Chapitre 15 : La Terre : une machine thermique

Chapitre 15 : La Terre : une machine thermique
L'énergie solaire, d'origine externe au globe terrestre, participe au réchauffement de la
planète.
Les éruptions volcaniques, les geysers et les sources thermales témoignent de l’existence
d’une autre source de chaleur venant de l’intérieur de la Terre.
Ce flux thermique, de l'ordre de quelque dizaines de mW/m2 est très faible comparé à la
chaleur apportée par le soleil (100 W/m2), mais il représente est une ressource énergétique
intéressante et inépuisable pour l'Homme.
La géothermie désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du
globe ainsi que les processus industriels qui visent à l'exploiter, pour produire de l'électricité
et/ou de la chaleur. Dans le cadre des économies d’énergie et du développement durable,
l’utilisation de la géothermie présente un fort potentiel, de plus, elle permettrait de
diminuer les émissions de CO2.
Problèmes : Quelle est l’origine de cette chaleur interne de la Terre ?
Comment varie cette chaleur en lien avec le contexte géodynamique de la Terre ?
Quels sont les mécanismes de transfert thermique dans la Terre ?
TP 25 : Géothermie et contexte géodynamique
1. L’exploitation de l’énergie géothermique en France et son contexte
géodynamique.
A. Gradient et flux géothermique
Gradient géothermique = variation de température dans les roches en fonction de la
profondeur. Sa valeur moyenne est de 30°C/km (= 3 °C tous les 100m) dans la croute
continentale. Néanmoins sa valeur peut varier en fonction du contexte géodynamique, par
exemple, il est de l’ordre de 10°C/100 m dans le nord de l’Alsace au niveau du fossé
d’effondrement (fossé rhénan)
• Flux géothermique = quantité d’énergie
thermique (« chaleur ») dégagée par unité de
surface et de temps. Sa valeur moyenne,
mesurée en surface, est de 60 mW/m2 à la
surface des continents et de 100 mW/m2 à la
surface des océans, soit 80 mW/m2 pour
l’ensemble du globe.
Néanmoins, selon les contextes
géodynamiques, il peut être plus ou moins
élevé. Ainsi, il est très élevé au niveau des
dorsales, des arcs volcaniques associés aux zones de subduction et des fossés
d’effondrement (rift continentaux).
La température augmentant avec la profondeur, les fluides (dont l'eau) qui circulent dans les
roches en profondeur se réchauffent. L'Homme extrait ces fluides pour exploiter cette
énergie.
Gradient et flux géothermiques n'étant pas les mêmes en fonction des contextes
géodynamiques, la localisation d'un site détermine le type d'exploitation envisageable par
l'Homme.
B. Géothermie des bassins sédimentaires.
Dans les bassins sédimentaires, comme le Bassin parisien ou le Bassin aquitain, le gradient
géothermique est voisin de 30°C/km (gradient moyen).
Les fluides extraits ont une température généralement inférieure à 90°C. Ils sont utilisés
pour le chauffage collectif.
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Géothermie Bassin parisien : grands aquifères
Paris
Angers
Ouest
Tours
Orléans
Melun
Meaux
Verdun
Reims
Metz
Est
0 (mer)
1000
2000
Reims
Prof. (m)
3000
Isotherme
60°C
Limites stratigraphiques
Meaux
Isotherme
100°C
Calcaires du
Jurassique sup.
Sables du Crétacé
Calcaires du
Jurassique moyen
Grès du Rhétien
Paris
Melun
Orléans
Grès du Trias
Angers
Tours
D’après BRGM
Le bassin Parisien : on compte 35 installations géothermiques. Elles puisent l’eau dans 5
réservoirs aquifères contenus au sein de couches de roches sédimentaires poreuses et
perméables (en particulier dans les calcaires du Jurassique situés entre 1600 et 1800m de
profondeur). Cette eau, d’une température de 55 à 85°C est directement utilisée dans les
systèmes de chauffage collectif, il s’agit donc d’une géothermie de basse énergie.
Des forages moins profonds atteignant environ 600 m de profondeur
dans les sables du crétacée et développés dès 1830 permettent aux
parisiens de disposer d’une eau propre à la consommation à une
température de 28°C. Ces forages forment la série des puits artésiens
utilisés pour alimenter des fontaines mais aussi les lacs et rivières du
bois de Boulogne, des piscines municipales (piscine de la butte-auxcailles), des raffineries sucrière et plus récemment pour le chauffage et
la climatisation de la Maison de Radio France (géothermie de très
basse énergie).
Autre exemple : Les eaux thermales de Balaruc-les-Bains (34) proviennent d'un gisement
situé à environ 1500 mètres de profondeur et sa température est estimée à 65°C. Elles
jaillissent à 50°C.
C. Géothermie des rifts continentaux.
Le fossé rhénan est un bassin sédimentaire
d’effondrement (rift continental). Il témoigne
d’une phase d’extension de la croûte terrestre
lors de l’Oligocène (25 Ma). Cette phase
représente le 1er stade de l’océanisation.
Néanmoins, l’extension ne s’est pas poursuivie.
Les limites du fossé correspondent à des failles
normales responsables de l’effondrement.
Associé à cet amincissement de la croûte, on
observe une remontée de l’asthénosphère et
donc du Moho.
Cette remontée du Moho modifie le géotherme,
2
Verdun Metz
on enregistre ainsi des températures de l’ordre de 200°C entre 4.5 et 5 km de profondeur
(contre 100 à 150 °C à la même profondeur pour le gradient géothermique moyen).
Ces anomalies de température permettent d’atteindre des températures intéressantes pour
la production d'électricité par géothermie à des profondeurs plus faibles que la normale.
Le 13 juin 2008, a été mise en service à Soultz-sousforêts, la centrale pilote de production d'électricité.
Géothermie Soultz est, à ce jour, le programme de
recherche scientifique le plus avancé au monde dans
le domaine de la géothermie profonde.
Depuis cette mise en service, le site a pour fonctions
principales l’observation et l’expérimentation
grandeur nature, indispensables pour continuer à
mieux connaître les phénomènes en jeu et maîtriser
l'exploitation.
Sa production électrique brute se monte à 2,1 MWe
dont 1.5 MW de production nette sur le réseau
électrique.
D. Géothermie dans des sites volcaniques
Dans les zones à activité magmatique (subduction aux Antilles, point chaud à la Réunion), le
gradient géothermique est plus élevé. Les fluides sont extraits à des hautes températures et
sont utilisés principalement pour la fourniture d’électricité.
En Guadeloupe, La centrale de
Bouillante (située à 15 km du
volcan actif la Soufrière) est la
première installation qui, en
France, a commercialisé de
l’électricité produite grâce à
l’énergie géothermique. Elle
couvre 7% des besoins en
électricité de la Guadeloupe.
L’eau, captée à 1 000 m de
profondeur, atteint 250°C. Elle
provient de l’infiltration de l’eau
de mer et de pluie à travers un
réseau de failles. Au cours de sa
remontée, elle se transforme en
vapeur qui, dans la centrale, fait
tourner une turbine puis un
alternateur produisant de
l’électricité. Il s’agit bien sûr ici
d’une géothermie de haute
énergie.
Bilan :
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Contextes
géologiques
Bassins
sédimentaires
(hors rift)
Zones de
subduction – points
chauds
Rifts continentaux
Gradient
géothermique
30°C/km
Profondeur
d’extraction du
fluide
Température du
fluide prélevé
1 500 – 2 500 m
45°C – 80°C
1 000 m
250°C
5 000 m
> 150°C
Utilisations possibles
•
> 30°C/km
•
•
•
•
Chauffage collectif
(habitations, piscines…)
Chauffage individuel et
eau chaude sanitaire
Électricité
Chauffage collectif
Chauffage individuel et
eau chaude sanitaire
TP 26 : comparaison des mécanismes de transfert de chaleur
2. L’origine et les mécanismes de transfert de la chaleur à l’intérieur de la
Terre.
A. L’origine principale de la chaleur interne.
La principale source de chaleur interne
provient de la désintégration d’éléments
chimiques radioactifs. Ces éléments
étaient présents dans les matériaux qui
ont formé la Terre ; ils se sont concentrés
dans les croutes continentales et
océaniques et le manteau.
Les principaux isotopes radioactifs sont
l’Uranium 235 et 238, le thorium 232 et le
potassium 40.
La désintégration de ces éléments
instables en éléments stables
s’accompagne d’une libération d’énergie
source de chaleur.
La concentration des éléments radioactifs
source de chaleur est plus importante
dans les croûtes que dans le manteau,
néanmoins le manteau représentant une
masse et un volume énormes bien
supérieurs à celles des deux croûtes
réunies, c’est donc le manteau qui joue un
rôle prépondérant dans la production
d’énergie thermique (70 % à lui seul dans la libération totale de l’énergie d’origine
radioactive)
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B. Les mécanismes de transfert de la chaleur.
Il existe deux types de mécanismes permettant le transfert de chaleur et donc son
évacuation :
• la conduction : mécanisme de transfert
de chaleur de proche en proche sans
déplacement global de matière.
L’énergie thermique se propage de
molécules en molécules par un contact
direct.
• la convection : mode de transport de
chaleur d’une zone chaude vers une
zone froide accompagnée d'un
déplacement de matière. Dans ce cas,
les fluides sont animés de mouvements
initiés par des différences de densité, contrôlées entre autre par la température et
la pression. La matière moins chaude, moins dense que la matière froide, est animée
de mouvements ascendants. En surface, elle se refroidit et plonge en profondeur.
Ces mouvements s’organisent alors en cellules de convection.
Le transfert d'énergie thermique est
plus efficace par convection que par
conduction : le gradient thermique est
ainsi plus faible au sein d'un matériau
animé de mouvements de convection.
3. La Terre : une machine thermique.
A. La tomographie sismique
Tomographie sismique est une technique permettant de cartographier l'intérieur du globe
en 3D à partir de l'analyse des vitesses de propagations des ondes sismiques.
Les techniques de tomographie sismique ont mis en évidence des zones d’anomalies de
vitesse des ondes sismiques qui traduisent des différences de température des péridotites
dans le manteau :
• Anomalie négative (« zones en rouge »)
: vitesse des ondes sismiques mesurée
plus lente que la vitesse des ondes
sismiques théorique, on en déduit que
le manteau est plus chaud que la
normale.
• Anomalie positive (« zone en bleue ») :
vitesse des ondes sismiques mesurée
plus rapide que la vitesse des ondes
sismiques théorique donc le manteau
est plus froid que la normale.
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B. Les mouvements de convection du manteau
La tomographie sismique révèle ainsi :
• des mouvements ascendants de grande ampleur de matière chaude qui prennent
naissance dans le manteau profond (le plus souvent à la limite manteau–noyau) et
qui sont associés au magmatisme de points chauds.
• un plongement de la lithosphère océanique au niveau des fosses de subduction
(devenue plus dense suite à son refroidissement) dans le manteau.
Les modèles actuels de la tectonique des plaques mettent en avant l’importance de ces
mouvements convectifs descendants dans le mécanisme d'expansion océanique : la
traction exercée par la plaque plongeante serait en grande partie responsable du
mouvement de divergence et favoriserai la remontée passive de l'asthénosphère à l’ origine
du magmatisme au niveau des dorsales associe à la production de lithosphère nouvelle (par
décompression de la péridotite du manteau… cf. cours 1S)
Ainsi, les cellules de convection dans le manteau permettent le mouvement des plaques
lithosphériques.
De part et d’autre de cette couche convective représentée par le manteau existent 2
couches dans lesquelles la chaleur se dissipe par conduction ; il s’agit de la lithosphère et de
l’interface noyau-manteau.
Le prélèvement de l’énergie géothermique ne représente qu’une infime partie de ce qui est
dissipé par la Terre. On peut donc considérer que cette énergie est une ressource
inépuisable à l’échelle humaine aujourd’hui largement sous-exploitée.
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