La géothermie avec de nouveaux forages à très grande profondeur

L’immense potentiel d’énergie géothermique qui sommeille sous la surface de la Terre ne demande qu’à être exploité pour chauffer les maisons ou produire de l’électricité, comme cela se fait en Islande où cette énergie est convertie en électricité grâce à la force de la vapeur. Portée à haute température dans des réservoirs géothermiques ou les aquifères dans la croûte terrestre, l’eau se transforme en vapeur qui fait ensuite tourner des turbines qui activent un générateur produisant de l’électricité. Lorsque la vapeur redevient de l’eau, elle est renvoyée dans sol et le cycle recommence. En bref, l’énergie géothermique a, en théorie, le potentiel de fournir une énergie propre au monde entier.

Pour puiser cette puissance naturelle, les ingénieurs devront inventer de nouvelles stratégies pour forer jusqu’à 20 kilomètres de profondeur à l’intérieur de la Terre. Quaise Energy, une start-up rattachée au Massachusetts Institute of Technology (MIT) pense avoir la solution avec le forage à ondes millimétriques. Les scientifiques pensent que la technologie peut vaporiser suffisamment de roche pour créer les puits de forage les plus profonds au monde. 

Ils pourront ainsi récolter l’énergie géothermique à grande échelle pour satisfaire la consommation humaine sans avoir besoin de combustibles fossiles.
L’énergie géothermique est pratiquement illimitée, mais elle est actuellement sous-utilisée. Selon l’Agence Internationale de l’Energie, la production d’électricité géothermique n’a augmenté que d’environ 2 % en 2020 avec une capacité supplémentaire de 200 mégawatts, ce qui représente une baisse significative par rapport à la croissance enregistrée au cours des cinq années précédentes. À titre de comparaison, une centrale au charbon classique a une capacité d’environ 600 MW.

Pour atteindre zéro émission nette d’ici 2030, la production mondiale d’énergie géothermique devrait augmenter de 13 % chaque année entre 2021 et 2030, soit environ 3,6 gigawatts de capacité. Pour y parvenir, il faudra un meilleur accès à l’eau ultra-chaude qui se trouve à très grande profondeur. C’est le but recherché avec le forage à ondes millimétriques.

Actuellement, le puits de forage le plus profond au monde est le Kola Superdeep Borehole en Russie, près de la Norvège. Résultat d’un projet remontant à l’Union Soviétique, il s’agissait de forer le plus profond possible dans la croûte terrestre, qui fait en moyenne environ 30 kilomètres d’épaisseur sous les continents. Au final, ce puits n’atteint que 12,1 kilomètres dans la croûte et il a fallu 20 ans pour le réaliser car les équipements conventionnels, tels que les foreuses mécaniques, ne peuvent pas gérer les conditions rencontrées à une telle profondeur.

La nouvelle technologie mise au point par Quaise Energy, conçue pour perforer la roche avec des ondes millimétriques, pourrait être une solution. En remplaçant les forets conventionnels par des ondes millimétriques générées par une machine baptisée gyrotron, il est possible de faire fondre puis de vaporiser la roche. Un gyrotron dispose d’une puissante source de faisceaux, comme les lasers, mais avec une gamme de fréquences différente. Il a fallu plus de 15 ans à la start-up pour développer la technologie en laboratoire, et démontrer finalement que les ondes millimétriques pouvaient forer le basalte. La technologie devrait permettre de creuser à 20 kilomètres de profondeur, là où les températures atteignent plus de 480 degrés Celsius.

Vue du gyrotron (Source: Encyclopaedia Britannica)

Le projet devrait débuter par une conception hybride, utilisant d’abord la technologie de forage rotatif conventionnelle développée par les industries pétrolières et gazières pour perforer les couches de surface de la Terre. C’est alors que l’on utilise les ondes millimétriques à haute puissance. La première plate-forme de forage hybride à grande échelle devrait être opérationnelle d’ici 2024. D’ici 2026, le premier système géothermique prévu pour produire 100 mégawatts d’énergie thermique fonctionnera à partir de quelques puits de forage. D’ici 2028, le nouveau système devrait commencer à remplacer les centrales à combustibles fossiles par des centrales géothermiques.

Grâce aux températures élevées atteintes à très grande profondeur, la nouvelle technologie produit de la vapeur très proche de la température à laquelle fonctionnent les centrales électriques au charbon et au gaz d’aujourd’hui. Ainsi, il sera possible de remplacer 95 à 100 % de l’utilisation du charbon en développant un champ géothermique et en produisant de la vapeur à partir des profondeurs de la Terre.
Il reste encore beaucoup à faire pour développer pleinement la nouvelle technologie. Les scientifiques doivent mieux comprendre les propriétés des roches à grande profondeur et faire progresser la chaîne d’approvisionnement des gyrotrons qui produisent les ondes millimétriques. De plus, l’équipement devra être produit en quantité et avec une conception robuste adaptée à l’environnement des forages.
Viennent ensuite des défis techniques supplémentaires, tels que la technique d’élimination des matériaux remontés lors du forage et la nécessité de maintenir les puits stables et ouverts une fois le forage terminé.
Au moment où les sources d’énergie géothermique plafonnent à travers le monde parce que les méthodes de forage conventionnelles sont inadaptées pour gérer des profondeurs supérieures à 120 mètres, le Département américain de l’Energie a octroyé à Quaise Energy une subvention pour accélérer les expériences avec un gyrotron plus puissant, et continuer à améliorer les capacités de vaporisation.

Article de Claude Grandpey