Thème 2 enjeux planétaires contemporains Géothermie et

Thème 2 enjeux planétaires contemporains
Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
La surface terrestre reçoit 7.1017 W d’énergie en provenance du soleil. A cette énergie externe s’ajoute
42.1012 W d’énergie interne en provenance des profondeurs de la Terre. Ainsi l’Homme dispose de 2
sources d’énergie inépuisables à l’échelle de l’humanité. La géothermie est l’étude de la chaleur de la
terre de son origine à ses manifestations ainsi que son utilisation
Comment caractériser cette énergie interne ? TP1 et TD1 et 2
1. Gradient et flux géothermique
A. des manifestations d’une chaleur d’origine profonde
La libération d’énergie thermique se traduit, en surface, par de nombreuses manifestations : geysers,
sources hydrothermales, éruptions volcaniques
B. Gradient et flux géothermiques
Le gradient géothermique correspond au rapport entre la variation de température entre deux points et
la distance entre ceux-ci. Il mesure l’augmentation de température lorsque l’on s’enfonce dans le sous
sol. Sa valeur moyenne est de 30°C par Km.
Le flux géothermique correspond à la quantité de chaleur (en joule) traversant une unité de surface (m 2)
par unité de temps (s) : Watt.m-2 ou J.s-1.m-2. Il mesure la dissipation permanente d’énergie interne à la
surface du globe. Il dépend du gradient géothermique mais aussi de la nature des roches, et donc de leur
conductivité thermique. Sa valeur moyenne est de 65 mW.m-2.
C. Variation des gradients et flux thermiques selon le contexte géodynamique
Le flux géothermique présente des variations importantes d’une région à l’autre : il est,par exemple, un
peu plus élevé au niveau des océans que sur les continents.
Dans le domaine océanique, le flux est élevé au niveau :
-des dorsales océaniques
-des arcs volcaniques liés à la subduction
- des points chauds
Dans le domaine continental, il est élevé au niveau :
- des régions volcaniques
- des bassins sédimentaires où la croûte est amincie.
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Quelle l’origine de la chaleur interne ? Comment est-elle libérée en surface ?
2. Origine et modalités du transfert d’énergie géothermique
A. origine
La chaleur de la Terre provient à 90% de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certaines
éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium (238 U et 235U) Thorium (232Th) et
potassium (40K). Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa
masse énorme lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d’énergie interne.
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B. modalités de transfert
L’énergie thermique produite est transférée au sein des enveloppes du globe selon 2 modalités : la
conduction et la convection
conduction
convection
Définitions
Transfert de chaleur de proche en
Transfert de chaleur avec
proche sans déplacement de
déplacement de matériau
matière
qui conserve pratiquement
sa température
Organisation
Echange thermique entre une
La matière chaude, peu
région chaude et une région voisine dense s’élève et se refroidit,
froide
à l’inverse la matière froide
plus dense à tendance à
descendre et à se réchauffer.
Des cellules de convection
s’organisent alors.
Gradient géothermique
Fort (30°C dans la croute par ex)
Très faible 0,3°C
Efficacité du transfert
Peu efficace. Dépend de la
Efficace
conductivité du matériau
conséquences
Dissipe la majorité de l’énergie
Moteur du déplacement des
produite
plaques lithosphériques
Schématisation des différentes formes de dissipation d’énergie thermique
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Gradient géothermique moyen au sein du globe terrestre
A l’aide de vos connaissances complétez le
schéma ci contre en indiquant dans quelles
enveloppes se déroulent la convection et la
conduction
A
B
C
D
C. un modèle thermique du globe.
On peut considérer la Terre comme
une sphère dans laquelle existe une
convection lente dans le manteau à
l’origine des remontées et des
descentes asthénosphériques. Ces
cellules
de
convection
sont
repérables
par
tomographie
sismique. Ainsi c’est la dissipation
d’énergie interne du globe qui fait
« bouger » les plaques. De part et
d’autre de cette zone convective
existent 2 couches ou règnent la
conduction : la lithosphère et
l’interface noyau /manteau. C’est la
conduction à travers la lithosphère
qui est responsable du flux
géothermique mesuré.
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Sur ce schéma indiquez par des légendes
et des flèches les enveloppes ou se
déroulent la convection et la conduction
Comment l’Homme peut-il exploiter les ressources
géothermiques ?
3. La géothermie, une ressource énergétique
A. Une ressource inépuisable à l’échelle de l’humanité
En 2012 l’utilisation de la géothermie à des fins de chauffage ou d’électricité ne représentait à peine 1% de
la consommation énergétique totale. Le prélèvement géothermique est infime par rapport à l’énergie
interne dissipée par la Terre, on peut donc considérer que cette énergie est une ressource inépuisable à
l’échelle humaine.
B. Deux grands types d’utilisations de l’énergie géothermique
Les ressources géothermiques dépendent des contextes géologiques.
Il existe 4 types d’exploitation de la géothermie :




la géothermie très basse température exploite des réservoirs situés à moins de 100m et dont les
eaux ont une température inférieure à 30°C ; on l’utilise pour le chauffage et la climatisation grâce à
une pompe à chaleur
la géothermie basse énergie concerne les eaux de 30 à 90°C. Les gisements sont localisés entre
1500 et 2500 mètres de profondeur. Les réservoirs exploités sont le plus généralement situés dans
des sols poreux imprégnés d’eau, comme par exemple le sable. Nous ne pouvons pas produire de
l’électricité à partir de cette énergie, néanmoins elle reste très utile pour le chauffage.
La géothermie moyenne énergie (90 à 150 °C) se présente sous forme d’eau chaude ou de vapeur
humide .Nous la retrouvons dans des zones exploitables par la haute énergie mais à une profondeur
inférieure à 1 000 mètres. Elle se situe également dans des bassins sédimentaires à une profondeur
de 2 000 à 4 000 mètres. Cependant, pour obtenir de l’électricité, il est nécessaire d’utiliser un fluide
intermédiaire.
Enfin, la géothermie haute énergie est supérieure à 150°C. Les réservoirs sont localisés entre 1500
et 3000 mètres de profondeur, dans des zones de gradients géothermaux anormalement élevé. Le
fluide peut-être capté sous forme de vapeur sèche ou humide pour la production d’électricité,
lorsque le réservoir existe.
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Bilan
- Dans le sous-sol, la température augmente avec la profondeur.
- Le rapport entre la différence de température entre deux points et la différence de profondeur entre ces
deux points permet de définir le gradient géothermique.
- De la chaleur est produite par les différentes enveloppes du globe et atteint la surface de la terre. La
quantité de chaleur (en joule) traversant une unité de surface (m2) par unité de temps (s) correspond au
flux de chaleur (en Watt.m-2 ou J.s-1.m-2). Dans l’exemple des mines Gaspé au Québec, qui correspond à
un bassin sédimentaire, en analysant la température des 300 premiers mètres, le gradient géothermique
est de 10°C/km et le flux est proche de 50 mW.m-2.
- la chaleur peut se diffuser, suivant le milieu, par convection ou par conduction.
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