Exploiter en toute sécurité la chaleur géothermique de grande profondeur

Depuis le début de l’été 2024, le forage est en cours à Haute-Sorne, dans le canton du Jura. Celui-ci doit atteindre une profondeur de 4'000 mètres dans la roche cristalline, où règne une température s’élevant de 160 à 180°C. Après des études géologiques approfondies, les premiers essais devraient commencer au premier trimestre 2025. Ils montreront s’il est possible de faire remonter la chaleur à la surface de la Terre pour pouvoir la convertir en électricité dans des centrales géothermiques au moyen d’une turbine à vapeur. Le projet de forage de Haute-Sorne fournira des bases de décision afin de déterminer si la production d’énergie à partir de couches géologiques profondes a de l’avenir en Suisse, et si elle peut contribuer à un approvisionnement énergétique national sans recours aux énergies fossiles.

À cette profondeur, le sol se compose de granit solide, traversé par endroits de fissures rocheuses (failles). L’utilisation de la chaleur de la roche implique une stimulation hydraulique qui consiste à injecter de l’eau à haute pression dans la roche. Il en résulte des microséismes très limités dans l’espace, idéalement imperceptibles en surface, lesquels ont pour but d’élargir les fissures. Cela crée lesdits « réservoirs » ; il s’agit d’échangeurs de chaleur dans lesquels l’eau peut circuler. Si de l’eau froide est injectée dans les réservoirs, elle absorbe la chaleur de la roche. L’eau chauffée est acheminée à la surface par un deuxième forage, dans lequel la vapeur peut être transformée en électricité ou utilisée comme chaleur.

L’exploitation de la chaleur géothermique à partir de réservoirs stimulés à grande profondeur était déjà l’idée de base du forage géothermique réalisé fin 2006 à Bâle. Cependant, plusieurs tremblements de terre perceptibles dans la région de Bâle se sont produits au cours du forage. Pour des raisons de sécurité, le projet de géothermie a été interrompu. Ce revers a été l’occasion de développer un nouveau concept de stimulation délicate : la roche est stimulée avec de l’eau, mais seules certaines sections de quelques mètres de long du trou de forage sont mises sous pression (« zones »). Pour cela, le trou de forage doit être divisé par des manchons en caoutchouc (« packer ») au préalable.

Cette technique de stimulation, dite multi-étapes, a depuis lors fait ses preuves en laboratoire et dans le cadre de projets pilotes. Des études menées par la société Geo-Energie Suisse SA et l’ETH dans le laboratoire souterrain de Bedretto (BedrettoLab) ont confirmé que cette méthode réduisait le risque de séismes importants. La raison : un réservoir peut être stimulé dans chaque zone, les injections d’eau sont réalisées de manière échelonnée dans l’espace et le temps. La méthode permet ainsi de stimuler des microséismes dans chaque section de la roche avec précisément la force nécessaire pour créer un réservoir. Cela réduit nettement la probabilité d’un séisme de plus grande ampleur.

Un projet de recherche international de trois ans sur la réduction des risques des projets de géothermie profonde (avec l’acronyme DEEP), dirigé par l’EPFZ, cherche désormais à optimiser la gestion des risques des stimulations multi-étapes. Pour y parvenir, les microséismes sont enregistrés en temps réel au cours de la stimulation de la roche à l’aide de différentes techniques de mesure. Les données sont alors intégrées dans des modèles qui permettent de prédire l’activité sismique dans la roche due aux stimulations dans les minutes, les heures et les jours à venir. « Nous disposons aujourd’hui d’un système de prévision qui a prouvé son aptitude pour une utilisation en laboratoire, mais aussi dans des conditions réelles », explique Stefan Wiemer, professeur de sismologie et directeur du Service Sismologique Suisse à l’EPFZ. Les scientifiques comparent ce système de prévision à un feu de signalisation permettant de savoir s’il est possible de poursuivre la stimulation. Wiemer : « Si ce système avait été disponible dès 2006 à Bâle, on aurait détecté très tôt que des séismes dommageables étaient probables et on aurait interrompu les stimulations un ou deux jours avant que ces séismes perceptibles ne se produisent. Cependant, nous n’aurions pas été en mesure de créer un échangeur de chaleur profond ».

Le système de prévision a d’abord été testé sur des données de projets géothermiques existants, puis en temps réel dans BedrettoLab. Le projet DEEP constitue ainsi un cadre adapté pour la réalisation d’essais dans des conditions proches de la réalité. Ces tests ont été réalisés dans l’État américain de l’Utah. Un total de 15 stimulations y ont été effectuées sur le site de forage Utah FORGE entre 2022 et le printemps 2024. Utah FORGE est une station d’essai internationale financée principalement par le Ministère américain de l’énergie. Des experts de Geo-Energie Suisse SA, une organisation de services municipaux et de fournisseurs d’énergie régionaux qui travaille à l’exploitation de la géothermie profonde en Suisse, étaient également impliqués. Pendant les stimulations, les scientifiques ont mesuré les données des microséismes et les ont traitées pour le système de prévision. « Nous avons pu montrer que les prévisions en temps réel concernant d’éventuels séismes sont fiables, et nos collaborateurs ont en outre pu s’entraîner à l’utilisation du système de prévision dans des conditions réelles », explique Peter Meier, CEO de Geo-Energie Suisse, en résumant les principaux résultats de DEEP. Les expériences auraient également montré clairement que les dispositifs de mesure devaient encore être améliorés pour une utilisation prolongée dans le forage.

Le système de prévision en temps réel sera utilisé pour la première fois en Suisse lors des premières stimulations de la roche à Haute-Sorne en 2025. Stefan Wiemer, de l’EPFZ, est convaincu que les connaissances acquises dans le cadre du projet DEEP apporteront une importante contribution à la réduction du risque sismique lié à l’exploitation de la géothermie profonde. « Nous avons bien progressé dans nos efforts pour établir une sécurité sismologique dans le cadre des stimulations », déclare-t-il. Pour que la géothermie profonde ait une chance de se développer à Haute-Sorne et ailleurs, d’autres conditions doivent être remplies. À cet effet, non seulement les détails techniques et la rentabilité doivent être clarifiés, mais aussi les questions d’acceptation sociale et les aspects juridiques.

Dans le cadre du projet DEEP, les chercheurs de l’EPFZ ont élaboré, avec un soutien international, un guide de bonnes pratiques qui offre aux constructeurs de centrales géothermiques des aides visant à limiter le risque sismique. Les résultats du projet sont utilisables dans le monde entier via des publications en accès libre et des logiciels destinés aux projets géothermiques. Dans le cadre d’un projet consécutif DEEP, une illustration numérique (« digital twin ») du sous-sol suisse doit être créée dans le but d’augmenter encore la fiabilité des outils de prévision des séismes et de développement des réservoirs.

De plus amples informations sur le projet DEEP sont disponibles sur :
www.deepgeothermal.org

Plus d’informations sur Utah FORGE sur 
www.utahforge.com

Plus d’articles spécialisés concernant les projets pilotes, de démonstration et les projets phares dans le domaine de la géoénergie sur : 
www.bfe.admin.ch/ec-geothermie-fr