Note d'information : Innovation en matière d'énergie terrestre  

Soutenir la recherche, le développement, la démonstration et le déploiement (RDD&D) de l'énergie géothermique de nouvelle génération 

Introduction 

Les innovations dans le domaine de la géothermie de nouvelle génération ont le potentiel de transformer l'accès du pays à une énergie propre et ferme. L'une de ces technologies, energie superhot rock (SHR), tire son énergie de la chaleur profonde de la Terre, qui est inépuisable et disponible à tout moment. L'exploitation de cette ressource pourrait fournir de l'électricité propre et ferme à l'échelle nécessaire pour décarboniser l'économie mondiale. En raison de sa densité énergétique élevée, de ses faibles besoins en terrains, de son offre illimitée et de sa disponibilité mondiale, energie superhot rock a le potentiel de répondre aux demandes à long terme d'énergie renouvelable 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, à un coût compétitif. Cependant, malgré son immense potentiel, energie superhot rock n'est pratiquement pas pris en compte dans les politiques de décarbonisation. D'autres types d'énergie géothermique innovante de la prochaine génération, tels que les systèmes géothermiques améliorés et les systèmes géothermiques en circuit fermé (CLGS), ne reçoivent pas non plus le soutien nécessaire pour atteindre leur plein potentiel.  

Pour comprendre les obstacles à l'innovation géothermique et les moyens de les surmonter, Clean Air Task Force (CATF) s'est lancé dans une série de séances d'écoute. D'octobre 2022 à janvier 2023, CATF a mené 24 conversations avec des représentants de 21 organisations activement engagées dans l'innovation géothermique. Il s'agissait notamment de partenaires industriels (développeurs, sociétés de forage et sociétés de services), de laboratoires nationaux et universitaires, etc. L'objectif de ces séances d'écoute était d'identifier les lacunes politiques et les besoins de l'industrie en matière de recherche, de développement et de démonstration de l'énergie géothermique de la prochaine génération. 

Points forts de la campagne d'écoute du Superhot Rock

Octobre 2022 - janvier 2023

En conséquence, CATF a identifié les principaux obstacles à l'innovation dans le domaine de l'énergie géothermique et au développement de energie superhot rock aux États-Unis, et a mis en évidence trois domaines clés dans lesquels le gouvernement fédéral pourrait jouer un rôle de premier plan :  

1. Établir un cadre : Établir un cadre institutionnel qui fournisse les ressources nécessaires pour se concentrer sur les technologies géothermiques transformationnelles et faciliter l'extensibilité nécessaire pour que la géothermie atteigne son plein potentiel. 

2. Favoriser l'accélération des technologies : Soutenir la recherche et le développement (R&D) dans les secteurs public et privé.  

3. Faciliter l'élaboration d'une feuille de route : Faciliter une série d'études d'agences fédérales visant à créer une feuille de route bien informée pour que les États-Unis s'orientent vers une énergie propre, disponible 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, dérivée de sources géothermiques de nouvelle génération. 

Pourquoi promouvoir des politiques qui favorisent energie superhot rock (SHR) ? Des projets de démonstration suggèrent que l'eau qui entre en contact avec la chaleur profonde de la Terre pourrait fournir jusqu'à dix fois plus d'énergie que la vapeur provenant des ressources géothermiques conventionnelles. En raison de sa densité énergétique élevée, de son faible besoin en terrain, de son approvisionnement inépuisable et de sa disponibilité quasi universelle, energie superhot rock a le potentiel de répondre à la demande à long terme d'une énergie sans carbone et disponible en permanence. Mais pour parvenir à déployer l'énergie SHR dans les prochaines années, il faut commencer dès maintenant la recherche et le développement sur les opérations dans des conditions de température et de pression ultra-chaudes. Le monde ne peut pas se permettre d'attendre une autre décennie pour poursuivre le développement de cette source d'énergie transformatrice. 

C'est pourquoi nous devons également continuer à renforcer l'innovation dans le domaine de la géothermie au sens large : Bien que la géothermie ait un avenir prometteur, il existe des besoins immédiats de technologies prêtes à être déployées dès aujourd'hui. Seulement 0,1 % de la chaleur qui se trouve sous nos pieds peut répondre aux besoins énergétiques totaux de la planète pour les 2 millions d'années à venir - et cette chaleur se régénère constamment. Les technologies géothermiques qui améliorent la capacité d'accéder à cette source de chaleur illimitée permettent en fin de compte aux États-Unis de devenir indépendants sur le plan énergétique grâce à une source d'énergie propre, robuste et disponible 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. 

Vous trouverez ci-dessous une liste des principales conclusions des sessions d'écoute.

9 obstacles au développement de l'énergie géothermique  

Obstacle 1 : Impossibilité de déployer des projets 

L'obtention de permis est un goulot d'étranglement critique pour de nombreuses parties prenantes interrogées. Le développement d'installations géothermiques nécessite un processus d'autorisation étendu. En janvier 2022, Idaho National Labs a modélisé un scénario hypothétique d'autorisation pour un projet dans l'ouest des États-Unis. Ce modèle prévoyait des délais d'autorisation compris entre 6 et 13 ans pour un seul projet géothermique. La gestion des terres publiques est un élément clé pour comprendre ce problème de déploiement - 67 % de la capacité de production d'électricité géothermique aux États-Unis se trouve sur des terres gérées par le Bureau of Land Management (BLM) (BLM, 2022). De nombreuses parties prenantes ont indiqué que le personnel des agences chargées de délivrer les permis sur le terrain, comme le BLM, ne dispose pas de ressources suffisantes pour comprendre les technologies et les approches géothermiques avec lesquelles il n'est pas souvent en contact.  

En conséquence, les permis d'exploitation de la géothermie sont moins prioritaires que les permis d'exploitation de technologies mieux connues. La lenteur et l'incertitude des délais d'obtention des permis incitent les investisseurs à éviter d'investir dans les technologies géothermiques de nouvelle génération, y compris la technologie SHR, et ralentissent considérablement le processus d'essai et de développement de ces technologies. Pour compenser ce risque, les promoteurs sont attirés par des sites où les obligations en matière de permis sont censées être réduites, plutôt que par des endroits où l'énergie est demandée ou où la technologie peut être optimisée. 

Obstacle 2 : Les États-Unis sont à la traîne par rapport à leurs partenaires internationaux en ce qui concerne l'innovation energie superhot rock  

Des pays comme le Japon, la Nouvelle-Zélande et l'Italie ont été le théâtre de projets de recherche de premier plan dans le domaine de l'énergie SHR. Les groupes de recherche nationaux ont régulièrement mentionné la nécessité de collaborer avec des partenaires internationaux dans le domaine de l'énergie SHR et ont déploré l'inefficacité du travail en silos. Grâce à des initiatives Horizon 2020 telles que DEEPEN et DESCRAMBLE, l'UE a été le fer de lance d'une recherche et d'un développement approfondis sur le site energie superhot rock. Il est impératif que les groupes de recherche américains disposent des ressources nécessaires pour collaborer avec les groupes de recherche internationaux. 

Obstacle 3 : Ressources inefficaces pour le partage des données 

De nombreuses parties prenantes interrogées sur le site CATF ont fait part de leur intérêt pour le partage des données de caractérisation des réservoirs et de forage. Les données sont une ressource précieuse pour le développement géothermique, et l'accès aux données de subsurface est essentiel pour aider les entreprises à rechercher de la chaleur et à réduire le risque d'échec des puits grâce à des programmes de forage bien informés. Bien qu'il existe des dépôts de données au niveau fédéral et au niveau des États, ceux-ci doivent être organisés, centralisés et plus largement accessibles. La base de données existante issue de la recherche financée par le gouvernement fédéral, le Geothermal Data Repository, a été critiquée par quelques personnes interrogées, qui l'ont qualifiée de "mauvaise" ou d'"inaccessible".  

Obstacle 4 : Manque d'attention de la part des agences fédérales  

De nombreuses parties prenantes ont exprimé leur inquiétude quant au fait que les services du ministère américain de l'énergie (DOE) hésitent à consacrer des ressources importantes aux technologies géothermiques naissantes, y compris la technologie SHR, parce que ces technologies ont des coûts initiaux plus élevés et qu'il faut beaucoup de temps pour en démontrer le succès. Il est beaucoup plus facile pour une agence de financer une technologie mature qui a plus de chances d'être construite, même si son potentiel de décarbonisation est plus faible. 

Bien qu'il soit important de soutenir l'innovation géothermique en général, sans un bureau chargé spécifiquement de poursuivre le développement de la technologie SHR, la recherche au niveau fédéral sur la SHR risque de stagner. Les technologies géothermiques matures sont souvent considérées comme un tremplin vers la réalisation de la RHS, mais ce n'est pas nécessairement le cas. Dans de nombreux cas, la R&D des technologies géothermiques matures n'est pas applicable à la RSS car elle nécessite l'utilisation d'équipements à haute température et à haute pression (HTHP). Pour garantir l'allocation de fonds, la recherche, la collaboration et le développement de meilleures pratiques spécifiques à la SHR, il faut un soutien institutionnel à la SHR au sein de l'Office des technologies géothermiques (GTO). Le GTO devrait s'efforcer de promouvoir l'innovation dans le domaine de la géothermie à haute température, en plus de l' innovation dans les technologies géothermiques à plus basse température.  

Obstacle 5 : efforts de recherche et de développement cloisonnés 

La commercialisation de energie superhot rock ne nécessitera pas une percée scientifique majeure, mais sera plutôt le produit d'itérations techniques intentionnelles dans de multiples disciplines. Ces domaines sont les suivants 

• Systèmes de forage permettant de forer rapidement dans des roches plus profondes, plus chaudes et à plus haute pression que les conditions rencontrées dans les forages pétroliers et gaziers ou les forages géothermiques conventionnels ; 
• Des matériaux plus robustes, conçus pour résister aux cycles thermiques dans cet environnement plus difficile ;  
• Amélioration de la circulation des fluides dans les roches sèches à haute pression et à haute température ; 
• Outils ou mécanismes de refroidissement permettant de mesurer les conditions de surchauffe en fond de puits ;  
• Équipement de surface conçu pour résister à la vapeur surchauffée ; 

• Compréhension approfondie de la surveillance et de l'atténuation des séismes ; et plus encore.  

Certaines de ces technologies ont été développées mais n'ont pas encore été testées sur le terrain. Toutes ces avancées technologiques peuvent s'appuyer sur des travaux antérieurs réalisés pour d'autres sources d'énergie, telles que l'énergie géothermique conventionnelle et les ressources pétrolières et gazières non conventionnelles. Mais contrairement à l'industrie pétrolière et gazière, l'industrie des roches très chaudes n'est pas intégrée verticalement. Les entreprises et les laboratoires nationaux ont plutôt tendance à ne travailler que sur un ou deux des domaines susmentionnés. Cela s'explique par le fait que chacune de ces technologies/champs d'activité est unique et qu'une expertise technique spécifique est nécessaire pour réaliser des progrès. Le cloisonnement des efforts de recherche et de développement complique la mise en valeur des roches très chaudes en créant un réseau complexe de propriété intellectuelle. Pour amener la SHR à l'échelle commerciale, les innovations en cours de développement devront fonctionner ensemble. Lorsqu'aucune entreprise n'a accès à toutes ces innovations, elles ne peuvent pas être testées ensemble - et encore moins utilisées ensemble dans le cadre d'un projet de démonstration. 

Obstacle 6 : Accès limité aux essais sur le terrain 

Les start-ups et les chercheurs en laboratoire disposent de très peu de ressources pour accéder aux essais sur le terrain. Les entreprises et les groupes de recherche en sciences humaines et sociales avec lesquels nous nous sommes entretenus considèrent les essais sur le terrain comme un besoin essentiel, et nombre d'entre eux les considèrent comme leur besoin le plus critique et/ou le plus immédiat. Cependant, le manque de partenariats coordonnés et de sites d'essai partagés a constitué un obstacle pour permettre aux entreprises et aux chercheurs de tester leurs innovations sur le terrain.  

Les laboratoires nationaux et les entreprises privées jouent tous deux un rôle important dans le progrès technologique, et une approche collaborative qui exploite les forces de chacun peut avoir un impact maximal. Il est nécessaire de mettre en place un programme de financement permettant aux développeurs de tester leurs technologies sur le terrain dans des centres d'essais autorisés et d'améliorer ces technologies à l'échelle du banc d'essai en collaborant avec un consortium de laboratoires nationaux. 

Un site d'essai sur le terrain (le site FORGE dans l'Utah) fournit ce service pour les systèmes géothermiques améliorés à basse température. Les personnes interrogées ont reconnu la valeur de FORGE en tant que site d'essai, et certaines avaient prévu de travailler avec FORGE ou souhaitaient le faire. Cependant, certaines personnes interrogées ont également fait remarquer que la chaleur de ce site n'est pas idéale pour tester les technologies de roches très chaudes. Certaines personnes interrogées ont suggéré de reproduire le modèle FORGE dans un environnement à température plus élevée.

Obstacle 7 : Il y a une inadéquation entre le financement et les besoins 

Le financement public des laboratoires nationaux et le financement privé de la R&D devraient être ciblés sur des domaines technologiques qui ne sont pas pris en compte dans le cadre public ou privé. Ceci est particulièrement important pour les domaines de recherche qui ne seraient pas autrement poursuivis par les mécanismes du marché commercial. Au cours de nos séances d'écoute, l'industrie nous a répété à maintes reprises que les lacunes technologiques cruciales et réalisables dans le domaine de l'énergie SHR ont été largement ignorées, alors que d'autres domaines technologiques ont fait l'objet de travaux de R&D pendant des décennies. La définition de domaines de recherche ciblés a plus d'impact qu'un financement non ciblé.  

Obstacle 8 : Les développeurs sont préoccupés par le maintien des droits de propriété intellectuelle 

La propriété intellectuelle a été citée comme l'un des principaux sujets de préoccupation de nombreuses parties prenantes ayant participé aux séances d'écoute. Bien qu'il n'y ait eu aucun cas où le gouvernement américain ait utilisé le Bayh-Dole Act - qui lui permettrait d'exercer des droits d'entrée pour conserver la propriété intellectuelle générée par un projet financé par le gouvernement fédéral - la possibilité que cela se produise est souvent une source de préoccupation pour les développeurs. Une partie prenante a déclaré que l'industrie est souvent réticente à demander des subventions fédérales de R&D parce qu'elle ne comprend pas bien les règles de propriété intellectuelle ou les dérogations disponibles. Pour ces parties prenantes, il est clair que la nécessité de comprendre les protections de la propriété intellectuelle l'emporte sur le désir d'obtenir un financement fédéral, ce qui finit par étouffer la croissance et l'innovation.  

L'allongement des délais de demande de subvention et la publication d'une FAQ sur les protections de la propriété intellectuelle relatives au financement du ministère de l'environnement ainsi que sur la procédure de dérogation pourraient donner aux développeurs le temps nécessaire pour se familiariser avec les implications des conditions associées au financement fédéral et s'assurer qu'ils peuvent protéger de manière adéquate la propriété intellectuelle associée à l'engagement dans un programme fédéral au cours de la procédure de demande. 

Obstacle 9 : Absence de feuille de route intentionnelle pour le développement des technologies 

Il est important que le développement de la technologie géothermique et l'extension de ce développement soient intentionnels. Un certain nombre de parties prenantes ont estimé qu'il était nécessaire de mieux connaître et analyser les impacts sur les communautés, les besoins technologiques, les impacts sur le marché, les lacunes de la chaîne d'approvisionnement, les impacts sur la main-d'œuvre, les risques et les avantages liés à l'innovation dans le domaine de la géothermie de haute performance et de la prochaine génération. 

Pourquoi est-il important que la R&D publique complète le développement technologique privé ? 

La R&D privée et la R&D publique jouent des rôles complémentaires dans le développement technologique, et il est important de les financer toutes les deux. Les laboratoires nationaux sont bien placés pour répondre aux questions académiques fondamentales qui sont plus largement applicables. Parce qu'ils n'ont pas de but lucratif, ils sont également les mieux placés pour générer de la recherche et du développement dans des domaines où les enseignements doivent être partagés ouvertement entre les parties prenantes. Enfin, les laboratoires nationaux peuvent développer des technologies qui n'ont pas de marché immédiat sur lequel l'industrie privée peut capitaliser. Par exemple, les capteurs à haute température et à haute pression peuvent ne pas avoir de cas d'utilisation immédiate, au-delà de l'exploration spatiale, jusqu'à ce que le SHR soit commercialement viable. S'il est raisonnable de penser que l'industrie privée finira par être rentable dans ce domaine, elle ne pourra pas le faire tant que le marché n'existera pas.  

Le financement de la R&D privée joue également un rôle clé dans l'évolution rapide et significative des technologies. L'industrie privée peut travailler rapidement et avec souplesse, prendre des décisions rentables et investir dans la création d'une propriété intellectuelle qui a une valeur financière sans soutien futur des pouvoirs publics. C'est important pour créer une technologie qui sera compétitive sur un marché commercial.  

Quel rôle le gouvernement fédéral peut-il jouer dans le développement de la technologie géothermique ? 

La politique fédérale joue un rôle important dans l'avancement des technologies sans carbone. Les investissements privés dans l'énergie géothermique de nouvelle génération ont connu un essor important et croissant au cours des dernières années. Cependant, le gouvernement fédéral peut jouer un rôle unique dans le développement et le déploiement de cette technologie : 

• Prendre des risques : L'investissement public n'est pas lié à la nécessité pour les entreprises privées d'atteindre des objectifs financiers à court terme et est donc habilité à poursuivre des projets de développement énergétique à haut risque et à haut rendement. Le secteur public a également l'obligation envers ses électeurs de maintenir l'accès à une énergie propre et à la demande sur un horizon temporel tout aussi long. Ce n'est pas une tâche triviale compte tenu de la demande croissante d'électricité ferme. Bien que les estimations de la demande future d'électricité varient considérablement, presque tous s'accordent à dire qu'elle continuera à augmenter compte tenu de la tendance à l'électrification des systèmes de transport, des nouvelles techniques de calcul et de stockage, et de l'intérêt croissant pour l'hydrogène à faible teneur en carbone. Les décideurs politiques fédéraux sont dans une position unique pour intervenir au cours des premières étapes afin de faire avancer la technologie. Le financement public peut inciter les projets à progresser et à itérer sur les nouvelles technologies jusqu'à ce que les entreprises privées soient prêtes à investir de manière significative et à permettre à la technologie d'être compétitive sur les marchés de l'énergie. 
• Catalyser la recherche et le développement : Le gouvernement fédéral joue un rôle clé dans l'accélération de la recherche et du développement des SHR. Le financement de la recherche et du développement privés peut favoriser une accélération rapide de la technologie, et le financement des laboratoires nationaux et des universités peut contribuer à fournir un soutien impartial à la R&D, ainsi qu'une feuille de route impartiale pour l'adoption de la technologie. En outre, les investissements publics à grande échelle signalent aux acteurs de l'industrie que celle-ci est appelée à jouer un rôle important à l'avenir, ce qui déclenche un cercle vertueux d'investissements accrus de la part du secteur privé. 

• Établir des normes et des meilleures pratiques : Les agences fédérales sont particulièrement bien placées pour fournir une source commune pour le développement des meilleures pratiques. Ces pratiques sont nécessaires pour garantir le déploiement technologique, l'équité, la sécurité et l'efficacité des types d'énergie naissants tels que les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation. 
• Favoriser la collaboration : La commercialisation de energie superhot rock sera le résultat d'une série d'innovations technologiques dans de nombreux domaines, notamment le forage, la stimulation, l'achèvement des puits, la production d'énergie, etc. Le travail dans ces domaines est effectué par un ensemble diversifié de parties prenantes qui risquent de travailler en vase clos. Les programmes fédéraux peuvent contribuer au développement des sciences de la vie et de la technologie en encourageant la collaboration entre les parties prenantes à tous les niveaux, y compris les alliés internationaux, les agences gouvernementales, les établissements universitaires et les entreprises privées.  
• Augmenter la taille du prix : Les États-Unis sont à la traîne des autres pays en ce qui concerne les investissements dans l'innovation en matière d'énergie géothermique. Cependant, les entreprises de combustibles fossiles basées aux États-Unis détiennent la quasi-totalité de la main-d'œuvre qualifiée et des chaînes d'approvisionnement nécessaires à la production de l'énergie géothermique de la prochaine génération. Contrairement à de nombreux pays leaders, les États-Unis ont une occasion unique de développer rapidement les technologies géothermiques en exploitant les chaînes d'approvisionnement existantes et de devenir un leader dans le développement d'une électricité propre, disponible 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.

energie superhot rock est prometteuse, mais le soutien du gouvernement fédéral est essentiel

Les technologies géothermiques de nouvelle génération, telles que energie superhot rock, peuvent faire des États-Unis un leader dans la transition énergétique mondiale. L'exploitation de la source illimitée d'énergie thermique de la Terre pourrait accélérer rapidement la décarbonisation des sources d'énergie américaines et garantir la sécurité énergétique et la prospérité économique aux États-Unis et au-delà. Bien que diverses parties prenantes s'intéressent à cette source d'énergie innovante, disponible 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, le soutien du gouvernement fédéral est essentiel pour relever les défis décrits ci-dessus. Alors que l'énergie géothermique de nouvelle génération continue de susciter un élan rapide, le gouvernement fédéral a la capacité unique de faire passer cette technologie d'une maturité précoce à un déploiement commercial.