Géothermie profonde et de surface : fonctionnement et atouts 

Le potentiel de la géothermie est immense, et pourtant encore sous-exploité en France. Cette source de chaleur locale, stable et disponible en continu offre des perspectives solides pour produire du chauffage et de l’électricité à moindre coût ! De la géothermie de surface à la géothermie profonde, découvrez les principes techniques, les technologies mobilisées et leurs intérêts respectifs.
La géothermie s’inscrit pleinement dans les objectifs de réduction des consommations énergétiques fixés par la réglementation française, notamment pour les bâtiments tertiaires.

La géothermie : exploiter la chaleur naturelle de la Terre 

Au centre de la Terre, la température dépasse 5 500 °C. Cette chaleur provient de la désintégration d’éléments radioactifs naturels contenus dans les roches profondes, complétée par les apports solaires stockés dans les couches superficielles du sol. 

Bien entendu, il n’est pas nécessaire de forer à plusieurs milliers de kilomètres pour en bénéficier. Dès les premiers mètres, le sous-sol présente une température stable, hors gel, indépendante des conditions climatiques extérieures. Cette stabilité thermique explique les performances des systèmes géothermiques, de type pompe à chaleur (PAC). Elle permet de produire du chauffage, du rafraîchissement et, selon la profondeur, de l’électricité. 

Pourquoi la géothermie s’impose-t-elle comme une solution d’avenir ? 

Hausse des prix de l’énergie, tensions géopolitiques, cadre réglementaire plus strict… le contexte énergétique actuel impose une transformation profonde des modes de production de chaleur et d’électricité. Dans ce paysage en mutation, la géothermie apporte des réponses concrètes ! 

C’est une source d’énergie stable et renouvelable qui offre d’importants gisement d’économies d’énergies et de décarbonation mais la rentabilité de la solution doit-être étudié en fonction de la localisation par rapport à de l’aérothermie.

Grégory, ingénieur efficacité énergétique

Comprendre les usages de la géothermie : chauffage et électricité 

La température du sous-sol augmente en moyenne de 3,3 °C tous les 100 mètres en France, avec de fortes variations locales. Ce gradient géothermal conditionne les usages possibles. 

On distingue 2 grandes approches : la géothermie de surface et la géothermie profonde, chacune regroupant plusieurs niveaux d’énergie adaptés à des usages distincts. 

Géothermie profonde : capter la chaleur à grande profondeur 

La géothermie profonde repose sur des forages supérieurs à 200 mètres, permettant de récupérer la chaleur des aquifères naturellement chauds. L’eau souterraine est pompée, sa chaleur valorisée, puis réinjectée dans le sous-sol afin de préserver l’équilibre de la ressource géothermique. 

Principales utilisations 

• Réseaux de chaleur urbains. 
• Chauffage collectif (logements, tertiaire, équipements publics). 
• Serres agricoles, pisciculture, thermalisme. 
• Production d’électricité (au-delà de 100–150 °C). 

Avec un rendement énergétique remarquable, certaines installations produisent plus de 20 kWh de chaleur pour 1 kWh électrique consommé. 

Géothermie de haute énergie (> 150 °C) 

La géothermie de haute énergie exploite des réservoirs géothermiques dépassant 150 °C, présents dans des zones à fort gradient géothermique ou d’origine volcanique. 

L’eau géothermale, souvent sous pression, est extraite par forage profond, souvent à plus de 1 500 ou 2 000 m. Elle contient une part de vapeur qui entraîne une turbine couplée à un alternateur, permettant une production directe d’électricité (système de la cogénération). La chaleur résiduelle peut être récupérée pour alimenter des réseaux de chaleur ou pour des usages industriels. 

La France dispose de sites géothermiques emblématiques, comme celle de Soultz-sous-Forêts en Alsace et en Guadeloupe sur le site volcanique de Bouillante. Cette centrale produit jusqu’à 110 GWh d’électricité par an, couvrant environ 5 à 6 % de la consommation électrique de l’île. 

Géothermie de moyenne et basse énergie (30 à 150 °C) 

La géothermie de moyenne et basse énergie exploite des eaux souterraines dont la température se situe entre 30 et 150 °C. Elle constitue aujourd’hui le principal usage de la géothermie en France métropolitaine. 

Ces ressources sont captées par des forages profonds, souvent entre 500 et 2 000 m, au sein d’aquifères géothermiques. L’eau chaude extraite cède sa chaleur à un échangeur, puis est réinjectée dans le sous-sol par le biais d’un second forage distant de plusieurs centaines de mètres, selon le principe du doublet géothermique. 

Les calories prélevées sont valorisées au sein de réseaux de chaleur urbains, dédiés au chauffage et à la production d’eau chaude sanitaire pour l’habitat, les équipements publics et les bâtiments tertiaires. Un seul réseau peut desservir plusieurs milliers de bâtiments sur un périmètre de quelques kilomètres. 

En Île-de-France, dans le bassin parisien, la géothermie profonde représente une part significative de la consommation finale de chaleur. Certaines installations mises en service dans les années 1980 fonctionnent toujours, preuve de la maturité de la filière. 

Géothermie de surface : la solution des pompes à chaleur 

La géothermie de surface, aussi appelée géothermie de très basse énergie, capte la chaleur du sous-sol à faible profondeur, jusqu’à une centaine de mètres. À ces niveaux, la température du sol se situe le plus souvent entre 10 et 15 °C. 

À cette température, il n’est pas possible de chauffer un bâtiment. Mais, elle constitue une source thermique stable et continue, idéale pour le fonctionnement d’une pompe à chaleur géothermique. 

Principaux usages 

• Maisons individuelles, en construction neuve ou rénovation à basse consommation d’énergie. 
• Petits collectifs résidentiels. 
• Bâtiments tertiaires. 

La stabilité thermique du sous-sol permet à la PAC géothermique d’afficher un SCOP (coefficient de performance saisonnier) moyen compris entre 4 et 5 toute l’année. En pratique, cela signifie que 1 kWh d’électricité consommé permet de produire 4 à 5 kWh de chaleur utile sur l’ensemble de la saison de chauffe. 

Les modes de captage de la chaleur géothermique 

Selon la configuration du terrain et les caractéristiques du sol, la chaleur géothermique peut être prélevée de plusieurs façons : 

• capteurs horizontaux, enterrés à faible profondeur, en général entre 0,8 et 1,5 m, sur une surface importante autour du bâtiment ; 
• corbeilles géothermiques (échangeurs compacts en forme de spirale), implantées à faible profondeur, autour de 3 à 5 m, lorsque la surface disponible est plus limitée ;
• sondes géothermiques verticales, installées par forage sur plusieurs dizaines, voire une centaine de mètres, avec une emprise au sol très faible ; 
• captage sur nappe phréatique, par pompage et réinjection de l’eau souterraine, lorsque le contexte hydrogéologique s’y prête. 

Comment fonctionne une pompe à chaleur géothermique ? 

Dans les faits, une pompe à chaleur géothermique ne crée pas de chaleur. Elle la déplace du sous-sol vers le bâtiment grâce à son cycle thermodynamique. Cette transformation est rendue possible par l’écart de température entre le sol, utilisé comme source froide, et le circuit de chauffage, qui représente la source chaude. 

Les grandes étapes du cycle thermodynamique 

Le système s’articule autour de 4 étapes, formant un cycle fermé. 

1. Captation des calories du sol. Les capteurs géothermiques prélèvent la chaleur du sous-sol. Un fluide caloporteur la transporte jusqu’à l’échangeur de la pompe à chaleur. 
2. Évaporation du fluide frigorigène. En absorbant cette énergie dans l’évaporateur, le frigorigène change d’état : il passe de l’état liquide à gazeux. 
3. Compression et élévation de température. Le compresseur élève la pression du fluide gazeux. Sa température grimpe, permettant de couvrir les besoins en chauffage. 
4. Restitution de la chaleur au bâtiment. Dans le condenseur, le fluide cède sa chaleur au circuit de chauffage ou d’eau chaude sanitaire, puis revient à l’état liquide. Il passe enfin dans un détendeur pour abaisser sa pression, et recommencer un cycle. 

Géocooling : rafraîchir sans climatisation 

Certaines pompes à chaleur géothermiques permettent un rafraîchissement par le sol, appelé géocooling. Cette fonction utilise la température plus basse sous terre pour limiter la surchauffe du bâtiment en période estivale. 

Dans sa forme la plus courante, le géocooling passif, le compresseur de la pompe à chaleur n’est pas sollicité. L’eau du circuit de chauffage circule entre le bâtiment et les capteurs géothermiques. La chaleur intérieure est transférée vers le sol (autour de 10 et 15 °C). La consommation électrique se limite alors aux circulateurs et au système de régulation. 

Selon la configuration de l’installation, un géocooling actif peut aussi être mis en œuvre. Dans ce cas, le compresseur fonctionne de manière modérée afin d’amplifier l’effet de rafraîchissement. Ce mode permet d’atteindre une puissance frigorifique plus élevée, au prix d’une consommation électrique supérieure à celle du géocooling passif, mais inférieure à une climatisation classique. 

Le géocooling assure un rafraîchissement doux, sans courant d’air, compatible avec les planchers chauffants réversibles et certains ventilo-convecteurs, sous réserve d’un pilotage précis pour éviter les phénomènes de condensation. 

Quelle technologie de pompe à chaleur géothermique choisir ? 

Pour une maison individuelle ou un petit collectif, le choix se concentre aujourd’hui sur 2 solutions : la PAC eau glycolée/eau et la PAC eau/eau (sur nappe phréatique). Les technologies sol/sol et sol/eau sont en effet désuètes en raison de leurs performances inférieures, des contraintes techniques et d’une évolution réglementaire moins favorable. 

Comparatif des technologies de pompes à chaleur géothermiques. 

Les conditions de réussite d’un projet géothermique 

La réussite d’un projet géothermique passe par le respect de plusieurs prérequis techniques et réglementaires. 

• Une étude de sol. La connaissance des formations géologiques, des aquifères, des températures et des profondeurs exploitables conditionne le choix du système et la pérennité de l’exploitation. 
• Une étude thermique approfondie. Elle permet de caractériser les besoins réels du bâtiment, d’optimiser la puissance installée et de sécuriser la performance énergétique sur l’ensemble du cycle de vie. 
• Un dimensionnement précis. Capteurs, sondes, pompes à chaleur et émetteurs doivent être adaptés aux usages pour limiter les surconsommations et l’usage prématuré du matériel.
• Le recours à un professionnel qualifié. L’intervention d’un installateur RGE (Reconnu garant de l’environnement) et d’un bureau d’études spécialisé sécurise l’installation, l’exploitation et l’accès aux aides financières. 
• Une anticipation réglementaire. Déclarations, autorisations et règles liées au code minier ou à la géothermie de minime importance doivent être intégrées dès la conception du projet. 

Comment les CEE peuvent-ils financer les travaux de géothermie ? 

Les Certificats d’économies d’énergie (CEE) soutiennent le déploiement de la géothermie. Dans le tertiaire, plusieurs fiches d’opérations standardisées sont ainsi mobilisables. 

• BAT-TH-162 : installation d’un système géothermique en bâtiment tertiaire existant. 
• BAT-TH-164 : pose d’une pompe à chaleur géothermique collective (de type PAC eau/eau ou eau glycolée/eau) pour le tertiaire et le résidentiel collectif. 
• BAT-TH-127 : raccordement à un réseau de chaleur majoritairement alimenté par une ressource renouvelable, dont la géothermie profonde. 

Le niveau d’aide varie en fonction de la technologie, de la puissance et de l’usage du système.