Une voie plus économique vers la chaleur terrestre

Heureuse cité bavaroise ! Environ 2'000 à 3'500 mètres sous Munich stagne une couche de calcaire, le Malm, dans laquelle circule de l'eau chaude à 70-130 degrés. Les services municipaux de Munich exploitent cette chaleur géothermique avec six installations et l'utilisent via le réseau de chauffage urbain pour chauffer des bâtiments et produire de l'électricité. D'ici 2040, plus de 60% des besoins en chaleur de Munich devraient être couverts par le chauffage urbain, principalement issu de la géothermie profonde.

« De la Suisse, nous regardons cet exemple modèle de géothermie profonde avec une certaine envie », souligne Martin Saar, professeur d'énergie géothermique et de géofluides à l'EPFZ. « Cependant, avec sa géologie, la Suisse n'a pas la même chance que la ville allemande. » Bien que la couche du Malm soit également présente dans certaines parties du sous-sol suisse, on la rencontre souvent à de plus grandes profondeurs en Suisse ; elle est compacte et largement imperméable à de nombreux endroits. On ne trouve des zones suffisamment perméables, appelées réservoirs, que sporadiquement, là où la roche présente des pores et surtout des fissures qui n'ont pas encore été refermées par la forte pression de la roche sus-jacente.

Un concept de perforation spécifique pourrait aider à trouver des couches aquifères en Suisse. Pour cela, on fore d'abord en profondeur, avant de le poursuivre horizontalement sur plusieurs centaines de mètres dans différentes directions. Ce système multiple augmente les chances de tomber sur des zones perméables. Les forages horizontaux sont complexes. D'où l'importance de techniques de forage plus économiques.  L'une d’elles, le « Directional Steel Shot Drilling » (DSSD), utilise de petites billes d'acier, grâce à un système développé par l'entreprise néerlandaise Canopus Drilling Solutions, au cœur du projet de recherche « DEPLOI the HEAT ». Dans ce concept, des partenaires internationaux ont collaboré sous la direction de Canopus. La partie suisse a été réalisée par l'EPFZ et financée par l'OFEN dans le cadre du programme P+D. Le projet fait partie de Geothermica, une initiative de recherche de l'UE qui étudie diverses questions liées à l'utilisation de la chaleur terrestre. Dans le cadre de DEPLOI the HEAT, des chercheurs de l'EPFZ ont testé la technique de forage DSSD dans la galerie d'essai de Hagerbach, au sud-est de Flums (SG).

Dans celle-ci, deux forages horizontaux de 125 mètres de long ont été réalisés dans du calcaire avec cette technologie. « Nous avons pu montrer avec ces essais que le DSSD peut être intégré sans incident dans les opérations de forage conventionnelles », relève Andreas Reinicke, qui dirigeait le projet à l'EPFZ et travaille désormais pour l'institut de recherche néerlandais TNO. Les chercheurs ont également acquis de nouvelles connaissances sur la manière de maintenir stable et optimale la circulation des billes d'acier pendant le forage. Le DSSD a permis d'améliorer la vitesse de forage d'un facteur 3 à 4. Ainsi, l’outil traverse la roche dure à 20 m/h contre 5 m/h pour une méthode de forage conventionnelle.

Le système est désormais commercialement disponible pour les forages peu profonds jusqu'à environ 500 m. Pour une utilisation commerciale dans les forages profonds, la technique de forage par billes d'acier doit encore être améliorée. Dans la galerie d'essai, un fluide de forage contenant 0,5% en volume de billes d'acier a été utilisé. En augmentant cette proportion à 2% en volume, la vitesse de perçage pourrait encore être accrue et les roches particulièrement dures pourraient être forées efficacement. Le système par billes d'acier a en outre la capacité de diriger l'outil, une technique démontrée dans la galerie d'essai de Hagerbach. Une déviation allant jusqu'à 20 degrés pour 100 mètres de forage a été atteinte, et pourrait atteindre 45 degrés pour 100 mètres à l'avenir. Les paramètres ont également été optimisés pendant le test pour assurer un nettoyage suffisant du trou de forage.

Dans une sous-étude de DEPLOI the HEAT, une estimation a été faite de l'ampleur possible de l'augmentation des débits de chaleur géothermique grâce au DSSD à l'avenir. Pour ce faire, Paromita Deb, alors scientifique à l'EPFZ, a développé une procédure de modélisation numérique. Elle a utilisé des données géologiques de Genève et de Lausanne pour générer environ 1'000 variantes virtuelles de formations calcaires fracturées, et a simulé l'impact de forages horizontaux par DSSD sur les débits, la puissance thermique et la rentabilité dans ces différents scénarios géologiques.

Selon les modélisations, des configurations avec jusqu'à trois forages horizontaux permettent des gains nets dans la production de chaleur – jusqu'à un doublement du rendement calorifique. Le DSSD permet également une réduction significative des coûts de forage par rapport aux méthodes conventionnelles, les économies augmentant avec le nombre de forages horizontaux. Cependant, le nombre de forages horizontaux ne peut être augmenté indéfiniment, car le bénéfice ne justifie alors plus les coûts. Dans l'ensemble, les résultats confirment que le DSSD est une technologie prometteuse pour améliorer à la fois la performance et l'efficacité économique des forages géothermiques.

Les Services Industriels de Genève (SIG) et les Services Industriels de Lausanne (SIL) ont soutenu le projet de recherche de l'EPFZ financièrement et en fournissant des données. « Des progrès significatifs ont été réalisés et nous sommes convaincus que nous pourrons utiliser la technologie DSSD dans quelques années », estime Michel Meyer, responsable des solutions thermiques et de la géothermie aux SIG. À court terme, cependant, SIG mise sur les forages conventionnels. La raison : la technologie de forage DSSD n'est pas encore prête pour être utilisée dans un environnement géologique complexe avec un calcaire très fracturé, de nombreuses zones karstiques et de forts écoulements artésiens, comme on en trouve dans la région genevoise, explique-t-il.

À moyen terme, le DSSD a un grand potentiel. L'ancienne scientifique de l'EPFZ Paromita Deb travaille désormais pour Swiss Geo Energy, une société de géothermie fondée en 2019 et basée à Payerne. De son point de vue également, le DSSD deviendra intéressant à moyen terme comme technique de forage pour toute la Suisse : « Même si la Suisse romande est particulièrement active dans la géothermie actuellement : cette technologie a un potentiel similaire dans toute la Suisse, en particulier pour les solutions de production de chaleur de chauffage. »