Pendant plus de 20 ans, des scientifiques et ingénieurs ont travaillé sur le site de Soultz-sous-Forêts, en Alsace du Nord (50 km au nord de Strasbourg), pour faire avancer la connaissance sur la géothermie profonde et mettre au point les techniques d’exploitation de cette chaleur naturelle grâce à ce grand instrument international de développement et de recherche. Le projet de Soultz-sous-Forêts a été jusqu’à l’inauguration de la centrale pour une utilisation industrielle, le programme de recherche scientifique le plus avancé au monde dans le domaine de la géothermie profonde de type EGS (« Enhanced Geothermal System », en français « système géothermique stimulé »)
Le projet a connu 4 grandes phases depuis 1987 son année de lancement.
Un sous-sol exceptionnel: un immense réservoir naturel géothermal profond
Deux ingrédients fondamentaux sont réunis dans le sous-sol sous la région de Soultz-sous-Forêts pour en faire un site remarquable.
- Une source de chaleur: le gradient géothermique est sensiblement plus élevé que la normale (de l’ordre de trois fois supérieur). Ceci est connu depuis longtemps suite à l’exploitation pétrolière de la région au début de XXe siècle où une température de 50°C avait été mesurée à 400m de profondeur.
- Un fluide naturel abondant permettant le transport de la chaleur vers la surface: une eau saumâtre (dont la salinité est trois fois supérieure à l’eau de mer) est présente en quantité importante dans les fractures naturelles du granite et circule naturellement sur de grandes distances (plusieurs kilomètres) homogénéisant la température entre 1500 et 4000m et réduisant ainsi très sensiblement le gradient géothermique (10°C/km au lieu de 100°C/km au dessus).
4 puits de forage profonds: un accès au réservoir développé
Quatre forages profonds ont été réalisés permettant d’atteindre le granite fracturé à 5000m de profondeur. Leur diamètre de grande taille permet une circulation maximale du fluide géothermal. Le diamètre est ainsi proche de 50cm en surface mais décroit avec la profondeur en trois étapes pour atteindre environ 21cm au fond du puits. Chacun des puits est tubé jusqu’à 4500m de profondeur ce qui le rend stable mécaniquement, étanche et empêche ainsi tout contact entre le fluide naturel du réservoir profond avec le sous-sol situé en proche surface. La zone du forage en connexion avec le réservoir correspond aux 600 derniers mètres.
Les têtes de forages se situent sur deux sites:
- GPK1 où le premier forage GPK1 a été réalisé (jusqu’à 3600m) et où sont installés les bureaux de gestion du site (GEIE Exploitation Minière de la chaleur), le long de la route départementale D28 (entre Soultz-sous-Forêts et Kutzenhausen)
- GPK2 où les têtes des trois forages GPK2, GPK3 et GPK4 de plus de 5100m sont réunies sur un seul site accueillant également la centrale de production électrique, le long de la route départementale D264 (entre Soultz-sous-Forêts et Surbourg).
Dans le réservoir, une eau chaude (entre 140 et 200°C) saumâtre circule naturellement.
Composition chimique du fluide :
- Saumure riche en Na-Cl
- pH 4.8-5.0
- TDS 97 g/L (Total Disolved solids = Concentration totale des substrances dissoutes dans l’eau)
- Densité = 1.065 g/cm3 (à 20°C)
L’amélioration de la circulation des fluides naturels: les stimulations
La circulation dans la boucle géothermale peut être améliorée à deux niveaux grâce à la stimulation:
- Amélioration de la connexion entre les puits de forage et le réservoir. Les puits étant d’un diamètre très petit par rapport à la taille du réservoir, il est nécessaire de développer la connectivité entre le puits et les fractures du proche voisinage à une échelle de quelques mètres autour du puits.
- Amélioration de la circulation dans le réservoir fracturé. La boucle géothermale inclut une circulation dans le réservoir entre les puits. Une deuxième étape consiste à développer la connectivité entre les puits au sein du réservoir, à grande échelle (plusieurs centaines de mètres).
Dans les deux cas, l’objectif est de stimuler des fractures existantes hydrauliquement, thermiquement ou chimiquement pour augmenter leur conductivité hydraulique et ainsi augmenter le flux du fluide géothermal pour une même mise en pression. C’est le coeur de la technologie EGS. Hydrauliquement, le principal phénomène est du frottement hydraulique le long de fracture existante et à l’origine de la sismicité induite observée, bien différent de la fracturation hydraulique.
Une installation de surface industrielle opérationnelle
La centrale installée à Soultz-sous-Forêts est conçue pour une production d’électricité nette de 1.8 MWe lorsqu’elle fonctionne à pleine puissance.
Une étape décisive a été franchie le 13 juin 2008, avec la mise en service de la centrale pilote de production d’électricité. Il s’agit d’une deuxième boucle fermée constituée d’un autre fluide (isobutane) de type ORC dont l’objectif est d’extraire la chaleur du fluide géothermal en se vaporisant à son contact et puis de faire tourner à haute vitesse une turbine électrogène avant d’être refroidi et recondenser par des aérocondenseurs qui propulsent de l’air ambiant sur le fluide chaud. (voir animation)
Au cours de l’année 2014, la centrale électrique du site géothermique de Soultz-sous-Forêts (installée en 2008) a été mise à l’arrêt suite à un problème de l’échangeur ORC. Les installations de surface ont été modernisées au cours de l’année 2015.
La centrale a été remise en fonctionnement au printemps 2016 pour une utilisation industrielle.