Hub énergétique : comment le sous-sol peut réunir géothermie, CO₂ et hydrogène
Le sous-sol apparaît de plus en plus comme un espace énergétique multifonctionnel, où plusieurs usages peuvent coexister au sein de formations géologiques communes. La géothermie, le stockage du CO₂ et, dans certains cas, le stockage ou la production d’hydrogène reposent en effet sur des structures similaires, telles que les aquifères salins ou les réservoirs pétroliers et gaziers en fin de vie. Cette convergence progressive des usages constitue l’un des fondements du concept de « hub énergétique ».
Dans le contexte de la transition énergétique, cette approche met en avant une utilisation plus intégrée des capacités du sous-sol, en combinant plusieurs fonctions énergétiques au sein d’infrastructures communes. Elle permet à la fois d’optimiser l’usage des ressources géologiques et de limiter la duplication des installations.
Qu'est-ce qu'un hub énergétique ?
Le terme « hub énergétique » est apparu dans la littérature scientifique à partir du milieu des années 2000, dans un contexte où les systèmes énergétiques devenaient progressivement plus interconnectés et multi-vecteurs. D’abord pensé pour optimiser la gestion de l’énergie à l’échelle urbaine ou industrielle, il est aujourd’hui également utilisé pour décrire des architectures plus larges, incluant des infrastructures de stockage et d’intégration à différentes échelles, y compris souterraines.
Un système multi-entrées, multi-sorties
Un hub énergétique (HE) peut être compris comme une structure dans laquelle plusieurs formes d’énergie sont prises en charge au sein d’un même système coordonné. Électricité, gaz, chaleur ou encore carburants y sont convertis, stockés et redistribués selon les besoins, à travers une infrastructure localisée et interconnectée. Cette organisation repose généralement sur un ensemble d’équipements complémentaires, tels que des unités de cogénération, des pompes à chaleur ou des électrolyseurs, qui permettent d’assurer les conversions entre vecteurs énergétiques.
L’intérêt principal de cette approche réside dans la mise en relation de ces différents flux énergétiques au sein d’un même cadre opérationnel. Plutôt que de fonctionner de manière indépendante, les vecteurs énergétiques peuvent être coordonnés, ce qui ouvre la possibilité d’ajuster leur utilisation en fonction des variations de demande, de production ou de disponibilité des ressources.
Dans ce type d’organisation, plusieurs dynamiques deviennent possibles :
Électricité, gaz et chaleur : La gestion conjointe de l’électricité, du gaz et de la chaleur permet de mieux équilibrer les charges et de lisser les pics de consommation en fonction des contraintes du système [1].
Intégration des énergies renouvelables : L’intégration des sources renouvelables est facilitée, notamment grâce à la capacité du système à absorber des surplus de production intermittente et à les redistribuer ultérieurement sous une autre forme énergétique..
Gaspillage et les émissions : La coordination entre les différents flux contribue également à réduire les pertes liées à une gestion fragmentée des infrastructures énergétiques [1].
Ce type d’organisation transforme la manière dont les infrastructures énergétiques sont conçues. Au lieu d’être pensées comme des réseaux séparés dédiés à une seule forme d’énergie, elles deviennent des ensembles interconnectés où plusieurs technologies coexistent et interagissent au sein d’une même structure fonctionnelle.
Composants d’un hub énergétique
Un hub énergétique repose sur une architecture intégrée qui relie plusieurs types de ressources énergétiques, de technologies de conversion et de systèmes de stockage. Son fonctionnement s’articule autour d’un principe simple : coordonner des flux énergétiques variés afin de répondre à des besoins multiples tout en optimisant les performances globales du système. Cette organisation permet de relier production, transformation, stockage et consommation au sein d’un même cadre opérationnel.
Figure 1. Exemple d’architecture fonctionnelle d’un hub énergétique multi-énergies.
1. Entrées : ressources énergétiques et vecteurs disponibles
Les hubs énergétiques peuvent être alimentés par différents types de ressources, dont la disponibilité dépend fortement du contexte géographique et des infrastructures existantes. Dans les systèmes modernes, on observe une diversification progressive des sources d’entrée, en particulier avec l’intégration croissante des énergies renouvelables et des ressources décentralisées.
Les principales catégories d’entrées incluent notamment :
Les réseaux électriques et gaziers, qui assurent encore aujourd’hui une base importante d’approvisionnement et permettent de garantir la continuité de service dans le système.
Les énergies renouvelables, telles que le solaire, l’éolien, l’hydraulique ou la géothermie, qui contribuent à réduire l’intensité carbone et à diversifier le mix énergétique.
L’hydrogène, qui se positionne de plus en plus comme un vecteur énergétique flexible, capable de relier production, stockage et usages finaux dans les secteurs de l’électricité, de la chaleur et de la mobilité.
2. Conversion : transformation et couplage des flux énergétiques
Une fois intégrées dans le système, les différentes formes d’énergie peuvent être converties selon les besoins des utilisateurs finaux. Cette étape est essentielle, car elle permet d’assurer la flexibilité du hub en adaptant les ressources disponibles aux demandes en électricité, chaleur, froid ou carburants.
Plusieurs technologies jouent un rôle central dans ces conversions :
Les systèmes de cogénération (CHP) permettent de produire simultanément de l’électricité et de la chaleur à partir d’une même source d’énergie, améliorant ainsi le rendement global.
Les technologies de conversion des énergies renouvelables transforment directement les flux naturels en électricité ou en chaleur utilisable.
Les systèmes liés à l’hydrogène, notamment les électrolyseurs et les piles à combustible, assurent un rôle d’interface entre électricité et vecteurs chimiques. L’électricité peut être convertie en hydrogène pour être stockée, puis reconvertie en énergie lorsque nécessaire.
Les pompes à chaleur permettent de valoriser l’énergie thermique disponible pour des usages de chauffage ou de refroidissement avec une efficacité élevée.
L’intégration de ces technologies de conversion permet aux hubs énergétiques de fonctionner comme des systèmes multi-services capables d’adapter dynamiquement les flux énergétiques. Cette flexibilité opérationnelle est l’un des facteurs clés identifiés dans la littérature pour améliorer à la fois l’efficacité énergétique et la performance économique des systèmes intégrés [4].
3. Stockage : flexibilité et intégration temporelle
Le stockage constitue un élément structurant des hubs énergétiques, car il permet de gérer les décalages entre production et consommation. En stockant temporairement l’énergie sous différentes formes, le système gagne en flexibilité et peut mieux absorber l’intermittence des sources renouvelables.
Les principales formes de stockage incluent :
le stockage électrique, notamment via batteries ;
le stockage thermique, sous forme de chaleur ou de froid ;
le stockage chimique, avec l’hydrogène ou d’autres vecteurs gazeux ;
le stockage mécanique, comme l’air comprimé.
Cette capacité de conversion et de stockage améliore la stabilité globale du hub et facilite l’intégration de sources renouvelables variables. Les études récentes montrent que cette flexibilité contribue également à réduire les pertes énergétiques et à optimiser l’exploitation des infrastructures existantes [4].
4. Sorties : satisfaction des besoins énergétiques
La dernière composante d’un hub énergétique correspond aux usages finaux. Ceux-ci incluent l’électricité, la chaleur, le froid, l’hydrogène ou encore certains carburants, en fonction des besoins des consommateurs et des secteurs desservis.
L’un des enjeux majeurs réside dans la variabilité de la demande, qui peut évoluer fortement dans le temps et selon les usages. Les systèmes modernes cherchent donc à optimiser la distribution de l’énergie en combinant prévision de la demande, gestion intelligente des flux et coordination entre les différentes sources.
Cette approche permet d’améliorer la fiabilité de l’approvisionnement tout en réduisant les inefficacités liées aux pics de consommation ou aux déséquilibres entre production et demande [4].
Stockage de CO₂ et géothermie : une synergie dans les aquifères
La géothermie comme épine dorsale du hub
La géothermie occupe souvent une position structurante dans ces configurations, en raison de sa disponibilité continue et de son faible niveau d’émissions. Elle fournit une source stable de chaleur et, selon les technologies utilisées, d’électricité, ce qui en fait un levier important pour alimenter d’autres procédés énergétiques intégrés.
Dans un système couplé, cette énergie peut notamment soutenir des usages comme l’électrolyse de l’hydrogène ou certaines opérations de capture et de traitement du CO₂.
Stockage du CO₂ : une fonction clé de stabilisation du système énergétique
Le stockage géologique du CO₂ constitue l’un des piliers des stratégies de décarbonation à grande échelle.
Au-delà de son rôle climatique, cette fonction de stockage peut également être envisagée comme un élément d’infrastructure énergétique à part entière. Elle permet en effet de stabiliser les émissions industrielles difficiles à éliminer, tout en s’intégrant à des systèmes énergétiques plus larges où le CO₂ peut être combiné à des usages thermiques ou à des systèmes géothermiques.
Des projets de recherche comme CO₂-Dissolved du BRGM explorent ainsi des configurations hybrides dans lesquelles un même réservoir est utilisé à la fois pour le stockage du carbone et la récupération de chaleur, illustrant le potentiel d’une approche intégrée du sous-sol [3].
Avantages économiques et perspectives de développement
Au-delà des synergies techniques, les hubs énergétiques géologiques s’inscrivent dans une logique d’optimisation économique des infrastructures souterraines. Le principal levier repose sur la mutualisation des équipements de production, de conversion et de stockage, dont les coûts de forage et d’installation constituent une part importante des investissements initiaux. Dans ce contexte, les architectures multi-vecteurs permettent d’envisager une meilleure valorisation des actifs souterrains et une réduction des coûts globaux à l’échelle du système énergétique.
Optimisation des systèmes multi-énergies
La littérature récente sur les hubs énergétiques confirme que l’intégration de plusieurs vecteurs énergétiques et l’optimisation conjointe des opérations peuvent améliorer significativement les performances économiques et énergétiques des systèmes.
Par exemple, l’intégration de programmes de gestion de la demande (demand-side management) permet de réduire les coûts opérationnels d’environ 15,1 %, malgré une augmentation des investissements liée à la prise en compte de l’incertitude et des besoins de capacité [4].
Au-delà des aspects économiques, ces approches optimisées améliorent également l’efficacité globale des systèmes. Des modèles avancés montrent que la flexibilité opérationnelle des systèmes multi-énergies peut réduire les pertes énergétiques de 14,5 %, les pertes de tension de 48 % et les variations thermiques de 46 % [4]. Ces résultats soulignent l’intérêt croissant des architectures multi-énergies pour concilier performance économique et efficacité technique.
Cette approche peut conduire à une diminution des coûts d’investissement et d’exploitation par unité de service énergétique, notamment dans les projets intégrant plusieurs vecteurs énergétiques au sein d’une même formation géologique [4]. Elle repose sur une logique d’intégration systémique où les infrastructures ne sont plus dédiées à une seule ressource, mais partagées entre plusieurs usages complémentaires.
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Références
[1] Alkano, D. et al. "Multi‑energy systems and energy hubs – A review." Energy, vol. 230, 2021. ScienceDirect, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360319921016256.
[2] "Multi‑Energy System With an Associated Energy Hub: A Review." IEEE Access, vol. 9, 2021, pp. 121 527–121 541. IEEE, https://ieeexplore.ieee.org/document/9523745.
[3] "CO2‑Dissolved – Couplage réussi du stockage de CO2 et de la géothermie." BRGM – Projet achevé, 17 juin 2021. BRGM, https://www.brgm.fr/fr/reference-projet-acheve/co2-dissolved-couplage-reussi-stockage-co2-geothermie.
[4] Hamedani, Erfan Abbasian, et al. “A Mini-Review of Energy Hub: Concept, Components, Classifications, and Applications.”Energy Reports, vol. 15, 2026, p. 108886, Elsevier, https://doi.org/10.1016/j.egyr.2025.12.023
