L`énergie utilisée de nos jours par nos sociétés est majoritairement

Activité 16 : Géothermie et propriétés géothermiques de la terre
Thème 2A
Notions à construire
La température croît avec la profondeur (gradient géothermique) ; un flux thermique atteint la
surface en provenance des profondeurs de la Terre (flux géothermique). Gradients et flux
varient selon le contexte géodynamique.
Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives
contenues dans les roches.
Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : la convection et la
conduction. Le transfert par convection est beaucoup plus efficace.
À l'échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère
nouvelle ; au contraire, les zones de subduction présentent un flux faible associé au
plongement de la lithosphère âgée devenue dense. La Terre est une machine thermique.
L'énergie géothermique utilisable par l'Homme est variable d'un endroit à l'autre.
Le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne représente qu'une infime
partie de ce qui est dissipé.
Compétences travaillées
Attitudes
Capacités
Exploiter les données d’exploitation géothermique.
Exploiter l'imagerie satellitale et les cartes de répartition mondiale
du flux thermique pour replacer les exploitations actuelles dans le
cadre structural : magmatisme de rifting, de subduction ou de points
chauds.
Réaliser des mesures de conduction et de convection à l'aide d'un
dispositif ExAO et les traiter avec un tableur informatique.
Faire preuve d’autonomie et de
curiosité
Montrer de l'intérêt pour les
progrès scientifiques et techniques
Manifester de l'intérêt pour la vie
publique et les grands enjeux de la
société
L’énergie utilisée de nos jours par nos sociétés est majoritairement issue de l’utilisation des énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz). Cette utilisation engendre de nombreux
problèmes environnementaux comme l’augmentation de la teneur des gaz à effet de serre et donc des températures de surface , l’acidification des océans. On cherche des
alternatives énergétiques.
A partir des documents proposés et vos connaissances, montrer que les propriétés géothermiques de la Terre permettent d’envisager, sous certaines conditions que vous
énoncerez, l’utilisation par l´Homme de l’énergie géothermique. Vous serez amenés au cours de votre recherche à établir l’origine principale du flux thermique terrestre
et les modes de transfert thermique.
Document 1 : Le gradient géothermique à différentes zones de la planète
Le Gradient géothermique ou l’évolution de
la température en fonction de la profondeur
varie avec:



la composition chimique des roches
la convection si présence d’eau.
La variation de conductivité
thermique (capacité à transférer la
chaleur par conduction thermique)
des roches.
Il est en moyenne de 31°C/km en France
(110°C/km dans le 1er km en Alsace, mais
12°C/km dans la région de Rennes).
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Bonté et al, 2010
Document 2 : Le flux géothermique mondial
Le Flux géothermique ou flux de chaleur est la quantité d'énergie évacuée par la Terre, exprimée par unité de surface et par unité de temps.Le flux moyen est de 65mW.m-2 à la
surface des continents et de 101mW.m-2 à la surface du plancher des océans soit 87mW.m-2 pour l'ensemble du globe (Pollack et al, 1993)
Le flux thermique en un point donné est obtenu en multipliant la conductivité thermique et le gradient thermique.
L’intégration de toutes les données de flux de chaleur à la surface de la Terre permet de quantifier l’énergie totale que représente le flux de chaleur. On estime cette valeur à
environ 42 térawatts (TW). L’énergie libérée par le flux de chaleur est ainsi largement supérieure a celle libérée par l’ensemble de l’activité volcanique (~ 0,8 TW) ou celle libérée
par l’ensemble de l’activité sismique (~1 TW), mais elle est largement inférieure à l’énergie solaire que nous recevons (~ 4710000 TW)
Document 3 : Tomographies sismiques au japon et au niveau de l’archipel des Tonga
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Document 4 : Tomographie sismique en Islande
Document 4 : Les origines de la chaleur interne de la planète
L’origine de la chaleur interne du globe fait encore l’objet d’étude et n’est pas totalement déterminée. Dans les tous premiers temps de l’histoire de la Terre, les principales sources
de chaleur ont sans doute été l’accrétion et la radioactivité de courte période.
La chaleur d’accrétion correspond tout simplement à un transfert d’énergie cinétique en énergie mécanique (compression et changement de phase) et énergie calorifique. Lors des
nombreux chocs de météorites au début de l’histoire de la Terre, ces processus ont pu contribuer à une immense partie de l’énergie thermique accumulée.
La radioactivité est un second processus de production de chaleur. Les réactions qui ont certainement contribué en grandes parties à la chaleur interne du globe sont celles
désormais terminées de désintégration de l’26Al et du 60Fe. Ces éléments sont en grande concentration dans la Terre et lorsque les réactions de désintégration radioactive se sont
produites lors des tous premiers millions d’années de l’histoire de la Terre, il est probable que leurs conséquences thermiques ont été immenses.
Depuis, les seuls éléments radioactifs qui contribuent à la production de chaleur interne sont 238U, 232Th, 40K. Leur participation au bilan thermique terrestre dépend fortement de
leur concentration précise dans les roches, mais on considère en général que leur production est de l’ordre de 570 mW/kg de roche pour 235U, 94 mW/kg de roche pour 238U, 27
mW/kg de roche pour 232Th et 28 mW/kg de roche 40K.
Enfin, il existe sans doute une production de chaleur liée à la différenciation de la graine. A température et pression ambiantes, la cristallisation de fer produit 207 kJ/kg. La valeur
est certainement très différente aux pressions et températures du noyau, mais quoiqu’il en soit, la cristallisation de la graine doit participer au bilan thermique.
Comment jongler avec ces chiffres pour tracer la source de la chaleur terrestre actuelle ? De certaines zones d’ombres existent, mais les géophysiciens estiment aujourd’hui que sur
les ~ 42 TW enregistrés en surface, près de 35 TW proviennent de la désintégration d’éléments radioactifs dans la croûte et le manteau. Près de 3,8 TW pourraient être des vestiges
de la chaleur initiale liée à l’accrétion et à la radioactivité de courte période ; c’est ce qu’on nomme le « refroidissement séculaire ». La différenciation des différentes enveloppes
comme la croûte, le manteau, et surtout le noyau, libèrerait environ 3,5 TW. Gardons à l’esprit que ces valeurs sont encore l’objet de débat et qu’il n’existe pas véritablement de
consensus entre les auteurs.
Document 5 : Les sources thermales de Chaudes-Aigues
Les sources thermales, connues depuis le début des temps historiques, sont sans doute les manifestations les plus populaires de la
présence en profondeur de températures plus élevées qu’en surface. Le village de Chaudes-Aigues dans le Cantal doit son nom
aux sources thermales qui y sont utilisées : l’hiver pour le chauffage des habitations et l’été pour les thermes. Ce village possède
une trentaine de sources dont les températures vont de 40°C à 82°C. La source la plus chaude est celle du Par , qui doit son nom
au dépeçage à l’eau chaude du cochon (« parage ») que l’on y réalisait. Cette source a un débit de 450000 litres par jours d’eau à
82°C.
Source thermale du Par (82°C) à Chaudes Aigues dans le Cantal
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Document 6 : Modélisation des transferts de chaleur


La convection est un processus d’échange de chaleur par déplacement de matière sous l’effet d’un changement de masse volumique d’origine thermique.
La conduction est un processus de diffusion où les molécules transmettent leur énergie cinétique (vibrations) à d'autres molécules par collision entre elles sans
déplacement de mati}ere. La chaleur est conduite dans un milieu en réponse à une variation spatiale de la température.
Matériel : thermomètres, potence, béchers, huile, huile colorée, purée épaisse ou pâte à modeler, bougies
Document 7 : Production électrique par géothermie dans le monde
Fichiers : Géothermie dans le momde.kmz, Géothermie aux USA.kmz, Géothermie en France.kmz
Les principaux pays producteurs d’électricité par géothermie
sont de loin les Etats-Unis et les Philippines. Viennent ensuite le
Mexique, l’Italie, l’Indonésie et le Japon. Il est indispensable de
porter à ces chiffres une lecture double : géologique et
économique. Les pays qui produisent le plus d’électricité à partir
de la géothermie sont ceux qui à la fois sont situés dans un
contexte géodynamique qui leur offre une ressource
géothermique, et qui économiquement peuvent exploiter cette
ressource pour l’utiliser ou la commercialiser. Les Etats-Unis
produisent de l’électricité à partir de la géothermie dans leur
partie la plus occidentale, en Californie, Utah, Nevada. Ces états
bénéficient d’un fort flux de chaleur qui est dans le
prolongement de la dorsale est-Pacifique (figure 4). Ils ont une
forte activité industrielle qui nécessite beaucoup d’électricité et
leur richesse leur permet d’exploiter des ressources énergétiques
plus coûteuses mais plus propres que le charbon et qui ont
l’avantage d’être « renouvelables ».C’est en profitant de la
même anomalie de flux de chaleur élevé que le Mexique a
construit quelques centrales électriques géothermiques.Les
Philippines sont quant à elles situées sur la « ceinture de feu du
Pacifique », nom donné au chapelet de volcans qui entoure
l’Océan Pacifique et qui tirent leur origine de zones de
subductions autour de cet océan. Cette zone possède un flux de
chaleur élevé et comme les Philippines font partie des pays
émergents poussés par leur activité industrielle, elles nécessitent
de grandes quantités d’énergie. Leur territoire étant peut étendu
et leurs ressources en matière énergétique fossile très limitées,
elles se sont adaptées en utilisant massivement la géothermie.
Notons le cas singulier de l’Islande, pays situé sur une dorsale (ride média-Atlantique) dont les ressources géothermiques sont gigantesques, mais qui produit relativement peu d’électricité
grâce à la géothermie par rapport aux autres pays cités précédemment. L’explication est exclusivement économique : l’Islande est un pays dont la population est très petite (320000 habitants),
et qui est isolé au milieu de l’océan Atlantique. L’électricité qu’il produit par géothermie est largement suffisante pour survenir à ses propres besoins (en association avec de l’énergie
hydroélectrique), en produire plus nécessiterait la mise en place de structures coûteuses pour l’exporter à travers l’Océan. Par contre, la production industrielle de l’Islande est poussée par la
ressource géothermique propre et renouvelable de ce pays. L’Islande est un producteur majeur d’aluminium alors qu’elle ne dispose d’aucun gisement de bauxite. Elle importe directement
bauxite ou alumine qu’elle transforme en aluminium métal grâce à son énergie électrique de faible coût. L’exportation de ce produit transformé génère d’importants revenus.
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Document 8 : La géothermie en France
Les sources thermales y figurent essentiellement dans les chaînes
de montagnes (notamment les Alpes, les Pyrénées et le Massif
Central). C’est en effet dans ces zones que les failles ont permis à
l’eau de pluie (eau météorique) de pénétrer profondément dans la
croûte puis de remonter une fois réchauffée. Au cœur des grands
bassins, des aquifères continus profonds ont des températures
relativement élevées (<70°C). Enfin, les départements et régions
d’outre-mer ont un immense potentiel géothermique avec un
gisement de vapeur en Guadeloupe (Bouillante, que nous
détaillerons par la suite) et de nombreux sites géothermiques en
cours d’étude en Martinique, à la Réunion et en Guadeloupe. C’est
essentiellement le contexte géodynamique (subduction pour la
Guadeloupe et la Martinique et Point chaud pour la Réunion) qui
est à l’origine des ressources géothermiques de la France d’outremer.
Document 9 : Les différentes techniques de géothermie
La géothermie de très basse-énergie la plus connue car elle s’est démocratisée ces dernières années pour le chauffage individuel des maisons. Elle ne nécessite pas de ressource
particulièrement rare, et n’utilise finalement que l’inertie thermique des roches en surface – dont la température avoisine les 15°C – pour faire fonctionner une pompe à chaleur.
Lorsque l’on dispose à quelques centaines de mètres de profondeur d’eau dont la température avoisine les 40°C – ce qui, là encore, est relativement courant – cette eau peut
directement être utilisée pour le chauffage des piscines, ou serres.
La géothermie de basse-énergie utilise de l’eau pompée en profondeur (>1000m) et dont la température avoisine 80°C pour le chauffage collectif. Le cas du bassin parisien, dont
les aquifères profonds permettent de chauffer des immeubles de villes.
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La géothermie profonde utilise l’extraction d’eau chaude du sous-sol par un ou plusieurs puits profonds (~5000 m).
Cette eau est transformée en vapeur par un échangeur thermique, et la vapeur est utilisée pour entrainer une turbine
qui produit de l’électricité. L’eau refroidie est alors réinjectée en profondeur. En France, cette technique a été testée
à Soultz-sous-Forêts, en Alsace où une remontée du Moho entraine un gradient géothermique élevé. Même s’il
s’agit là de l’exploitation d’une ressource naturelle renouvelable et gratuite aux premiers abords, le pompage de
l’eau et le processus de transformation de l’eau en vapeur par échangeur thermique entrainent des surcoûts qui font
que cette énergie est assez chère (en 2015, date prévue de l’exploitation du site, le kW/h produit à Soultz-sousForêts avoisinera les 8 cents d’euro contre ~4 cents pour un kW/h produit actuellement grâce au charbon, au
nucléaire, au gaz ou à l’éolien). Cette ressource ne deviendra véritablement compétitive que lorsque le prix des
matières énergétiques aura augmenté.
Localisation de Soultz-sous-Forêts sur la carte des profondeurs du Moho
Pour la géothermie de haute-énergie, ce n’est pas de l’eau chaude mais directement de la vapeur qui est utilisée pour
produire de l’électricité. Le seul exemple français est le site de Bouillante.
http://unt.unice.fr/uved/bouillante/cours/ii.-etude-de-cas-la-centrale-geothermique-de-bouillante-en-guadeloupe/1.contexte-geologique-particulier-du-site-de-bouillante/1.4-le-systeme-de-bouillante-un-systeme-epithermal.html
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