On le sait peu, mais produire, stocker et restituer de manière propre la chaleur est un enjeu économique climatique et social au moins aussi important que celui des énergies renouvelables. La moitié de l’énergie planétaire est en effet gaspillée en chaleur perdue. En 2020, l’ensemble des énergies renouvelables a assuré près du quart de la chaleur finale consommée en France et la consommation de chaleur en France compte pour « près de 50 % de notre consommation énergétique et reste aujourd’hui très majoritairement produite par des énergies fossiles et importées, émettrices de carbone », rappelle le Syndicat des énergies renouvelables (SER). En 2020, la production de chaleur renouvelable s’est élevée à près de 152 TWh en France métropolitaine. Reste que cette production renouvelable est encore très inférieure au niveau prévu dans le Plan National d'Action (PNA) en faveur des énergies renouvelables, qui prévoyait que 33 % de nos besoins de chaleur soient couverts par des sources renouvelables en 2020. La loi de transition énergétique pour la croissance verte de 2015 fixe, quant à elle, pour objectif de porter la part de la chaleur renouvelable à 38 % de nos consommations de chaleur à l’horizon 2030.
En 2020, le deux-tiers de la production de chaleur renouvelable en France métropolitaine ont été fournis par le bois, qu’il s’agisse des appareils domestiques ou des chaufferies bois-énergie. Outre le bois, les 8,5 millions de pompes à chaleur aérothermiques en service en France (chauffe-eau thermodynamique, pompe à chaleur air-air ou air-eau) ont permis de produire 35 TWh de chaleur en 2020 et de couvrir ainsi 5 % des besoins annuels de chaleur en France métropolitaine. Heureusement, les innovations territoriales, industrielles et techniques, se multiplient pour exploiter plus efficacement, et de manière écologique, les énormes gisements de chaleur perdue. C’est par exemple le cas de l’usine Stellantis de Charleville-Mézières, qui s’est réorganisée de manière à récupérer le maximum de "chaleur fatale". Dans ce cas, le défi consistait à récupérer et valoriser la chaleur générée par un processus dont la production d’énergie n’est pas l’objectif principal. Et ces sources importantes de chaleur perdue sont légions. Il y a bien sûr l’industrie, mais également les bureaux, les hôpitaux, les stations d’épuration ou encore les centres d’hébergement de données, qui sont autant de sources de chaleur récupérable, mais pratiquement pas exploitée.
L’usine Stellantis de Charleville-Mézières, soutenue par EDF et l’État, a commencé par injecter la chaleur de récupération issue de ses fours dans le réseau de chauffage urbain de la ville. Dans un second temps, cette installation a également réussi à utiliser directement cette chaleur pour chauffer ses propres bâtiments. L’opération est "gagnant-gagnant". Elle permet à Stellantis de réduire sa facture de gaz d’un tiers, tout en bénéficiant au territoire avoisinant. A présent, cette chaleur enfin récupérée permet de chauffer gratuitement 3 000 équivalents-logements et d’économiser 7 000 tonnes d’émissions de CO2 par an. Selon la Fédération des Services Énergie Environnement (FEDENE), la marge de progression en matière chaleur fatale reste énorme et il y aurait au moins 15 TWh de chaleur fatale récupérable et rentable à exploiter. Plus globalement, l’ADEME a estimé à 110 TWh le gisement potentiel national, rien que dans l’industrie. Parmi ces 110 TWh, la moitié se trouve dans les secteurs de l’agroalimentaire et de la chimie.
A Malataverne, dans la Drôme, la société Hevatech a mis au point, après dix ans de recherche, Turbosol, un procédé de conversion de la chaleur fatale en électricité qui a été récompensé par de nombreux prix. Cette technologie a été développée pour les industriels de la fonderie, de la métallurgie, de la cimenterie et de l’incinération de déchets, autant de secteurs très gros consommateurs de chaleur. Turbosol capte les rejets de chaleur supérieurs à 300°C via deux échangeurs. Le premier chauffe de l’huile tandis que le second chauffe de l’eau et la transforme en vapeur. L’huile est fractionnée en micro-gouttelettes et mélangée à la vapeur. La vapeur, une fois détendue, entraîne les gouttelettes à près de 200 mètres par seconde via un accélérateur diphasique qui active une turbine hydraulique couplée à un alternateur. Outre la production d’électricité, Turbosol fournit également une chaleur résiduelle d’environ 80 à 90°C qui sert à chauffer des locaux et l’eau sanitaire. Cette année, l’imprimeur Maury va doter son usine de Manchecourt (Loiret) de ce système remarquable qui va permettre une économie de 1200 mégawatts-heures (MWh) d’électricité par an et réduire de plus de 80 tonnes les émissions de CO2.
En 2021, des chercheurs du Centre d’Energétique et de Thermique de Lyon (CETHIL, CNRS / INSA Lyon) et de l’Institut d’Electronique et des Systèmes (IES, CNRS /Université de Montpellier) ont réalisé une avancée importante dans ce domaine de la conversion thermophotovoltaïque. Là où les chercheurs ne parvenaient pas à produire assez d'électricité ou sinon avec des températures très élevées, des scientifiques lyonnais sont parvenus à produire 7 kW par m2 de surface chauffante à seulement 450°. En approchant la surface émettrice à faible distance de la cellule photovoltaïque infrarouge, une densité de puissance électrique mille fois plus élevée que celle des études précédentes a été obtenue (Voir CETHIL).
Il y a quelques jours, des scientifiques japonais ont découvert une substance commune qui peut stocker et libérer de manière réversible et rapide des quantités relativement importantes de chaleur de faible qualité sans se décomposer (Voir Tohoku University). Cette innovation repose sur un minéral d'oxyde de manganèse en couches contenant des ions potassium et de l'eau cristalline. En chauffant jusqu'à 200 degrés ce matériau, celui-ci stocke dans ses molécules d'eau de l’énergie. Il suffit ensuite de refroidir ce matériau en dessous de 120° pour qu’il libère la chaleur stockée. « Notre matériau a une longue durée de vie, peut stocker et libérer de manière réversible de grandes quantités de chaleur par unité de volume, et se charge et se décharge rapidement », explique le Professeur Tetsu Ichitsubo qui a dirigé ces travaux.
Outre-Rhin, une équipe de chercheurs de l’Université Martin Luther de Halle-Wittenberg (MLU) et de l’Université de Leipzig a réussi pour sa part à mettre au point un matériau dit "à changement de phase stabilisé", capable de stocker la chaleur de manière écologique, stable et peu onéreuse. Selon ces chercheurs, ce matériau étonnant est capable d’absorber et stocker une grande quantité de chaleur en changeant de forme, de solide à liquide. Ce substrat est si performant qu’il pourrait servir à fabriquer des panneaux chauffants à intégrer dans les murs des bâtiments et habitations. Ces panneaux, 24 fois plus efficaces que le béton pour stocker la chaleur, captureraient la chaleur naturelle le jour et pourraient la libérer la nuit (Voir Science Direct).
Et qui dit récupération et exploitation propres de la chaleur dit géothermie. Notre pays a la chance d’être particulièrement gâté par la nature dans ce domaine, ce qui lui a permis de doubler sa puissance installée en géothermie profonde. Cette méthode, qui ne cesse de se perfectionner, permet aujourd’hui de chauffer près d’un million de Français. Son exploitation est en plein essor sur l’aquifère du Bassin Parisien, qui compte 54 installations de géothermie profonde en fonctionnement. Mais le reste de la France représente aussi un potentiel de développement de la filière. Au total, près d’un tiers du territoire français possède une ressource de géothermie profonde valorisable. Avec seulement 7 TWh produits en France, en 2020 – contre 35 prévus par la Programmation pluriannuelle de l'énergie –, la quantité de chaleur renouvelable produite par géothermie est malheureusement bien en deça des objectifs nationaux qui visaient les 48 TWh en 2028. Heureusement, l‘objectif de production de 5,2 TW de chaleur produite par la géothermie profonde devrait être atteint en 2028, ce qui correspond à deux millions de foyers qui pourront être chauffés grâce à cette technologie prometteuse à cette échéance. Autre avantage énergétique majeur, et peu connu, la géothermie peut également produire avec une excellente efficacité énergétique du froid renouvelable, et se substituer ainsi aux climatiseurs gourmands en énergie et émetteurs de gaz à effet de serre.
À l’échelle de la Métropole du Grand Paris, la consommation actuelle en énergie thermique (chauffage, eau chaude sanitaire, climatisation) est estimée à 51 TWh par an. Il y a quelques semaines, une étude du Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM) a montré que la géothermie de surface pourrait en théorie couvrir plus de la moitié de ces besoins, si tous les bâtiments disposaient des systèmes de distribution adéquats exigés par les pompes à chaleur. Dans ce domaine, le Syndicat des Energies Renouvelables propose une mesure intéressante qui pourrait accélérer la transition domestique vers les réseaux de chaleur "verts" : l’aide au raccordement à 100 euros par logement des immeubles utilisant encore des énergies non renouvelables pour le chauffage, alors qu’un tuyau de réseau de chaleur passe dans leur rue. Cette mesure aiderait les résidents à faire leur transition énergétique en baissant leur facture de chauffage, avec un temps de retour sur investissement très rapide.
L’exemple du réseau de chauffage urbain de Vélizy-Villacoublay est très intéressant. Cette commune du bassin parisien souhaite couvrir au moins 60 % de la demande de chaleur par la géothermie et elle a choisi l’entreprise Engie Solutions qui propose une nouvelle technologie innovante, le forage multidrains. En ayant recours à des drains en forme de U, cette technique permet de multiplier par quatre les traversées dans le réservoir géothermique par rapport à un forage conventionnel. En étendant sensiblement la surface d’échange dans l’aquifère, ce système multidrains augmente considérablement la quantité de chaleur exploitable du forage, ce qui rend la centrale géothermique plus efficiente et plus rentable. A Vélizy-Villacoublay, l’eau géothermale puisée à 64°C, grâce à cette nouvelle technologie, parvient à fournir au réseau de chaleur de la commune une puissance calorifique de plus de 16 MW. Engie Solutions a ainsi réussi à doubler le débit de production des puits en le portant à 400 m3/heure.
Cette expérimentation, saluée par de nombreux acteurs de l’énergie, confirme que cette technique permet d’atteindre le seuil de rentabilité dans de nombreux projets géothermique qui n’auraient pas pu être économiquement viables il y a encore quelques années. De l’avis de nombreux spécialistes, le potentiel de cette technologie, à la fois pour produire à un coût compétitif de la chaleur propre et inépuisable et réduire les émissions de gaz à effet de serre, est considérable, surtout dans notre pays.
La chaleur interne de la Terre est produite essentiellement par la radioactivité naturelle des roches par désintégration de l'uranium, du thorium et du potassium. De manière logique, plus on descend en profondeur, plus le niveau de chaleur monte, augmentant en moyenne de 3°C tous les 100 mètres. Aujourd’hui, c’est surtout la géothermie de surface qui est exploitée, via les pompes à chaleur devenues très performantes, pour produire de la chaleur, mais demain, nous l’avons vu, le avancées technologiques permettront de récupérer de manière rentable les énormes quantités de chaleur piégées à plusieurs kilomètres de profondeur.
Certains pays ou régions, en raison de leurs particularités géologiques, utilisent déjà la géothermie à grand échelle. C’est le cas de l’Islande, île volcanique s’il en est, qui tire 90 % de sa chaleur et un tiers de son électricité de la géothermie. Les Philippines produisent 25 % de leur électricité par géothermie. L’Indonésie, qui possède 40 % des ressources géothermiques du globe, produit déjà 15TWh d’électricité par an grâce à la chaleur de la Terre (5 % de sa consommation). En Afrique, le Kenya est devenu le géant géothermique de ce continent en plein essor. Il produit presque la moitié de son électricité grâce à la géothermie. En Europe, l’Italie est sans conteste le leader de la géothermie (10 % des capacités mondiales installées) et le fameux site géothermique de Larderello, représente une production de 800MW, couvrant un tiers des besoins électriques de la Toscane.
Il y a quelques semaines, une société américaine, Quaise Energy, issue du Massachusetts Institute of Technology (MIT), a annoncé avoir mis au point une nouvelle technique permettant d’envisager d’exploiter la géothermie de très grande profondeur, qui reste à ce jour hors d’atteinte des technologies existantes. Baptisé "Gyrotron", ce système de forage à ondes millimétriques s'appuie sur une technologie futuriste qui n’a encore jamais été utilisée à grande échelle. Cette technique consiste à utiliser des ondes à haute fréquence pour réchauffer la roche et la faire fondre à mesure de la descente (Voir New Atlas). Quaise Energy envisage de forer sur environ cinq kilomètres au moyen d'une foreuse classique, puis de poursuivre la descente à environ vingt kilomètres en liquéfiant la roche. L’ensemble de ce forage prendrait trois mois et demi selon les ingénieurs de cette société. Une telle profondeur permet d'atteindre des températures de près de cinq cents degrés et surtout d’exploiter le fabuleux potentiel énergétique de l’eau supercritique -10 fois plus important à masse égale - se trouvant à de telles profondeurs. La chaleur ainsi récupérée alimenterait en énergie et en électricité toute une région pendant au moins un siècle. Cette société espère tester sa foreuse à gyrotron d'ici fin 2023. Si cette technologie remplit ses promesses et permet d’exploiter les gisements de chaleur extrême, quasi-inépuisables, enfouis dans les entrailles de la terre, cela pourrait bouleverser le paysage énergétique mondial en mettant à disposition de l’humanité une nouvelle source de chaleur et d’énergie propres et décarbonées…
Mais en attendant cette possible rupture technologique majeure, nous pourrions déjà mieux exploiter l’énorme potentiel que représente la géothermie de basse intensité, surtout pour décarboner plus vite le secteur du bâtiment. On l’oublie souvent mais le bâtiment (résident et tertiaire) consomme près de 700 TWh par an et est le secteur d'activité le plus gourmand en énergie - 46 % de la consommation totale de la France - devant l'industrie (27 %) et le secteur des transports (24 %). En outre, ce secteur émet 26 % de nos émissions de CO2. Si nous voulons réduire massivement notre dépendance, encore bien trop grande, aux énergies fossiles, notamment dans le bâtiment - et nous allons y être obligés bien plus vite que nous le pensions, sous l’effet de la nouvelle situation géopolitique provoquée par l’agression russe en Ukraine - nous devons tripler d’ici 2030 le nombre de pompes à chaleur installées, de manière à ce qu’à cette échéance les deux tiers de nos 36 millions de logement en soient équipés. Combinées à la montée en puissance des énergies renouvelables et un effort sans précédent de rénovation thermique visant à éliminer les 6 millions de "passoires thermiques" d’ici 10 ans, ces pompes à chaleur, à présent très performantes, pourraient nous permettre de nous passer des énergies fossiles dans le bâtiment à l’horizon 2040 et d’atteindre la nécessaire neutralité carbone en 2050.
Par son cadre naturel et géologique exceptionnel, notre pays à tous les atouts en mains, et toutes les compétences scientifiques et industrielles nécessaires, pour devenir un leader mondial en matière de récupération de la chaleur, de thermoélectricité et d’exploitation massive de la géothermie, qu’elle soit de surface, profonde ou demain, extrême. Nous devons sans tarder lancer un grand plan sur 10 ans, pour fédérer les énergies et les savoirs dans ce domaine stratégique pour retrouver notre indépendance énergétique et construire un avenir durable et prospère pour les générations futures…
René TRÉGOUËT
Sénateur honoraire
Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat
e-mail : tregouet@gmail.com
