L'énergie géothermique avancée pourrait répondre à près de deux tiers de la demande de nouveaux centres de données d'ici à 2030

Selon une analyse du groupe Rhodium

Une pénurie d'énergie se profile à l'horizon alors que les fournisseurs d'IA et d'informatique Cloud accélèrent la construction de centres de données. Mais un nouveau rapport suggère qu'une solution se trouve sous leurs fondations. L'énergie géothermique avancée pourrait répondre à près de deux tiers de la nouvelle demande de centres de données d'ici 2030, selon une analyse du groupe Rhodium. Ces ajouts permettraient de quadrupler la capacité d'énergie géothermique aux États-Unis - de 4 gigawatts à environ 16 gigawatts - tout en coûtant le même prix ou moins que ce que les opérateurs de centres de données paient aujourd'hui.

La croissance rapide de l'IA a fait grimper la demande en énergie à un niveau bien plus élevé que ce qui était prévu. Aux États-Unis, elle mettrait déjà à rude épreuve les capacités de production du pays, ce qui met les entreprises dans l'embarras. Des estimations montrent que les prévisions de croissance sur neuf ans pour l'Amérique du Nord ont pratiquement doublé par rapport à 2023, car les entreprises construisent des centres de données pour l'IA qui font paraître minuscules les besoins des centres de données traditionnels.

Pour de nombreux experts, la fusion nucléaire est considérée comme la solution utlime à ce problème. Entre temps, les géants de la technologie se tournent vers les énergies éolienne, solaire ou géothermique. Concernant cette dernière, de nouvelles analyses mettent en évidence l'énorme potentiel des centres de données alimentés par l'énergie géothermique aux États-Unis.

Pour rappel, l'énergie géothermique est l'énergie thermique extraite de la croûte terrestre. Elle combine l'énergie provenant de la formation de la planète et de la désintégration radioactive. Contrairement à l'énergie éolienne et solaire, les centrales géothermiques produisent de l'électricité à un rythme constant, indépendamment des conditions météorologiques. Les ressources géothermiques sont théoriquement plus que suffisantes pour répondre aux besoins énergétiques de l'humanité. La majeure partie de l'extraction a lieu dans des zones situées à proximité des limites des plaques tectoniques.

L'énergie géothermique de nouvelle génération peut alimenter économiquement près des deux tiers de la croissance des centres de données prévue aux États-Unis au cours de la prochaine décennie, selon un nouveau rapport du fournisseur de recherche indépendant Rhodium Group. Pour compléter ce résultat notable, Project InnerSpace a lancé un nouveau module de centre de données dans son outil GeoMap qui informera les développeurs de centres de données sur les emplacements les plus prometteurs pour le développement de la géothermie, à la fois aux États-Unis et dans le monde entier.


La géothermie offre des avantages considérables pour répondre à la croissance de la charge des centres de données, notamment un facteur de capacité élevé, une grande disponibilité géographique et une abondance massive de chaleur souterraine. Le nouveau module pour centres de données de GeoMap, qui comprend une analyse de favorabilité des sites, trouve une synergie particulière pour les centres de données au Texas, sur les terres fédérales dans tout l'ouest des États-Unis, et dans plusieurs endroits en dehors des États-Unis, y compris, mais sans s'y limiter, en Hongrie, en Indonésie et sur la côte est de l'Australie.

GeoMap utilise un modèle de données qui évalue le potentiel d'énergie géothermique jusqu'à 5 000 mètres avec un seuil de température de 150°C, ce qui garantit que les sites répondent aux exigences minimales en matière de production d'énergie et peuvent être forés de manière économique en utilisant les technologies actuelles. Le modèle tient également compte de la proximité des nœuds de fibre optique, un élément crucial pour la connectivité.

"Alors que les États-Unis se trouvent dans une ère de concurrence urgente pour développer l'IA, tous les regards se tournent vers la croissance des centres de données et les augmentations correspondantes de la demande d'énergie", a déclaré Drew Nelson, vice-président des programmes chez Project InnerSpace. "L'abondance et la fiabilité de la géothermie en font un choix évident pour répondre à une grande partie de cette demande et, pour la première fois, cette recherche chiffre exactement ce potentiel. Le potentiel de développement est vraiment énorme."

Les centres de données consomment beaucoup d'énergie et ont besoin d'une alimentation de base et d'un refroidissement constants et fiables. Le rapport du groupe Rhodium, réalisé avec le soutien du projet InnerSpace, a révélé que l'énergie géothermique pourrait répondre économiquement à 64 % de la croissance prévue de la demande en centres de données aux États-Unis d'ici le début des années 2030 et que la géothermie pourrait répondre à 100 % de la croissance prévue de la demande en centres de données dans 13 des 15 plus grands marchés de centres de données.

En outre, si les centres de données sont construits là où les ressources thermiques souterraines sont les plus abondantes, l'énergie géothermique pourrait répondre à la totalité de la demande des centres de données et réduire le coût moyen national de l'électricité (LCOE) des centres de données alimentés par l'énergie géothermique de 45 %, selon le rapport.

L'énergie géothermique peut également être déployée pour refroidir les centres de données, ce qui, selon le type de centre, peut représenter jusqu'à 40 % de la demande d'énergie des centres de données. Cela signifie que les entreprises peuvent mener des opérations plus efficaces ou construire des centres de données plus grands ou plus denses avec une faible augmentation de la consommation d'énergie. Une couche de sélection pour le refroidissement géothermique est incluse dans le module des centres de données de GeoMap.

Un exemple qui confirme ce rapport : en 2023, une centrale géothermique de nouvelle génération soutenue par Google a commencé à fournir de l'électricité dépourvue de carbone au réseau du Nevada, où l'entreprise technologique exploite certains de ses énormes centres de données. Le projet de 3,5 mégawatts, appelé Project Red, fournit désormais de l'électricité directement à la compagnie d'électricité NV Energy, basée à Las Vegas.

Cette annonce interviennait plus de deux ans après que Google et Fervo ont signé un accord d'entreprise pour développer la centrale "géothermique améliorée". Contrairement aux centrales géothermiques classiques, qui exploitent la chaleur présente à proximité de la surface de la terre, la société Fervo, basée à Houston, utilise des techniques de forage avancées pour accéder à des ressources plus profondes ou plus difficiles à atteindre que les sources d'eau chaude ou les geysers.


Voici le rapport du Rhodium Group pour plus d'information :

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Le potentiel de l'énergie géothermique pour répondre à la demande croissante d'électricité des centres de données

La demande croissante d'électricité provenant des nouveaux centres de données, en particulier sous l'effet de la croissance explosive de l'intelligence artificielle (IA), est rapidement devenue un sujet important dans les cercles de l'énergie et de la technologie. Bien que l'on ne sache pas exactement quelle pourrait être l'ampleur de ce boom de la demande, il est clair que les compagnies d'électricité et les décideurs politiques prennent au sérieux la possibilité de cette croissance et envisagent une série de solutions pour répondre à ce besoin croissant.

Le maintien du leadership américain en matière d'IA - une priorité majeure du gouvernement fédéral, toutes administrations confondues - repose en partie sur la garantie d'une quantité d'électricité suffisante pour répondre à la croissance de la charge des nouveaux centres de données. Les grandes entreprises technologiques ont des objectifs ambitieux en matière de gaz à effet de serre et d'électricité propre, ce qui signifie que cette nouvelle croissance de la charge doit provenir de sources propres.

La géothermie de nouvelle génération présente un certain nombre d'avantages pour répondre à cette nouvelle croissance de la charge, notamment un facteur de capacité élevé, une large dispersion géographique et la quantité d'énergie souterraine disponible à exploiter. Dans cette note, nous estimons la part de la demande électrique des centres de données qui pourrait être couverte par la géothermie au cours de la prochaine décennie. Il existe de nombreuses technologies géothermiques prometteuses de nouvelle génération ; nous nous concentrons sur l'utilisation des systèmes géothermiques améliorés (EGS) derrière le compteur en raison de leur large disponibilité géographique ainsi que de la disponibilité publique des données de modélisation.

Nous constatons que si les modèles de croissance des centres de données suivent les tendances historiques de regroupement, la géothermie pourrait répondre économiquement à 64 % de la croissance attendue de la demande d'ici le début des années 2030, selon nos hypothèses de base. Si les centres de données s'installent dans les zones disposant des meilleures ressources géothermiques, la géothermie a le potentiel de répondre à toute la croissance prévue de la demande des centres de données à des prix de 31 à 45 % inférieurs à ceux d'une approche groupée.

Les décideurs politiques, les entreprises technologiques et les développeurs géothermiques doivent agir rapidement pour atteindre la vitesse et l'échelle requises pour répondre à cette opportunité, et nous décrivons les changements politiques, tels que l'amélioration des processus d'autorisation, qui seraient nécessaires pour y parvenir. La géothermie pourrait être une solution clé pour répondre aux besoins croissants en électricité des centres de données.

Croissance actuelle de la demande des centres de données et prévisions pour l'avenir

La croissance rapide de la demande d'électricité des centres de données est rapidement apparue comme un défi majeur auquel le secteur américain de l'électricité doit faire face aujourd'hui. Cette augmentation de la demande provient en grande partie de la construction et de l'utilisation de centres de données pour l'entraînement de modèles d'intelligence artificielle (IA) et la fourniture de services d'IA, en particulier sous la forme d'IA générative comme ChatGPT, xAI, Meta AI, Google Gemini et Microsoft Copilot.

Combinée à d'autres sources de croissance de la charge électrique, cette augmentation de la demande pourrait repousser les limites du réseau électrique, les services publics et les opérateurs de réseau devant faire face à la nécessité de connecter une grande quantité de nouvelles capacités de production et de maintenir l'équilibre du système après des décennies de croissance de la charge pratiquement nulle.

Au cours des dernières années, la consommation d'électricité dans les centres de données a augmenté rapidement, mais à partir d'une base relativement restreinte. Comme indiqué dans une publication du Lawrence Berkeley Lab (LBL) de décembre 2024 sur l'utilisation de l'énergie dans les centres de données, plusieurs organisations ont estimé la croissance historique récente de la demande d'électricité des centres de données et ont trouvé des taux de croissance annuels composés (TCAC) de l'ordre de 20-25 % au début des années 2020. En d'autres termes, la part de la consommation totale d'électricité aux États-Unis provenant des centres de données est passée d'environ 2 % en 2020 à environ 4,5 % en 2024 - bien qu'il soit difficile d'obtenir des chiffres exacts en raison du manque de données cohérentes (figure 1).


L'incertitude est encore plus grande quant à l'ampleur de la croissance de la demande des centres de données à l'avenir. Le même rapport du LBL sur les centres de données prévoit que la demande totale d'électricité des centres de données pourrait augmenter pour représenter 7 à 12 % de la demande totale d'électricité d'ici 2028, ce qui représente un taux de croissance annuel moyen de 15 à 35 % par rapport à aujourd'hui. De nombreux groupes, dont des organismes de recherche, des sociétés de conseil et des banques d'investissement, ont produit un éventail plus large d'estimations pour la croissance jusqu'en 2030, allant d'un TCAC relativement modeste de 5 % à un niveau de croissance soutenu de 35 % ou plus, aligné sur l'extrémité supérieure de la projection du LBL.

Les principales sources d'incertitude dans l'estimation de la consommation future d'électricité des centres de données comprennent la capacité des centres de données à accéder réellement à l'électricité dont ils auraient besoin pour fonctionner - le sujet de cette note - ainsi que la disponibilité des puces d'IA, le potentiel de gains d'efficacité dans les centres de données (en particulier pour les utilisations finales à forte consommation d'énergie telles que le refroidissement), le potentiel de gains d'efficacité des modèles dans la formation et l'inférence (l'utilisation de modèles pour fournir des services d'IA), la quantité de projets spéculatifs ou doublement comptabilisés dans les calculs de prévision de la demande, la mesure dans laquelle les développeurs de modèles qui suivent rapidement fournissent des services d'IA à moindre coût qui sapent les modèles commerciaux des développeurs de modèles pionniers, et le niveau d'investissement global et soutenu dans le secteur.

L'émergence récente de DeepSeek et d'o3-mini, qui revendiquent des coûts de formation et une consommation d'électricité nettement inférieurs à ceux des modèles précédents, éclaire une autre partie de la conversation en cours : un modèle plus efficace signifie-t-il nécessairement une moindre consommation totale d'électricité, ou simplement un accès plus abordable et plus répandu aux services d'IA entraînant une demande beaucoup plus importante pour l'inférence d'IA - un exemple du paradoxe de Jevons.

Un autre facteur lié à la composition des futurs centres de données est l'équilibre entre l'apprentissage de l'IA et l'inférence. Les approches actuelles de développement de modèles exigent qu'un modèle soit formé dans un seul centre de données, de sorte qu'un modèle plus grand et plus performant nécessite un centre de données plus grand et une augmentation plus concentrée de la croissance de la charge. Une fois qu'un modèle est formé, les appels d'inférence sont flexibles et n'ont pas besoin d'être concentrés géographiquement. Si les futures approches de l'IA sont davantage axées sur l'inférence que sur la formation, comme c'est le cas avec DeepSeek, le niveau de la demande d'électricité pourrait être à peu près le même, mais la flexibilité et la dispersion relative de cette charge pourraient permettre d'y répondre plus facilement.

Les prévisions des services publics et des exploitants de réseaux constituent une source couramment citée pour les prévisions de croissance de la charge très élevées. Bien que ces projections soient des données importantes à prendre en compte et qu'elles puissent être particulièrement utiles pour mettre en lumière les points d'étranglement régionaux, il convient également de faire preuve de prudence. Les prévisions des services publics concernant l'augmentation future de la demande des centres de données peuvent surestimer le niveau de croissance dans l'ensemble, car les développeurs de centres de données peuvent envisager d'implanter leurs installations à plusieurs endroits, ce qui entraîne un double comptage au niveau national.

Malgré l'incertitude quant au niveau absolu de la croissance de la demande d'électricité des centres de données, certaines choses sont claires. Tout d'abord, le maintien du leadership américain en matière d'IA est une priorité politique majeure et bipartisane - les administrations Biden et Trump ont toutes deux publié des décrets dans ce sens.

Deuxièmement, les grandes entreprises technologiques qui sont à l'origine de l'essor de l'IA, notamment Amazon, NVIDIA et Meta, ont pris des engagements en matière de gaz à effet de serre (GES) et d'électricité propre. Quelques entreprises, dont Microsoft et Google, ont des objectifs plus ambitieux, à savoir fonctionner avec 100 % d'électricité propre sur une base horaire d'ici à 2030. Les grands acheteurs d'électricité bénéficient d'un plus grand nombre d'options pour se procurer de l'électricité propre afin de respecter leurs engagements, d'autant plus que certaines entreprises ont vu les émissions liées à leur consommation d'électricité augmenter récemment. Continuer à acheter de l'électricité sans carbone à partir de toutes les sources peut aider ces entreprises à progresser vers ces objectifs, et s'approvisionner en électricité à partir de sources propres à haute disponibilité, comme la géothermie, peut également faciliter la réalisation de ces objectifs 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.

Enfin, la demande des centres de données est loin d'être la seule source de croissance pour l'électricité. L'accélération de l'électrification dans les secteurs des transports et des bâtiments, l'adoption de technologies électrifiées dans l'industrie, ainsi que l'ensemble du parc immobilier et la croissance économique sont autant de facteurs qui font augmenter la demande d'électricité. Dans le cadre de la politique actuelle, nous avons précédemment estimé que la demande totale d'électricité aux États-Unis augmenterait de 24 à 29 % en 2035 par rapport aux niveaux de 2023, et que les centres de données ne représentaient qu'environ un quart de cette croissance. Au-delà de 2035, des technologies naissantes mais gourmandes en électricité, telles que la capture directe de l'air et l'hydrogène électrolytique, pourraient entraîner une croissance encore plus rapide de la demande. Dans ce contexte, il est utile en soi de déterminer comment répondre à la demande croissante d'électricité des centres de données, mais il s'agit également d'un test important à court terme pour évaluer le potentiel de la géothermie à répondre à la croissance de la demande à long terme tout en continuant à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans le secteur de l'électricité.

Solutions à la croissance de la demande des centres de données

Il existe une multitude de solutions potentielles pour répondre à la forte croissance des besoins en électricité des centres de données ou pour l'atténuer, chacune d'entre elles présentant des avantages et des difficultés. Voici une liste non exhaustive de ces solutions :

• Construire de nouveaux moyens de production : La réponse la plus courante pour répondre à la demande croissante dans le secteur de l'électricité est la construction de nouveaux générateurs connectés au réseau. Les États-Unis ont ajouté en moyenne un peu moins de 40 GW de production et de stockage d'énergie à l'échelle du service public chaque année depuis 2019, la grande majorité de cette nouvelle production provenant de sources sans émissions comme le solaire, l'éolien et les batteries. Mais la nouvelle production est confrontée à des défis, notamment de longues files d'attente pour l'interconnexion, de longs délais pour l'approvisionnement en équipements (y compris les panneaux solaires et les turbines à gaz) et l'incertitude politique. Les ressources sans émission comme l'éolien et le solaire sont intrinsèquement variables, et même si des combinaisons bien planifiées de générateurs et de stockage d'énergie peuvent fonctionner à des facteurs de capacité relativement élevés, elles ne permettent toujours pas d'atteindre la disponibilité 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 exigée par de nombreux centres de données. Compte tenu des longs délais d'attente pour connecter l'énergie solaire et les batteries au réseau, certaines entreprises technologiques se tournent vers la construction de nouvelles centrales au gaz pour répondre à la demande des centres de données, ce qui va à l'encontre de leurs engagements en matière de décarbonisation. En outre, si les nouvelles capacités de gaz peuvent généralement fonctionner lorsqu'elles sont sollicitées, leur exploitation entraîne des émissions de gaz à effet de serre et de polluants conventionnels. Comme nous l'expliquons dans cette note, la géothermie de nouvelle génération peut fournir de l'électricité propre et ferme, ce qui résout les problèmes auxquels sont confrontés les autres types de nouvelles ressources de production.
• Maintenir en ligne la production d'énergie fossile existante : Certains actifs de production d'énergie fossile qui doivent être mis hors service, en particulier les centrales au charbon, pourraient être maintenus sur le réseau et continuer à produire de l'électricité. Comme cette production est déjà construite et connectée au réseau, il n'y aurait que peu ou pas de retard dans l'utilisation de ces actifs pour répondre à la demande des centres de données à court terme. Mais les centrales au charbon produisent des niveaux élevés de gaz à effet de serre et d'émissions polluantes classiques, et la poursuite de leur exploitation va intrinsèquement à l'encontre de la décarbonisation.
• Redémarrer les centrales nucléaires fermées : Microsoft a fait la une des journaux en signant un accord d'achat d'électricité sur 20 ans avec un réacteur de Three Mile Island. À peu près au même moment, le ministère de l'énergie a finalisé une garantie de prêt pour aider au redémarrage de la centrale nucléaire de Palisades. Selon la centrale nucléaire, le redémarrage des centrales fermées peut prendre un certain temps - la centrale de TMI doit être remise en service en 2028, soit environ quatre ans après l'accord avec Microsoft - mais elle peut être disponible plus rapidement que certaines nouvelles sources d'énergie. Le nucléaire est également une solution intéressante en raison de son facteur de capacité élevé et de l'absence d'émissions de gaz à effet de serre au moment de la production. Cette approche n'est pas non plus bon marché, le propriétaire de TMI, Constellation, ayant indiqué un coût de 1,6 milliard de dollars pour remettre la centrale en service, et il n'y a qu'environ 8 GW d'installations récemment fermées qui pourraient être remises en service de manière réalisable.
• Construire des ressources hors réseau : Pour éviter les longs délais liés à la connexion au réseau des nouveaux générateurs et des nouveaux centres de données, les développeurs de centres de données peuvent également envisager des solutions énergétiques en dehors du compteur pour répondre à leur propre demande d'électricité. De nouveaux travaux intéressants proposent que des micro-réseaux solaires hors réseau puissent rapidement répondre à la nouvelle demande d'électricité des centres de données avec des niveaux d'émissions de gaz à effet de serre relativement faibles et à des coûts relativement compétitifs.
• Déplacement de la demande : Une analyse récente a montré que le réseau américain tel qu'il existe actuellement pourrait accueillir des dizaines de gigawatts de la nouvelle charge des centres de données si ces installations étaient exploitées de manière flexible, en réduisant la consommation d'électricité pendant les périodes de pointe du réseau. Les centres de données d'IA fonctionnent généralement à des facteurs de capacité très élevés, car l'intérêt économique est d'utiliser le plus possible les équipements de calcul très coûteux ; cette intégration nécessiterait donc un changement dans le fonctionnement des centres de données. Comme nous l'avons vu plus haut, l'augmentation de l'inférence de l'IA dans ces centres de données pourrait permettre une plus grande flexibilité de la demande.
  

Selon toute vraisemblance, une combinaison de plusieurs de ces solutions sera nécessaire pour répondre à la demande croissante d'électricité des centres de données ainsi qu'à d'autres nouvelles sources de charge. Dans la suite de cette note, nous examinons l'utilisation de la production d'énergie géothermique en aval du compteur pour fournir de l'électricité aux centres de données à grande échelle - une approche prometteuse qui a le potentiel de jouer un rôle important pour répondre à cette croissance de la charge.

Le rôle et les promesses de l'énergie géothermique

L'énergie géothermique exploite d'énormes quantités de chaleur sous la surface de la Terre pour faire tourner une turbine qui produit de l'électricité ou pour fournir directement du chauffage et de la climatisation. La géothermie est une source de production d'électricité particulièrement prometteuse en raison de sa nature renouvelable, de ses émissions de gaz à effet de serre faibles ou nulles et de sa grande disponibilité. Les centrales géothermiques ont généralement un facteur de capacité de 90 % ou plus, ce qui signifie qu'elles peuvent produire de l'électricité de manière quasi constante. C'est un complément utile aux autres technologies renouvelables comme l'éolien et le solaire qui produisent de l'électricité sur une base variable.

Aujourd'hui, le réseau électrique américain dispose d'une capacité géothermique nominale d'environ 4 gigawatts (GW). Cette capacité se trouve entièrement dans les États de l'Ouest et est fortement concentrée en Californie et au Nevada. Toutes les centrales géothermiques en activité aux États-Unis sont basées sur la technologie hydrothermique conventionnelle, dans laquelle des puits sont forés pour produire de l'eau chaude ou de la vapeur à partir de réservoirs naturellement perméables situés jusqu'à quelques kilomètres sous terre. Le fluide produit est utilisé pour faire tourner une turbine afin de produire de l'électricité et est généralement réinjecté dans le sous-sol, en totalité ou en partie. Dans les centrales à vapeur sèche, le fluide à haute température est produit sous forme de vapeur pure et envoyé directement dans une turbine pour produire de l'électricité, avant d'être évacué directement dans l'atmosphère ou refroidi et condensé en liquide pour être réinjecté dans le réservoir. Dans les centrales à vapeur instantanée, le fluide produit est entièrement ou partiellement liquide et est dépressurisé après avoir été amené à la surface, ce qui le transforme partiellement en vapeur, qui est ensuite utilisée de la même manière que dans une centrale à vapeur sèche. Dans les centrales à cycle binaire, le fluide reste généralement liquide tout au long du processus, car il transfère l'énergie thermique à un autre fluide de travail avant d'être réinjecté sous terre dans le cadre d'un circuit fermé. Les technologies conventionnelles de production d'énergie hydrothermale sont bien démontrées et disponibles dans le commerce, mais elles sont limitées par la prévalence de conditions géologiques appropriées.

En revanche, les technologies géothermiques de la prochaine génération peuvent être déployées de manière rentable dans une plus grande partie du pays, car elles ne dépendent pas de ces conditions naturelles du sous-sol. Alors que les installations de surface sont souvent similaires à celles utilisées dans les centrales géothermiques conventionnelles, les technologies de nouvelle génération utilisent des techniques avancées de forage et d'ingénierie des réservoirs pour permettre l'extraction de chaleur géothermique à partir de formations rocheuses qui n'abritent pas naturellement de réservoirs hydrothermaux.

Cette note se concentre sur l'utilisation des systèmes géothermiques améliorés (EGS), un type de géothermie de nouvelle génération, dans lequel la fracturation hydraulique et les techniques de forage horizontal sont utilisées pour créer des fractures à travers lesquelles un fluide peut être injecté pour être réchauffé par les formations rocheuses chauffées de la Terre. L'EGS ne nécessitant pas de réservoir hydrothermal naturellement perméable comme la géothermie conventionnelle, elle est capable d'exploiter la chaleur sur de plus grandes étendues du globe. Comme dans le cas de la géothermie classique, ce fluide est produit à la surface pour générer de l'électricité avant d'être réinjecté. Des développements prometteurs au Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy (FORGE) du ministère américain de l'énergie et sur des puits forés par la société géothermique Fervo ont montré des améliorations rapides des temps de forage pour l'EGS, réduisant ainsi le coût du forage de ces puits. Les données provenant de ces sources permettent également une analyse technico-économique solide du potentiel EGS.

L'EGS n'est pas la seule nouvelle technologie géothermique prometteuse pour répondre aux besoins futurs en électricité. Bien qu'ils sortent du cadre de cette note, les systèmes géothermiques en circuit fermé (CLSG), parfois appelés systèmes géothermiques avancés (AGS), sont un autre type de technologie géothermique de la prochaine génération. Dans les systèmes CLGS, le fluide de travail circule dans une série de boucles souterraines avant d'être produit à la surface, au lieu de circuler ouvertement dans les fractures souterraines. Une analyse récente du ministère américain de l'énergie a montré que la géothermie de nouvelle génération peut atteindre une capacité installée de 90 à 300 GW d'ici à 2050, ce qui représente une expansion substantielle par rapport au niveau actuel. Cela ne représente qu'une petite partie du potentiel technique du pays, avec 7 TW de capacité accessible à des profondeurs inférieures à 5 km et plus de 70 TW accessibles à toutes les profondeurs, soit environ un huitième du potentiel géothermique mondial total.

Quantification du rôle potentiel de la géothermie pour répondre à la demande d'énergie des centres de données

Dans cette analyse, nous quantifions la capacité de production d'électricité des centrales géothermiques derrière le compteur qui pourrait être utilisée pour répondre à la demande croissante d'électricité des centres de données à grande échelle. Bien que cela ne représente qu'une partie de la demande des centres de données et une solution géothermique pour répondre à cette demande, nous pensons que cette approche démontre le potentiel de la géothermie pour plusieurs raisons.

Premièrement, la majeure partie de la croissance future de la demande d'électricité des centres de données devrait provenir de la formation et de l'inférence de l'IA dans les centres de données à grande échelle - les plus grands centres de données exploités par les grandes entreprises technologiques telles qu'Amazon, Google et Microsoft - et il est donc essentiel de répondre à ce besoin pour que les États-Unis conservent leur leadership dans ce domaine. Deuxièmement, si nous nous concentrons sur les déploiements derrière le compteur, c'est parce que les installations géothermiques sont sujettes aux mêmes retards d'interconnexion au réseau que ceux évoqués ci-dessus pour d'autres types de ressources, avec 1,7 GW de nouvelle capacité en attente d'un accord d'interconnexion - ce qui représente une augmentation potentielle de 40 % de la capacité géothermique totale installée aux États-Unis. En évitant cette longue attente et en se branchant directement sur les centres de données qui ont besoin d'électricité, il est possible d'accélérer considérablement la vitesse à laquelle les nouvelles capacités de production peuvent desservir cette charge. L'énergie géothermique est particulièrement bien positionnée pour les applications derrière le compteur en raison de sa nature propre et ferme et de ses faibles besoins en surface.

Notre analyse comporte deux éléments clés : déterminer où les centres de données seront construits et, par conséquent, où l'électricité doit être fournie ; et déterminer dans quelle mesure l'électricité géothermique peut répondre à ce besoin.

Estimation de la demande en électricité des centres de données

Depuis Taking Stock 2024, Rhodium Group suit les prévisions de croissance des centres de données et élabore des projections géographiquement granulaires à incorporer dans notre modélisation. Pour cette analyse, nous utilisons une version révisée du scénario de forte croissance de Taking Stock qui se traduit par une demande de pointe totale des centres de données d'environ 80 GW en ligne en 2030, ce qui représente un TCAC de 22 % par rapport aux niveaux de 2022. Nous supposons qu'environ 27 GW de cette croissance de la demande proviennent d'installations à grande échelle. Comme nous l'avons vu plus haut, la projection de la demande future des centres de données est très incertaine et nous ne prétendons pas avoir une boule de cristal. Néanmoins, nous pensons que ce niveau de demande nous fournit un point de départ analytique utile pour ce projet, et nous estimons quelle part de cette demande peut être satisfaite par de nouvelles capacités géothermiques au début des années 2030.

Pour tester la valeur de la géothermie dans un éventail d'environnements décisionnels potentiels pour les développeurs de centres de données, nous construisons trois approches différentes de la distribution géographique de ces installations :

• En grappe : Jusqu'à récemment, l'emplacement des centres de données était déterminé par quelques facteurs clés, notamment la proximité d'une connexion au réseau de fibre optique, la proximité d'autres centres de données pour minimiser les temps de latence et la disponibilité de terrains sur lesquels construire. Cela a conduit à un regroupement important des centres de données dans des endroits tels que la Virginie du Nord, New York et sa banlieue, la région de la baie de San Francisco, Atlanta, Phoenix et plusieurs villes du Texas. Dans le cadre de notre approche de la croissance de la demande historique, nous supposons que cette tendance se poursuit et nous calculons la croissance des centres de données régionaux en fonction de la capacité installée actuelle des centres de données, des projections commerciales de la croissance du marché régional, des projets hyperscale spécifiques annoncés et de la proximité d'un nœud de fibre optique. En utilisant cette approche, nous trouvons 28 marchés avec au moins 100 MW de croissance projetée de la demande en centres de données, avec les plus fortes concentrations dans de nombreux endroits mentionnés ci-dessus. Les cinq marchés les plus porteurs selon cette approche sont la Virginie du Nord, Phoenix, Dallas, Atlanta et Las Vegas.
• La géothermie : Depuis quelques années, l'accès à des quantités suffisantes d'électricité est un facteur de plus en plus important dans les décisions d'implantation des centres de données. Une approche géothermique de la fourniture d'électricité en aval du compteur résout intrinsèquement ce problème. Dans notre approche d'implantation axée sur la géothermie, nous supposons que les développeurs de centres de données choisissent d'implanter leurs installations là où ils ont accès à l'énergie géothermique la plus abordable.
• Géothermie et fibre optique : Notre approche d'implantation limitée par la fibre commence par l'approche géothermique décrite ci-dessus, mais limite les emplacements dans lesquels les centres de données peuvent être construits à un rayon de 25 kilomètres d'un nœud de fibre optique, comme le montre la carte de connectivité des infrastructures de l'Union internationale des télécommunications.
  

Estimation de l'opportunité géothermique

Pour déterminer dans quelle mesure la géothermie peut répondre aux besoins en électricité de ces centres de données, nous commençons par estimer le coût et la disponibilité des centrales géothermiques sur le territoire continental des États-Unis. Ensuite, nous comparons le coût nivelé des centrales géothermiques derrière le compteur avec le tarif de détail de l'électricité que le centre de données paierait autrement. Nous constatons qu'il existe une opportunité économique lorsque le coût de l'EGS est égal ou inférieur au tarif de détail attendu, majoré d'une prime écologique attendue. Nous n'exécutons pas un modèle d'expansion de capacité complet pour mettre en concurrence les centrales géothermiques derrière le compteur avec d'autres ressources connectées au réseau ; nous trouvons plutôt des endroits où les centrales géothermiques derrière le compteur seraient en concurrence avec les prix prévus pour le réseau.


Pour élaborer un ensemble de projections à haute résolution géographique concernant le coût et la disponibilité futurs des EGS, nous utilisons un modèle de coût de projet EGS révisé par des pairs qui incorpore les données de coût et de performance de projets de démonstration EGS récents afin de produire des projections de coût technologique à court terme empiriquement fondées dans le cadre d'hypothèses de conception de réservoir spécifiques. Nous utilisons ce modèle de coûts pour construire une courbe d'offre nationale de centrales géothermiques représentant les coûts des projets à court terme (vers 2030-2035) dans le cadre d'un scénario de développement technologique de base. Les coûts estimés incluent l'impact des crédits d'impôt à l'investissement prévus par la loi sur la réduction de l'inflation.

Les données de température en profondeur à haute résolution spatiale sont un élément essentiel de ce modèle de coût. Tout au long de cette note, nous présentons les résultats obtenus en utilisant deux sources différentes pour ces données. L'un des ensembles de données que nous utilisons provient de la carte des opportunités d'exploration géothermique (GeoMap) du projet InnerSpace, qui utilise les températures de surface et les ensembles de données de température de fond de trou corrigés et non corrigés, combinés à un modèle thermique lithosphérique récemment développé pour définir les gradients de température et prédire les températures à des profondeurs de 1 à 5 km sur le territoire continental des États-Unis. Pour plus de détails sur les méthodologies employées, se référer à Fullea et al. (2021), au manuel d'utilisation de GeoMap et à l'outil GeoMap. Nous utilisons également les données de température en profondeur d'un article récemment publié par Aljubran et Horne, chercheurs à Stanford, qui utilisent des données d'entrée similaires (mais pas identiques) et une approche de réseau neuronal graphique pour prédire les températures à des profondeurs de 0 à 7 km sur le territoire continental des États-Unis. Nous restreignons les deux ensembles de cartes de température avec les zones d'exclusion du développement géothermique développées pour le rapport GeoVision du DOE et d'autres contraintes d'utilisation des terres, y compris l'exclusion des zones où les pentes de la surface terrestre sont trop abruptes pour permettre la construction de centres de données co-localisés.

Les ressources en champ proche étant des perspectives prometteuses pour le développement à court terme de l'EGS, nous calculons également les courbes d'approvisionnement pour ces ressources à des profondeurs de 2 à 5 km sur la base d'une estimation récente des ressources en champ proche sur neuf grands sites hydrothermaux connus dans l'ouest des États-Unis. Les ensembles de données de température en profondeur du projet InnerSpace et de Stanford sont produits à l'aide de méthodologies qui supposent que le flux de chaleur se produit par conduction à travers la roche. Le jeu de données du projet InnerSpace intègre également l'advection dans sa modélisation, ce qui l'emporte sur le modèle de conduction dans les zones de volcanisme. En raison de ces différences d'approche, nous avons utilisé le modèle de conduction de Project InnerSpace pour les ressources ne se trouvant pas dans le champ proche et nous avons utilisé l'approche décrite ci-dessus pour tous les développements de centrales géothermiques dans le champ proche.

Le profil de sortie et le coût d'une centrale géothermique sont sensibles aux hypothèses sur la méthode de refroidissement utilisée, mais nous supposons que la demande des centres de données est stable. Ainsi, nous utilisons une version du modèle d'expansion de capacité GenX pour développer la capacité des centrales géothermiques et des autres ressources sur site nécessaires pour alimenter une courbe de charge plate des centres de données dans différentes régions du pays selon trois approches :

• EGS refroidie par voie humide, où la production électrique est supposée être plate et où aucune optimisation du débit ou ressource supplémentaire n'est nécessaire.
• EGS à refroidissement sec avec batteries optionnelles sur site, où la surconstruction de la centrale géothermique, un fonctionnement flexible et des batteries installées sur site aplatissent le profil de production électrique, qui serait autrement variable en raison des changements de température de l'air.
• EGS à refroidissement sec avec batteries et énergie solaire optionnelles sur site, qui ajoute le potentiel d'installations solaires sur site pouvant aller jusqu'à 300 MW pour compléter le profil de production de l'EGS.
  

Les courbes d'offre finales pour chaque ensemble de données température-profondeur comprennent à la fois le coût et la capacité EGS développable pour chaque nœud de réseau de surface et chaque profondeur dans l'ensemble de données température-profondeur. Le cas échéant, le coût de ces courbes d'offre comprend également tous les coûts supplémentaires associés aux ressources sur site (c'est-à-dire les batteries, l'énergie solaire) au-delà des centrales géothermiques.

Enfin, pour chaque ressource EGS et chaque scénario de demande des centres de données, nous examinons les courbes d'offre EGS par rapport aux régions de demande des centres de données afin d'identifier les options de déploiement qui peuvent supporter la charge projetée au moindre coût. Nous comparons ces coûts aux futurs tarifs d'électricité prévus qui seraient payés par ces centres de données s'ils étaient développés et connectés au réseau. Pour ce faire, nous utilisons les futurs tarifs d'électricité de Taking Stock 2024, notre projection actuelle du système énergétique, auxquels nous ajoutons une prime verte de 0 à 50 % en fonction du scénario.

La géothermie peut jouer un rôle majeur pour répondre à la demande croissante d'électricité des centres de données

Dans tous les scénarios envisagés, nous constatons que la géothermie derrière le compteur pourrait répondre à une grande partie de la demande lorsqu'elle est associée à de nouveaux centres de données de grande envergure. La mesure dans laquelle c'est le cas varie en fonction de la stratégie d'implantation utilisée pour la construction des centres de données ainsi que des caractéristiques des installations géothermiques, que nous analysons ci-dessous.

Des opportunités prometteuses dans la plupart des régions dans le cadre de l'approche groupée, principalement dans l'Ouest

En supposant que l'implantation des centres de données suive un schéma similaire à celui du passé, dans lequel de grandes grappes de centres de données se développent en fonction de la proximité de la population, des terrains disponibles et du réseau de fibre optique, nous estimons que 55 à 64 % de la croissance prévue pour les installations hyperscale pourrait être couverte par la géothermie derrière le compteur, ce qui représente 15 à 17 GW de nouvelles capacités de centres de données et de géothermie.

La géothermie peut répondre à 100 % de la croissance prévue de la demande des centres de données dans 13 des 15 plus grands marchés en utilisant l'approche de refroidissement la plus prometteuse (figure 3), et elle peut répondre à au moins 15 % des besoins en électricité dans 20 des 28 marchés nationaux. La plupart des opportunités se trouvent dans l'Ouest, mais la géothermie peut fournir de l'énergie pour une partie ou la totalité de la croissance même dans les marchés en croissance du centre et de l'est des États-Unis, y compris le cluster Washington, DC/Virginie du Nord, Chicago, Columbus, OH, et Memphis. Parmi les principaux marchés en croissance, seules les villes d'Atlanta et de New York ne sont pas très prometteuses pour la géothermie au compteur.


La mesure dans laquelle la géothermie peut répondre à la demande croissante des centres de données dans l'approche groupée est sensible aux hypothèses concernant la prime verte qu'un développeur de centre de données est prêt à payer pour de l'électricité propre et ferme et la méthode de refroidissement utilisée. Dans notre scénario de base, que nous présentons ci-dessus, nous supposons que les centres de données paient une prime verte de 20 % au-dessus du tarif de détail régional de l'électricité auquel ils seraient autrement confrontés. Il en résulte un coût moyen pondéré national de l'électricité (LCOE) pour la nouvelle capacité géothermique de 78-85 $/MWh, bien qu'il y ait des variations régionales considérables. Les prix moyens régionaux se situent entre 49 et 111 $/MWh. Ces prix se situent généralement dans la fourchette des prix des récents accords d'achat d'électricité géothermique.


Dans le cadre du scénario de prime verte de 20 %, la différence entre les niveaux de déploiement national est principalement due à des prix légèrement plus élevés pour l'approche de refroidissement par voie humide sur le marché de Phoenix, ce qui fait que certaines installations géothermiques potentielles ne sont plus compétitives d'un point de vue économique (figure 4). Un consentement à payer plus élevé, représenté dans ce cas par une prime verte de 50 %, entraîne des augmentations constantes du déploiement économique de la géothermie dans tous les scénarios de refroidissement. Avec une prime de 50%, tous les sites géothermiques disponibles qui fournissent une capacité à la hauteur de la demande attendue des centres de données sont utilisés. À l'inverse, avec une prime verte de 0 %, le déploiement de la géothermie n'est plus rentable sur plusieurs marchés clés, en particulier Phoenix et la région de Washington DC/Northern Virginia, ce qui se traduit par une baisse de 38 à 55 % du déploiement de la géothermie.

L'utilisation du potentiel géothermique pour informer le choix de l'emplacement des centres de données conduit à des niveaux plus élevés de déploiement de la géothermie.

Lorsque les développeurs de centres de données prennent des décisions d'implantation basées sur l'utilisation des meilleures ressources géothermiques disponibles, comme décrit ci-dessus dans les approches d'implantation...