique (sauf circulation d'eaux naturelles) à partir du pourtour non refroidi, ce qui dépend de la dimension L du volume prélevé ou refroidi, avec un temps de retour de la chaleur ou de la température, croissant comme le carré de cette dimension L, donnant pour un an environ, pour quatre ans, pour seize ans, de fait, égal grossièrement au temps passé à le prélever trop vite.
Aussi, cela ne peut fonctionner que si des eaux chaudes circulent facilement ou fortement, dans des zones volcaniques, en espérant que leur source aquifère est assez grande pour ne jamais s'épuiser.
Une solution est de recharger les puits avec de la chaleur solaire venant de capteurs solaires en surface. La géothermie solaire sert alors à stocker cette chaleur solaire du jour pour la nuit, de l'été pour l'hiver, rendant l'énergie solaire utilisable sur 24 et , sans interruption. Cela a été utilisé pour le chauffage intersaison, de l'été pour l'hiver, comme à la Communauté solaire de Drake Landing.
Types d'exploitation