Transition énergétique et espace souterrain

Le BRGM explore, évalue les performances et exploite le potentiel de l’espace souterrain en tant que ressource énergétique (géothermie) mais aussi espace de stockage (vecteurs énergétiques, CO2) et de confinement.

L'enjeu

La transition énergétique vise à passer progressivement d'un système énergétique basé essentiellement sur les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et les matières radioactives, qui sont par nature limitées et, dans leur grande majorité, émettrices de gaz à effet de serre, à des sources énergétiques moins centralisées, diversifiées, renouvelables et décarbonées (éolien, solaire, hydraulique, géothermique, biomasse, etc.). Dans une perspective de long terme, l’objectif d’arriver à une neutralité carbone en France (stratégie nationale bas carbone) et à l’échelle européenne a été fixé en cohérence avec les objectifs de l’Accord de Paris, ratifié en 2015. Dans une perspective à court/moyen terme, la « Programmation pluriannuelle de l'énergie » (PPE), fixe une trajectoire pour le mix énergétique à l’horizon 2028.

Le contexte de la transition énergétique conduit à penser les géothermies et les stockages souterrains comme parties prenantes du futur mix énergétique décarboné en complémentarité avec les autres énergies renouvelables.

Vue d'un plan de réflexion sur les différentes sources de la géothermie dans le développement des écoquartiers

Vue d'un plan de réflexion sur les différentes sources de la géothermie dans le développement des écoquartiers (2011).

© BRGM

L'ambition du BRGM

L’ambition du BRGM est de contribuer à des solutions qui pourraient être mises en oeuvre aussi bien à l’échelle des sites spécifiques que des territoires. Il s’agit notamment de garantir un recours durable au sous-sol au regard des impacts environnementaux, économiques et sociétaux. Cette ambition repose sur les capacités scientifiques et techniques pour explorer, évaluer et exploiter le potentiel du sous-sol au regard de ses différentes fonctions potentielles dans les domaines des géothermies et des stockages géologiques (CO2, vecteurs énergétiques et déchets radioactifs) et d’en évaluer les impacts environnementaux.

Nos résultats et données

 Cheminées d'une usine rejetant de la fumée
Publications scientifiques
Les publications scientifiques du BRGM sont accessibles en ligne, sur la plateforme d'archives ouvertes HAL-BRGM.
Consulter les publications scientifiques
Champ géothermique , Islande
Rapports publics
Les résultats scientifiques du BRGM sont notamment valorisés à travers ses rapports publics, accessibles sur le portail InfoTerre.
Accéder aux rapports publics
Série de vidéos créée dans le cadre du projet européen Géothermie Caraïbe 2
Thèses et post-doctorats
Le co-encadrement de thèses de doctorat constitue un pilier essentiel de l’activité de recherche au BRGM.
Voir les thèses et post-doctorats
Exploitation géothermale, Nouvelle Zélande

Programme scientifique : Transition énergétique et espace souterrain

Les stratégies gouvernementales, orientant les géothermies vers une chaleur renouvelable et promouvant la décentralisation et la territorialisation des systèmes énergétiques, conduisent à revisiter et faire évoluer des actions de R&D menées jusqu’à présent par le BRGM.

Les futures actions de R&D s’organisent autour de trois objectifs scientifiques majeurs permettant non seulement une optimisation interne mais aussi une adaptation au paysage en mutation autour de la question de la transition énergétique.

Développer la capacité à extraire de la chaleur du sous-sol (les géothermies) pour produire une chaleur (/froid) décarbonée et à stocker de la chaleur (/froid) dans le sous-sol

Cet objectif s’inscrit dans la continuité des travaux menés depuis une quinzaine d’années et vise en premier lieu à produire des connaissances, des méthodes et des procédés destinés à soutenir les filières industrielles de production de chaleur et de cogénération (chaleur/électricité). Il s’agira de poursuivre et décloisonner les travaux scientifiques réalisés dans le cadre des différentes géothermies et du stockage de chaleur pour construire une véritable expertise partagée en couvrant les différentes gammes de températures : production de chaleur allant de la très basse température à la basse température (chaleur « urbaine » notamment) et à la haute température (chaleur « industrielle », cogénération chaleur/ électricité). La production d’électricité d’origine géothermique reste au niveau français une activité de niche, spécifiquement dans les départements et régions d’outre-mer, mais pouvant bénéficier des retombées des recherches faites dans le cadre de la géothermie profonde en territoire métropolitain.

Le stockage de chaleur (/froid) en souterrain (massif rocheux, aquifères…), thématique clairement engagée ces dernières années pour les basses températures, constitue une des priorités du programme avec une évolution indispensable à terme vers des stockages saisonniers massifs en considérant les hautes températures et la récupération de la chaleur fatale.

Enfin, les solutions technologiques de production et de stockages de chaleur doivent à moyen et long terme s’intégrer dans des systèmes énergétiques à différentes échelles (bâtiments, quartiers, réseau de chaleur urbain…) et contribuer à leur optimisation.

Orientations de recherche

  • Identification et compréhension des mécanismes physicochimiques prédominants.
  • Modélisation des phénomènes couplés. 
  • Expérimentation en laboratoires et sur plateforme.
  • Méthodes pour le développement, le suivi et l’optimisation de l’exploitation adaptées aux problématiques du réservoir, des puits et du site de production de chaleur.
  • Méthodes pour le développement, le suivi et l’optimisation de l’exploitation adaptées aux problématiques des stockages souterrains de chaleur en massifs rocheux et en aquifères.
  • Solutions intégrées de la caractérisation de la formation / site à l'évaluation du potentiel énergétique, à l’optimisation du système énergétique et à l'estimation des coûts/gains.

Estimer et exploiter le potentiel du sous-sol à l’échelle des territoires en vue de la performance technique, environnementale et économique des systèmes énergétiques

Ce deuxième objectif, fortement orienté vers les territoires (quartier, ville ou région…), vise en premier lieu à produire des connaissances, des méthodes et des procédés destinés à l’évaluation du potentiel des territoires métropolitains dans un schéma de décentralisation des solutions énergétiques. Les actions de R&D vont de la compréhension et qualification des ressources aussi bien géothermales que pour les différents stockages géologiques au développement de méthodes d’évaluation du potentiel du « sous-sol ». Le développement de méthodes d’exploration et de caractérisation du sous-sol à mettre en oeuvre dans les territoires à différentes échelles et dans différents contextes sont indispensables pour optimiser l’exploitation de ce potentiel. Une attention spécifique aux territoires outremer en zone volcanique est apportée, notamment en vue de la production d’électricité d’origine géothermique en cohérence avec les problématiques des Zones non interconnectées (ZNI).

L’exploitation optimisée et responsable du potentiel du sous-sol nécessite une approche plus systémique en connexion avec la surface. L’accent est mis sur la notion de performance des solutions à proposer et son développement tout en garantissant la « viabilité » des systèmes énergétiques impliquant le sous-sol dans la perspective d’un développement durable et soutenable de ces systèmes. Cela inclut l’identification et l’évaluation des risques et des impacts environnementaux potentiels et les éléments sociaux et technico-économiques de ces problématiques. La réduction des coûts et le chiffrage des coûts susceptibles d’être atteints dans un scénario idéal doivent être visés.

Ces recherches visent plus spécifiquement une aide à la décision publique. Elles sont pour certaines le prolongement d’actions de R&D déjà entreprises mais nécessiteront une évolution significative vers des approches systèmes et une recherche de partenariat approprié. À moyen terme, ils viseront à accompagner à différentes échelles, les territoires et futurs acteurs de la transition énergétique en lien avec nos agences régionales.

Orientations de recherche

  • Stratégies d’exploration et de caractérisation des sites de production et de stockage de chaleur. 
  • Méthodes d’estimation des ressources et des potentiels adaptées aux territoires.
  • Amélioration/optimisation des performances des systèmes énergétiques en intégrant les « ressources » du sous-sol (approche systèmes complexes).
  • Évaluation de la place que pourrait prendre le sous-sol dans la palette des moyens de stockage d’énergie, plus spécifiquement le stockage souterrain massif de chaleur inter-saisonnier, et les services que peut rendre le stockage souterrain au système électrique.
  • Approches prédictives des comportements du sous-sol pour appréhender les impacts environnementaux et humains de ses usages énergétiques selon des scénarios d’évolution normale ou altérée.
  • Évaluation de la « viabilité » (environnementale, économique, sociétale) des solutions de stockage et de production d’énergie impliquant le sous-sol (approche systèmes complexes dynamiques évoluant sous contraintes).

Développer les solutions de stockage géologique pour les schémas de transition écologique

Ce troisième objectif prioritaire vise à développer des connaissances, des méthodes, des procédés et des solutions technologiques relatifs aux stockages géologiques à intégrer dans les schémas de la transition écologique.

L’évolution des systèmes énergétiques va se traduire par une diversification des vecteurs énergétiques (chaleur, gaz de synthèse, H2, O2…) et s’accompagner d’un couplage grandissant entre les différents réseaux énergétiques. Il s’agit alors d’être en mesure de développer les connaissances et briques technologiques concernant plus spécifiquement les interactions physico-chimiques entre ces différents vecteurs et le sous-sol ainsi que le comportement du milieu naturel dans les conditions de ces stockages (H2, air comprimé…). À terme, des méthodologies d’intégration de ces stockages devront être développées en vue de l’optimisation des systèmes multivecteurs (couplage entre les réseaux électricité/chaleur/gaz).

La neutralité carbone nécessite de produire des « émissions négatives » pour compenser les émissions résiduelles, selon les scénarios de la Stratégie nationale bas carbone (SNBC). Ces émissions négatives peuvent résulter de puits technologiques comme le stockage géologique de carbone après Captage des émissions de CO2 (CSC). Les connaissances et développements des briques technologiques nécessaires au stockage géologique en aquifères salins profonds sont privilégiés. Des procédés de captage (captage solide notamment) et/ou d’utilisation, s’ils stockent le CO2 dans des produits à durée de vie longue (séquestration minérale) sont envisagés. Les synergies avec les Énergies renouvelables (EnR) (notamment géothermie) sont à développer.

Enfin, la production de connaissances, de méthodologies et de briques technologiques pour l’accompagnement de la reconversion potentielle des dispositifs d’exploitations des hydrocarbures est visée en accompagnement des industriels (reconversion des puits d’exploitation notamment).

Les actions de R&D relatives à cet axe s’inscrivent globalement dans une stratégie d’accompagnement d’opérateurs externes. Elles se situent pour certaines dans la continuité d’actions entreprises ces dernières années dans le cadre de conventions (ANDRA) ou le déploiement de briques technologiques en vue du développement de démonstrateurs ou pilotes industriels. La production de connaissances (transports réactifs notamment) et méthodologies relatives aux barrières géologiques et anthropiques nécessaires au confinement dans le sous-sol est visée en accompagnement d’agences (stockages de déchets radioactifs).

Orientations de recherche

  • Modélisation des processus et évaluation des performances de barrières géologiques (transport réactif, réactivité chimique et comportement des formations géologiques, etc.).
  • Expérimentation en laboratoires.
  • Développement de méthodes d’évaluation des performances de stockages souterrains.
  • Méthodes d’auscultation et monitoring des ouvrages souterrains.