Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1
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Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre La Terre produit de l'énergie. C'est, avec l'énergie solaire, des sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine. Comment l’énergie interne de la Terre est-elle devenue une source énergétique d’avenir pour l’Homme ? I- La dissipation de la chaleur en surface De nombreuses manifestations à la surface du globe, comme les geysers, les sources hydrothermales, les éruptions volcaniques ou tout simplement les mines d’exploitation, attestent que la température de la Terre croît avec la profondeur. On appelle gradient géothermique l'élévation de température avec la profondeur. Il est estimé à 3° C pour 100 m de profondeur. Sa valeur varie beaucoup en fonction des zones terrestres. Il est faible dans l'asthénosphère comparativement à ce qui se passe dans la lithosphère. Le géotherme est la courbe qui représente les températures des roches à différentes profondeurs. Le flux géothermique est la quantité d’énergie thermique dissipée par unité de surface terrestre et par unité de temps. Doc 2 p 242. Sa valeur moyenne est de 65 Mw.m-² et est très variable selon le contexte géodynamique. Il est important au niveau des dorsales, des arcs volcaniques des zones de subduction, des points chauds (géothermie haute énergie) mais aussi dans des bassins sédimentaires à faible épaisseur de croûte (manteau proche de la surface). II- L’origine de la chaleur interne de la Terre P 244 Ce sont les désintégrations d'éléments radioactifs qui sont la principale origine de la chaleur terrestre. Ces éléments sont au nombre de 4 principaux, le potassium 40, le thorium, l'uranium 235 et l'uranium 238. Ces éléments radioactifs naturels sont emprisonnés dans les minéraux des roches depuis la formation de la planète. Leur désintégration a commencé à ce momentlà, mais c’est un processus très lent et il reste donc encore beaucoup d’isotopes radioactifs non désintégrés Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1 dans les profondeurs du globe. Par exemple, la période radioactive (demi-vie) de l’uranium 238 est de 4,5 milliards d’années : la moitié s’est désintégrée seulement depuis la naissance de la Terre. La croûte continentale est plus riche en isotopes radioactifs que le manteau et le noyau car ils s’intègrent bien dans le granite. Cependant, le volume du manteau est tel que c’est lui qui produit le plus de chaleur (70% environ). III- Le transfert d’énergie thermique au sein de la planète. A. Les mécanismes de transfert thermique Doc 3 et 4 p 245 Le transfert de la chaleur de la profondeur vers la surface de la Terre se produit principalement par deux mécanismes : la conduction et la convection. - - La conduction est le transfert de chaleur par agitation des atomes, de proche en proche, sans déplacement de matière dans les solides. Cela se traduit par un fort gradient géothermique, la température au sommet de la LVZ atteint 1300°C entre 10 et 20°C par km. La convection est le transfert de chaleur par déplacement de matière, d’une zone chaude peu dense en bas vers une zone froide plus dense en haut dans les liquides. La matière chaude à tendance à s’élever, puis à refroidir et à terme cette matière froide plus dense va descendre puis s’échauffer etc. Il se forme alors une cellule de convection. Le gradient géothermique y est faible, c’est le mode de transfert le plus efficace depuis des zones chaudes basses vers des zones plus froides au-dessus. On peut donc affirmer que dans les enveloppes de nature liquide de la planète (manteau inférieur, noyau externe) la chaleur se propagera par convection alors que dans les enveloppes solides (lithosphère, noyau interne), ce sera la conduction qui jouera. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre B. Partie 2A Chapitre 1 La Terre, une machine thermique Docs p 246-247 et p 232 A l’échelle de la planète, les remontées et les descentes de matériel ne se font pas au même endroit : des cellules de convection sont ainsi mises en place dans le manteau : - Du matériel chaud remonte au niveau des dorsales océaniques (flux géothermique important) Du matériel froid descend au niveau des zones de subduction (flux géothermique faible des fosses océaniques). L’énergie interne est donc transférée par convection de la profondeur vers la surface. Au niveau de la lithosphère, la chaleur est évacuée par conduction tout comme à l’interface noyau/manteau. La convection, véritable machine thermique est donc un moyen efficace pour évacuer la chaleur interne de la Terre. Les points chauds contribuent également à évacuer par convection la chaleur interne de la Terre. Ce sont des zones caractérisées par un flux géothermique important, dû à la remontée rapide vers la surface de matériel chaud et peu dense à la limite du manteau et du noyau. Ce matériel entre en fusion au niveau de la lithosphère et vient la perforer, formant des édifices volcaniques caractéristiques (trapps, alignements insulaires comme Hawaï.) IV- L’énergie géothermique, ressource énergétique alternative La géothermie consiste à utiliser la chaleur interne de la Terre pour produire de la chaleur et de l’électricité. L'utilisation de la géothermie est fondée sur un principe simple : l'eau des aquifères (nappe d’eau souterraine) plus ou moins profonds se réchauffent du fait de l'existence d’un gradient géothermique particulier. On peut alors pomper l'eau et récupérer les kW accumulés. On peut alors réinjecter l'eau dans l'aquifère de façon à ce que la zone soit géologiquement stable et que l'aquifère soit toujours alimenté. Selon la température de l’eau captée, on distingue plusieurs types de géothermie et à ces différents types de géothermie correspondent des usages différents : - - - La géothermie de très basse énergie qui exploite les aquifères à moins de 100m/température inférieure à 30°C. La géothermie de basse énergie qui exploite des nappes dont la température est comprise entre 30 et 90°C à une profondeur de 1500 à 2500m. La géothermie moyenne énergie, qui exploite des nappes dont la température est comprise entre 90 et 150°C, situées à une profondeur d’environ 1000m dans les régions à fort gradient géothermique (zones volcaniques) ou à grande profondeur (2000 à 4000m) dans des bassins sédimentaires. La géothermie haute énergie, qui exploite des aquifères de température supérieure à 150°C ; profondeur de 1500 à 3000m dans des régions à gradient géothermique élevé. Exemple : zones de subduction, rift, points chauds La géothermie profonde des roches sèches, qui nécessite la création d’un gisement géothermique par injection d’eau à grande profondeur (3000 à 5000m). L’énergie géothermique est la 4e source de production d’électricité après l’hydraulique, la biomasse et l’éolien. On compte actuellement 350 installations géothermiques dans le monde mais leur répartition est très variable. Seules les régions possédant un gradient géothermique élevé peuvent produire de l’électricité par géothermie. L’énergie géothermique est une énergie renouvelable : le gradient géothermique de la Terre permet de réchauffer en permanence les roches et l’eau qui s’infiltre dans les profondeurs. Elle ne produit pas non plus de déchets (peu de gaz à effet de serre). En outre, le prélèvement d’énergie géothermique par l’Homme ne représente qu’une infime partie de l’énergie dissipée par la Terre. Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1 Les différents types d'exploitations géothermiques Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1 Bouillante en Guadeloupe située près du volcan de la Soufrière est un exemple de géothermie haute énergie : l’eau de mer et l’eau de pluie s’infiltrent en profondeur, forment une nappe réservoir qui se réchauffe jusqu’à 250°C environ au contact de roches chaudes. L’eau chaude, prélevée grâce à des forages, se vaporise partiellement en remontant vers la surface (baisse de pression). Les deux phases mélangées eau-vapeur sont alors séparées : la vapeur est conduite vers une turbine qui produit 16MWe soit 7 à 8% de l’électricité consommée en Guadeloupe. Soultz-Sous-Forêts en Alsace est un exemple de géothermie sur roches sèches. Le site est situé dans le fossé d’effondrement (fossé rhénan) de la plaine d’Alsace, ce qui explique le gradient géothermique élevé. Le sous-sol est particulièrement favorable, car il est constitué de roches granitiques fracturées dont la température à 5000 m est d’environ 200°C. De l’eau froide est injectée à 5000m de profondeur par un puits central. L’eau circule dans les fractures de la roche et se réchauffe jusqu’à 200°C. Elle est alors pompée en surface à l’état liquide (car sous pression) par les puits. Elle est alors vaporisée dans un échangeur thermique et alimente une turbine qui produit environ 1,5 MWe. La vapeur, après condensation, est renvoyée dans le système par le puits d’injection : c’est un fonctionnement en circuit fermé. Les forages de prélèvement sont obliques de façon à effectuer le pompage de l’eau chaude à distance de l’injection d’eau froide par le puits central. Le bassin parisien est un exemple de géothermie basse et moyenne énergie utilisée essentiellement pour le chauffage urbain d’agglomération situées à la verticale de 5 grandes nappes aquifères. La plus exploitée dans la région Île-deFrance est celle du Jurassique Moyen qui s’étend sur 15000m² avec des températures variant entre 56 et 85°C. Cette nappe est exploitée localement grâce à deux forages : un de production et l’autre de réinjection, ce qui préserve la ressource. L’eau est prélevée soit par le système naturel des puits (exemple de la piscine de la Butte aux Cailles par exemple) soit grâce à une pompe immergée. Cette eau circule uniquement dans une boucle fermée qui au niveau d’un échangeur, cède de la chaleur à un réseau de distribution dit « géothermique » dans lequel circule l’eau de la ville qui sera distribuée dans les différents immeubles. Exploitation géothermique : Une source de chaleur : remontée de magma (rift, point chaud, volcanisme, zone de subduction Un fluide qui va conduire la chaleur (présence d’eau, d’aquifère, sources chaudes, fumerolles vapeur traduisant la présence d’une circulation hydrothermale) Une zone qui permet la circulation du fluide conducteur : failles Géothermie et propriétés thermiques de la Terre Partie 2A Chapitre 1
