Une centrale géothermique est un type de centrale électrique dont la source primaire est l'énergie géothermique. Les technologies utilisées comprennent les turbines à vapeur sèche, les centrales à condensation et les centrales à cycle combiné. La production d'électricité géothermique est utilisée dans , alors que le chauffage géothermique est utilisé dans .
Les estimations du potentiel de production d'électricité de l'énergie géothermique varient de . La puissance installée mondiale atteignait en 2019, soit presque 14 GW.
En 2023, les centrales géothermiques ont produit 0,33 % de l'électricité mondiale et six pays produisent plus de 10 % de leur électricité grâce à la géothermie, le record étant détenu par le Kenya, dont les centrales géothermiques produisent 47,5 % de l'électricité. Les principaux producteurs sont les États-Unis (19,9 % du total mondial), l'Indonésie (17,3 %), la Turquie (11,3 %), les Philippines (10,9 %) et la Nouvelle-Zélande (8,4 %).
L'électricité géothermique est considérée comme durable car l'extraction de chaleur est faible comparée à l'enthalpie de la planète. Les émissions des centrales géothermiques existantes sont en moyenne de de par kWh d'électricité ( de et d'eq de ). Cela représente environ un huitième des émissions d'une centrale à charbon conventionnelle, ou plus de 17 fois les émissions d'une centrale nucléaire française.
Histoire
thumb|Centrale de Larderello. En 1818, François de Larderel, un Français, considéré comme le père de la géothermie, met au point une technique permettant de recueillir la vapeur émise par les "lagoni" de la région de Livourne en Italie et de la faire sortir à une pression suffisante pour alimenter les chaudières d'évaporation nécessaires à l'extraction de l'acide borique des boues naturellement riches en substances boriquées. La technique sera perfectionnée en 1827, puis en 1833, lorsque seront effectués les premiers travaux de forage qui permettront d'augmenter la quantité de vapeur qui, plus tard, conduira à produire de l'électricité. Le grand-duc de Habsbourg-Toscane soutient l'entreprise de Larderel et lui accorde le titre de comte de Montecerboli. Une ville, baptisée Larderello en hommage à l'action de l'industriel, est fondée pour accueillir les ouvriers travaillant dans l'usine de production de l'acide borique.
thumb|Centrale géothermique de Geyserville dans le champ de The Geysers en Californie (1982). Au , la demande croissante d'électricité a conduit à prendre en considération la géothermie comme ressource. Le Prince Piero Ginori Conti a procédé à l'inauguration du premier générateur d'électricité géothermique, issu des travaux de François de Larderel, le à Larderello. Ce générateur réussit à allumer quatre ampoules Tiwari, G. N.; Ghosal, M. K. Renewable Energy Resources: Basic Principles and Applications. Alpha Science Int'l Ltd., 2005 .
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Des générateurs expérimentaux sont construits à Beppu au Japon et à The Geysers en Californie, dans les années 1920, mais l'Italie reste le seul producteur industriel d'électricité géothermique au monde jusqu'en 1958.
En 1958, la Nouvelle-Zélande devint le second producteur industriel d'électricité géothermique lorsque sa centrale de Wairakei est mise en service. Wairakei est la première centrale à utiliser la technologie à condensation Wairakei Geothermal Power Development, sur le site IPENZ - Engineers New Zealand consulté le 29 juillet 2013..
En 1960, Pacific Gas and Electric Company a mis en service la première centrale électrique géothermique viable aux États-Unis à The Geysers en Californie. La turbine originelle dura plus de 30 ans et produisait 11 MW nets.
La première démonstration d'une centrale à cycle combiné a été réalisée en 1967 en Russie ; elle a été introduite aux États-Unis en 1981 à la suite de la crise de l'énergie de 1973 et de changements substantiels des politiques réglementaires. Cette technologie permet d'utiliser des ressources de bien plus faible température que celles qui étaient auparavant récupérables. En 2006, une centrale à cycle combiné à Chena Hot Springs en Alaska entra en service, produisant l'électricité à partir d'une température de fluide historiquement basse de 57 °C.
thumb|Centrale géothermique de Wairakei en Nouvelle-Zélande (2009). thumb|Puissance géothermique mondiale : ; . Les centrales électriques géothermiques ont été jusqu'à récemment construites exclusivement là où des ressources géothermiques à haute température sont disponibles près de la surface. Le développement de la centrale à cycle combiné et des améliorations dans les forages et la technologie d'extraction peuvent permettre des EGS (enhanced geothermal systems - systèmes géothermiques stimulés) sur une aire géographique beaucoup plus étendue. Des projets de démonstration sont opérationnels à Landau in der Pfalz en Allemagne et Soultz-sous-Forêts en France, alors qu'une tentative antérieure à Bâle en Suisse fut abandonnée après qu'elle eut déclenché des tremblements de terre (séisme induit). D'autres projets de démonstration sont en construction en Australie, au Royaume-Uni et aux États-Unis.
Ressources
thumb|left|EGS (Enhanced geothermal system - Système géothermique avancé): 1:Réservoir 2:Local pompes 3:Échangeur de chaleur 4:Salle des machines 5:Puits de production 6:Puits d'injection 7:Eau chaude envoyée au chauffage urbain 8:Sédiments poreux 9:Puits d'observation 10:Socle rocheux cristallin.
L'enthalpie (chaleur contenue) de la planète est d'environ . Cette chaleur migre naturellement, vers la surface, par conduction à un débit de et est réapprovisionnée par la désintégration radioactive à un débit de 30 TW.
Ces débits d'énergie représentent plus du double de la consommation courante d'énergie primaire de l'humanité, mais la majeure part de cette énergie est trop diffuse (approximativement en moyenne) pour être récupérable. La croûte terrestre agit efficacement comme une épaisse couverture isolante qui doit être transpercée par des conduits de fluide (de magma, eau) pour libérer la chaleur sous-jacente.
La production d'électricité nécessite des ressources à haute température qui ne peuvent venir que des grandes profondeurs. La chaleur doit être transportée vers la surface par la circulation d'un fluide, à travers des conduits de magma, des sources chaudes, la circulation hydrothermale, des puits de pétrole, des forages d'eau, ou une combinaison de ces voies. Cette circulation existe parfois naturellement là où la croûte est fine : les conduits magmatiques apportent la chaleur près de la surface, et les sources chaudes l'apportent directement à la surface. Si aucune source chaude n'est disponible, un puits peut être creusé dans un aquifère chaud. Loin des bords des plaques tectoniques, le gradient géothermique est de par kilomètre de profondeur sur la majeure partie de la planète, et les puits devraient être profonds de plusieurs kilomètres pour permettre la production d'électricité. La quantité et la qualité de ressources récupérables augmentent avec la profondeur de forage et avec la proximité des bords des plaques tectoniques.
Dans des sols chauds mais secs, ou lorsque la pression de l'eau est inadéquate, l'injection de fluide peut stimuler la production. Les développeurs forent deux puits sur un site candidat et fracturent la roche entre ces deux puits avec des explosifs ou de l'eau sous haute pression. Ensuite ils injectent de l'eau ou du dioxyde de carbone liquéfié dans un forage, qui ressort par l'autre forage sous forme de gaz. Cette approche est dénommée énergie géothermique de roches chaudes fissurées (en anglais ) en Europe, ou (EGS) en Amérique du Nord (Systèmes Géothermiques Stimulés en français). Le potentiel disponible grâce à cette approche peut être bien plus élevé que par les méthodes conventionnelles de captage d'aquifères naturels.
Les estimations du potentiel de production d'électricité de l'énergie géothermique varient entre selon la taille des investissements. Ceci ne prend pas en compte la chaleur non électrique récupérée par cogénération, pompe à chaleur géothermique et autre usage direct. Un rapport de 2006 du Massachusetts Institute of Technology (MIT), qui inclut le potentiel of Systèmes Géothermiques Stimulés, estimait qu'en investissant de dollars dans la recherche et développement sur il serait possible de créer de puissance de production électrique d'ici 2050 aux États-Unis. Ce rapport du MIT estimait que plus de seraient extractibles, avec la possibilité de porter ce potentiel à par des perfectionnements technologiques - assez pour couvrir la totalité des besoins d'énergie mondiaux actuels pour plusieurs millénaires.
Les pays dont le potentiel de production d'électricité géothermique serait le plus élevé sont l'Indonésie : , le Japon : , le Chili : , le Pakistan : , le Mexique : , le Kenya : , l'Inde : et les États-Unis : .
Actuellement, les forages géothermiques dépassent rarement une profondeur de . Les estimations maximales des ressources géothermiques supposent des puits de . Forer à des profondeurs de cet ordre est maintenant possible dans l'industrie pétrolière, bien que ce soit une opération coûteuse. Le puits d'exploration le plus profond du monde, le Forage sg3, est profond de . Ce record a récemment été imité par des puits pétroliers commerciaux, tels que le puits Z-12 d'ExxonMobil dans le champ de Chayvo à Sakhalin. Les puits forés à des profondeurs supérieures à coûtent généralement plusieurs dizaines de millions de dollars. Les défis technologiques consistent à forer des puits de grande taille à des coûts raisonnables et à fracturer de gros volumes de roche.
L'électricité géothermique est considérée comme durable parce que l'extraction de chaleur est faible en comparaison de l'énergie (enthalpie) contenue dans la planète, mais l'extraction doit quand même être surveillée afin d'éviter un épuisement local. Bien que les sites géothermiques soient capables de fournir de la chaleur pour plusieurs décennies, des puits individuels peuvent se refroidir ou manquer d'eau. Les trois sites les plus anciens, à Larderello, Wairakei et The Geysers ont tous réduit leur production par rapport au maximum atteint antérieurement. Il n'apparaît pas clairement si ces centrales ont extrait l'énergie plus vite qu'elle n'était réapprovisionnée depuis de plus grandes profondeurs, ou si les aquifères qui les approvisionnaient ont été appauvris. Si la production est réduite et que de l'eau est réinjectée, ces puits peuvent théoriquement récupérer entièrement leur potentiel. De telles stratégies d'atténuation ont déjà été mises en œuvre sur certains sites. La durabilité à long terme de l'énergie géothermique a été démontrée par le champ de Larderello en Italie depuis 1913, par celui de Wairakei en Nouvelle-Zélande depuis 1958 et par celui The Geysers en Californie depuis 1960.
Types de centrales
Les centrales géothermiques sont semblables aux turbines à vapeur des centrales thermiques : la chaleur fournie par une source chaude (dans le cas de la géothermie, le cœur de la Terre) est utilisée pour chauffer de l'eau ou un autre fluide. Ce fluide est ensuite utilisé pour actionner une turbine d'un générateur, afin de produire l'électricité. Le fluide est ensuite refroidi et renvoyé à la source chaude.
Centrales à vapeur sèche c'est le modèle le plus simple et le plus ancien. Elles utilisent directement la vapeur géothermique à ou plus pour actionner les turbines.
Centrales à condensation l'on injecte de l'eau chaude à haute pression tirée des grandes profondeurs dans des cuves à basse pression et l'on utilise la vapeur de vaporisation qui en résulte pour actionner les turbines. Ces centrales requièrent des températures de fluide d'au moins , habituellement plus. C'est le type le plus commun de centrale en fonctionnement actuellement Hydrothermal Power Systems, sur le site U.S. Department of Energy Energy Efficiency & Renewable Energy, consulté le 31 juillet 2013.