gradient géothermique
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Constat de départ Des ouvriers participent à la pose d'une turbine, dans le cadre du projet de géothermie profonde de Soultz-Sous-Forêts, le 13 décembre 2007. AFP/FREDERICK FLORIN La géothermie profonde, une alternative au nucléaire et au gaz de schiste Le Monde.fr | 27.06.2011 à 09h10 • Mis à jour le 13.03.2012 à 09h05 Par Jean Molénat, ingénieur et docteur en sciences …/… De nombreux incidents ou accidents jalonnent l'utilisation de l'énergie atomique. …/… Quant au gaz de schiste, étant donné la multitude de produits toxiques qu'il faut utiliser pour fracturer les roches, il a causé d'énormes dégâts dans l'environnement des forages …/… Jusqu'à maintenant, de toutes les énergies disponibles, la géothermie profonde, alors qu'elle est particulièrement abondante, fait figure de parent pauvre. C'est dans le nord de l'Alsace que notre pays s'investit dans cette énergie. Les forages y ont une profondeur de près de 5 km pour atteindre des eaux qui ont une température de près de 200°C. A cette température et à cause de la pression de 300 bar, l'eau ne bout pas. Elle ne se mettra à bouillir qu'en se rapprochant de la surface. Elle peut alors servir à faire tourner les turbines d'une centrale électrique. Situé sur une faille géologique, le nord de l'Alsace fait partie des zones privilégiées pour lesquelles on trouve assez rapidement des températures élevées. Font aussi partie de ces zones privilégiées, les zones volcaniques. C'est ainsi qu'avec leurs centrales géothermiques, l'Islande et d'autres pays profitent de la chaleur souterraine amenée par les volcans. La géothermie peut présenter un espoir sérieux pour mieux maîtriser le grave problème du réchauffement climatique en diminuant la consommation des carburants fossiles. Une généralisation de la géothermie profonde et une limitation de la gloutonnerie énergétique du système actuel, permettraient d'établir avec l'ensemble des énergies renouvelables une économie plus stable, plus sociale et moins sujette à des crises car moins dépendante des spéculateurs. Observations : Les problèmes avec l’utilisation des énergies fossiles ont conduit l’Homme à rechercher d’autres énergies : les énergies renouvelables. L’homme exploite l’énergie interne du globe, ou énergie géothermique, pour produire de l’électricité dans des centrales géothermiques. Acquis : Dans les régions volcaniques, l’arrivée en surface de laves chaudes (T>1000°C) témoigne de la formation en profondeur de magmas chauds. La température interne de la Terre augmente avec la profondeur. L’augmentation de la température avec la profondeur est en moyenne de 30°C / km : c’est le gradient géothermique. Ce gradient présente des variations importantes : il est par exemple beaucoup plus élevé au niveau des dorsales, régions volcaniques. L’énergie géothermique est utilisable par l’Homme (par exemple, chauffage dans les Alpes) et est principalement due aux désintégrations des noyaux radioactifs présents dans le manteau. Cette énergie géothermique est dissipée par convection dans le manteau et, après le Moho, par conduction dans la croûte. Problème : En quoi l’énergie géothermique est-elle exploitable par l’Homme ? Géologie TP1 : LA GÉOTHERMIE, UNE ALTERNATIVE ÉNERGÉTIQUE POSSIBLE L’Homme prélève l’énergie géothermique pour le chauffage et/ou la production d’électricité, en extrayant les eaux chauffées en profondeur. 1.Tracez le gradient géothermique, que vous expliquerez, à l’aide d’un tableur (document 1) et placez-y les sites de France répertoriés dans le document 2 afin de mettre en relation température de l’eau et utilisation de l’énergie géothermique (documents 3 à 5). Pb : Comment les variations de la T° interne de la Terre sont-elles utilisées par l’Homme ? On observe sur le graphique que la T° augmente de façon régulière avec la profondeur : c’est le gradient géothermique (≈ 30°C /km). Dans toutes les villes du bassin parisien, la T° de l’eau est inférieure à 100°C. Or, d’après le Doc.1 p226, dans cette région l’énergie géothermique est utilisée pour la production de chauffage. A Soultz-Sous-Forêts, la T° de l’eau est de 200°C et à Bouillante elle est de 250°C. Or, d’après les Doc.2 p226 et Doc.5 p227 (ou constat), l’énergie géothermique est utilisée pour la production d’électricité dans ces 2 régions. En fonction de la T° de l'eau, l’énergie géothermique n’est pas utilisée de la même manière : - Lorsque l'eau est à une température inférieure à 100°C (état liquide) l’énergie géothermique est utilisée pour la production de chauffage, - Alors que lorsque les températures sont supérieures à 200°C (état vapeur) l’énergie géothermique est utilisée pour la production d'électricité. Structure de la croûte sous le fossé rhénan établie d'après les vitesses des ondes P (D’après Sittler, 1974) 1 : Manteau normal 4 : Croûte continentale moyenne (zone à 7 : Sédiments tertiaires et quater-naires faible vitesse sismique) du fossé 2 : Manteau à vitesse légèrement réduite 5 : Croûte continentale supérieure, granito- 8 : Volcanisme gneissique Source : "Les grandes structures géologiques" 3 : Croûte continentale profonde (très 6 : sédiments triasiques et juras-siques - J.Debelmas - G.Mascle amincie) Ces études de la vitesse de propagation des ondes sismiques montrent que la structure profonde de la croûte est anormale sous le fossé : il y a, sur toute sa largeur, surrection d'un manteau supérieur où la vitesse est légèrement plus faible que la normale avec un Moho peu net. C'est une observation habituelle du manteau supérieur dans les zones de décompression, due à des phénomènes de fusion partielle. Les autres faits géophysiques importants à relever sont : •Une forte anomalie gravimétrique négative, à l'aplomb du fossé et liée au remplissage sédimentaire important et au déficit de masse causé par la fusion partielle et localisée de l'asthénosphère, •Une anomalie thermique positive, connue depuis longtemps par la chaleur qui règne dans les mines de potasse d'Alsace (le degré géothermique est de 10 à 20 mètres au lieu des 30 m habituels) •L'affaissement actuel du fossé, d'après des mesures géodésiques précises, serait de l'ordre de 0,2 à 0,7 mm.an-1. D'autre part, les prospections entreprises par sismique-réfraction montrent que la profondeur du Moho ne cesse de décroître au fur et à mesure que l'on approche de l'axe du fossé rhénan, notamment de la région du Kaiserstuhl. Cette remontée mantellique est à mettre en relation avec la naissance possible de magmas par décompression partielle des matériaux du manteau. 2. Remplissez le tableau comparatif argumenté des 3 exemples d’utilisation de l’énergie géothermique (documents 3 à 5) présentant : -Le contexte géologique particulier qui en fait un lieu d’exploitation intéressant -Les méthodes d’exploitation -L’utilisation de cette énergie extraite CONTEXTE GÉOLOGIQUE MÉTHODES D’EXPLOITATION L’UTILISATION DE CETTE ÉNERGIE EXTRAITE ALSACE (SOULTZSOUS-FORÊTS) - Roche fracturées : failles normales de La température des roches fracturées à grande zone de divergence (Document 3) profondeur permet, à - Remontée de Moho donc remontée asthénosphérique associée à un transfert partir d'eau injectée, de produire de la vapeur pour de chaleur (Document 3 + Doc.5 p227) alimenter une centrale - Gradient géothermique plus élevé que la électrique normale (Document 2) (Document 3) GUADELOUPE (BOUILLANTE) - Arc volcanique d’une zone de subduction avec flux thermique important (Doc.2 p226) - Gradient géothermique très élevé (Document 4) La température des roches fracturées à faible profondeur permet, à partir d'eau d’infiltration, de produire de la vapeur pour alimenter une centrale électrique (Doc.2 p226) Production d’électricité (7% de la consommation de Guadeloupe) (Doc.2 p226) BASSIN PARISIEN - Bassin sédimentaire en subsidence avec de nombreuses nappes d’aquifères (Doc.1 p226) Gradient géothermique faible permettant cependant des T° de 56 à 85 °C dans les aquifères (Doc.1 p226) La température de l’eau à faible profondeur permet de la puiser directement dans les aquifères (Doc.1 p226) Production de chauffage (Doc.1 p226) Production d’électricité (Document 1 Constat) BILAN 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. À l'échelle globale, le flux fort dans les dorsales est associé à la production de lithosphère nouvelle ; au contraire, les zones de subduction, au niveau des fosses océaniques, présentent un flux faible associé au plongement de la lithosphère âgée devenue dense. POUR ALLER PLUS LOIN 1.Montrez la relation qui existe entre contexte géodynamique et variation du flux géothermique à l’échelle globale (document 1). Tomographies sismiques dans des zones de subduction Source : « Sismicité de la zone péripacifique et tomographie sismique associée » - Van der Hilst - 1998 Les des Les des flux thermiques les plus élevés se remarquent au niveau des dorsales océaniques et arcs volcaniques des zones de subduction. flux thermiques les plus faibles sont visibles au niveau des boucliers continentaux et fosses de subduction. 2.Discutez par ailleurs de la notion d’énergie renouvelable et inépuisable et de l’importance de son utilisation dans le cadre des accords du Grenelle de l’Environnement. Document 2 : Avantages de la géothermie L’utilisation de l’énergie géothermique pour la production de chauffage (individuel ou collectif) ou pour la production d’électricité est un moyen efficace de limiter les rejets de CO2 liés à l’utilisation des énergies fossiles. Or le CO2 est un gaz à effet de serre (GES) Dans le cadre du Grenelle de l’Environnement, ces réductions de GES permettraient donc de limiter l’effet de serre d’origine anthropique et donc, par voie de conséquence, le réchauffement climatique Document 3 : Perspectives pour la géothermie Évolution de l’utilisation de différents types d’énergie Doc 4 : Source : http://www.geothermie-soultz.fr/ Aujourd’hui, (Doc.4 p227). l’énergie géothermique est sous-exploitée A l’échelle humaine, l’origine de cette énergie, à mettre en relation avec les ½ vies des éléments radioactifs, peut être considérée comme renouvelable et inépuisable. Mais une augmentation de son utilisation (Doc.5 p229), et des énergies renouvelables de manière générale (Document 6), sont à envisager d’ici 2050. Le prélèvement éventuel d’énergie géothermique par l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est dissipé. BILAN : L'énergie géothermique utilisable variable d'un endroit à l'autre. par l'Homme est Le prélèvement éventuel d’énergie géothermique par l’Homme ne représente qu’une infime partie de ce qui est dissipé. La Terre est une machine thermique.
