Thème IIB - SVT Vigreux

Thème IIB
La géothermie
la géothermie. Où, comment est exploitée l'énergie géothermique
quelle est son origine ?
1. Flux et gradient géothermiques : variations selon le contexte géodynamique
Le flux géothermique est la quantité
d'énergie thermique dissipée par unité
de surface terrestre et par unité de
temps.
Le flux géothermique moyen est de
l'ordre de 87 mW.m −2 pour
5,1. 1014 m2 (surface totale du globe
terrestre),
différent
Sur les continents (~ 65 mW.m −2)
sur les océans (~100 mW.m −2).
Les valeurs des gradients et des flux géothermiques varient selon
le contexte géodynamique.
Cf tp Activité 3 : étudier le flux géothermique en France
et corrigé
Des mesures réalisées
en France
métropolitaine ont
permis d’établir la carte
des isothermes, (ligne
d’égale température) à
une profondeur de
5000m (A) et la carte
des mesures de flux
géothermique. (B)
Mettre en relation les
résultats obtenus et le
contexte géologique de
la France. (C)
La France d’outre-mer
présente des ressources
potentielles en
géothermie, justifier
cette affirmation avec
les observations
précédentes.
A
B
C
Synthèse des 2 docs précédents
Flux géothermique
moyen sur le globe
87 mW.m −2
En Domaine océanique
(~ 65 mW.m −2)
En Domaine continental
(~100 mW.m −2).
Où se situent les flux
les plus importants?
les flux géothermiques sont
élevés au niveau des dorsales
océaniques, des points chauds
(île de La Réunion, par exemple)
et des arcs volcaniques ou
cordillères liés à la subduction
(Japon, Andes, Antilles, etc.).
au niveau des zones avec
magmatisme (vallée du rift
africain).
des bassins sédimentaires
ayant une croûte amincie
présentent un flux
géothermique élevé, tels les
bassins d'effondrement de
l'Alsace ou de la Limagne en
France.
En fonction du
contexte
géodynamique
la température augmente avec la profondeur.
On parle de gradient géothermique (variation de température en fonction de la
profondeur)
Entre l'intérieur de la Terre (dont la température au centre est estimée à plus de 4 000 °C) et la
surface (dont la température est de 15 °C en moyenne), s'établit un gradient géothermique.
Le gradient géothermique représente la variation de la température avec la
profondeur.
Le gradient géothermique moyen dans la croûte terrestre est de l'ordre de 30 °C
par km.
Faible gradient
conduction
Fort gradient,
convection
Cf TP activité 1 : mesurer le gradient géothermique et corrigé
Mesure du gradient géothermique en Alsace
Cf TP activité 2 : calculer le flux géothermique et corrigé.
Type de
matériau
Conductivité thermique
en W m-1°C-1
granite
2.5 à 3.8
Péridotite
4.2 à 5.8
Gabbro
basalte
Calcaire
1.7 à 2.5
Argent
420
1.7 à 3.3
Eau
6
Bois
0.1
Cf corrigé du tp
Les roches terrestres sont de
mauvais conducteurs
thermiques (même si le bois
est encore un « plus mauvais »
conducteur et donc un très
bon isolant). Les roches
freinent donc les transferts
d’énergie interne et
permettent ainsi une forme
de stockage de chaleur.
2. Origine de l'énergie géothermique
L'énergie thermique interne de la Terre provient de deux sources :
•Pour 25%,
de la chaleur primitive, relique de la formation de la Terre, il y a 4,55 Ga.
•Pour 75 %,
de la radioactivité : trois éléments radioactifs à longue période (uranium, thorium,
potassium) se désintègrent en libérant de l'énergie thermique.
Cf activité 4 du TP et corrigé
Envellopes
Croute
continentale
Noyau
Thorium (W/Kg)
Potassium
(W/Kg)
95,2x10-6
25,6x10-6
0,00348x10-6
Masse
1,38x102
2
Croute océanique 6,9x1021
Manteau
Uranium (W/Kg)
24
3,7x10
2,32x102
4
Concentration (ppm)
Chaleur
émise
%
20,14
1,6x10
5,8x10
20000x10
5,11 x 1012
W
0,9x10-6
2,7x10-6
4000x10-6
1,16x 1012 W
4,59
19,1 x 1012
W
75,21
0,0162x 1012
W
0,06
-6
-6
-6
-6
-6
0,02x10
-6
0,1x10
-6
0,00001x10
200x10
-6
0,0001x10
-6
1x10
3. Dissipation de l'énergie géothermique
La tomographie sismique permet d'estimer la température des couches les moins
profondes :
des vitesses sismiques lentes sont interprétées comme preuve de matériel chaud,
alors que
des vitesses rapides montrent l'existence de matériel froid.
L'énergie thermique a Terre se dissipe selon deux modalités :
La conduction thermique
La convection
Cf TP activité 5 et corrigé
température dans le bécher en fonction du temps
(conduction)
80
Température dans le bécher en fonction du temps
(convection)
60
70
50
60
40
50
température (°C)
30
30
température (°C)
Sonde…
Sonde…
40
Sonde1 (fond)
20
Sonde 2 (surface)
10
20
0
10
0
0
100
200
300
temps (sec)
400
500
0
100
200
300
temps (sec)
400
500
conduction
convection
libération de
chaleur
mouvement de
matière
apport d’énergie
thermique
−
Conduction : le transfert d'énergie thermique
des zones chaudes vers les zones froides sans
transfert de matière
Convection : c'est un transfert d'énergie
thermique avec déplacement de matière

température
Mouvement de convection: le matériau chaud, se
dilate, moins dense, il remonte
Le matériel froid, plus dense, redescend
Conduction
convection
définition
transfert d'énergie
thermique des zones
chaudes vers les zones
froides sans transfert de
matière
transfert d'énergie
thermique avec
déplacement de matière
Où?
au sein de la lithosphère et à au sein du manteau comme
l'interface entre le manteau au sein du noyau
et le noyau
Efficace ou pas?
. Les roches ayant une
conductibilité faible, la
conduction thermique ne
peut à elle seule rendre
compte de l'ensemble du
transfert d'énergie
thermique dans la terre.
un mécanisme de transfert
d'énergie efficace
Pour simplifier, la Terre peut être considérée comme une sphère
dans laquelle existe une convection à deux étages :
une convection très lente à l'état solide pour le manteau,
une convection très rapide à l'état liquide dans le noyau externe.
Au niveau du globe, les cellules de
convection sont présentes dans le
manteau avec une remontée au niveau
des rifts océaniques ou des pts chauds,
la lithosphére refroidie, plonge au
niveau des subduction
Point chaud
rift
subduction
subduction
Flux géothermique fort , dû à une remontée de matériel chaud
Flux géothermique faible, plongée de matériel froid
4. Utilisation par l'homme de l'énergie géothermique
Pays
MW
% Mondial
États-Unis
5 366
31,2
Chine
2 814
16,4
Islande
1 469
8,6
Turquie
820
4,8
Suisse
547
3,2
Allemagne
517
3,0
Canada
377
2,2
Suède
377
2,2
Hongrie
328
1,9
France
326
1,9
TOTAL
17 175
100,00
Les États-Unis, la Chine et l'Islande représentent 56 % de la production mondiale
On distingue trois types de géothermie:
système
gradient
température du
Flux de chaleur caractéristiques
géothermique (°C
fluide circulant
(mW/m2)
géologiques
pour 100 mètres)
Hyperthermique
haute énergie
>150°C
de 10 à 50°C
>200
zones de
subduction - rift
semithermique
100°C<T<150°C
de 3 à 10°C
100 à 200
fossé
d'éffondrement
thermique diffus
basse énergie
T<100°C
1à3
60-100
bassin
sédimentaire
ressources géothermiques d’après actes du colloque C7 BRGM 1980
socle
volcanisme quaternaire
source à + de 50°C
Paris, Dax, Valence, Mt de Marsan, ...
aquifères sont à plus de
30
50
100
°C
Guadeloupe
Martinique
Réunion
Corse
En comparant cette carte à la carte géologique de la France, on peut remarquer
que les valeurs élevées du flux sont associées :
•aux remontées du socle : Massif central, Vosges ;
•aux structures d'effondrement : Alsace, Bresse, Limagne.
Cf activité 1 du tp et
corrigé
Un exemple de géothermie de très basse énergie: l’énergie du sous-sol est captée par des
tuyaux ou des forages dans lesquels circule un fluide permettant un échange thermique. La
température n’est pas suffisante pour chauffer directement la maison donc on utilise une
pompe à chaleur qui prélève cette énergie à basse température pour la transférer à une
température suffisante (plancher chauffant par exemple).
Coupe du bassin de Paris avec ses
principaux aquifères géothermaux.
L’eau des aquifères à pour origine des
infiltrations superficielles au travers
des roches (eau de surface, 10°C)
Un exemple de géothermie de basse énergie:
Construite en 1963, la maison de la radio
bénéficie d’un système de chauffage et de
climatisation qui puise l’eau d’un aquifère à
600m de profondeur (eau à 27°C, rejetée à 7°C
dans les égouts)
Température dans la strate du dogger
meaux
Guadeloupe et la Réunion:
ces îles présentent également un flux géothermique important, lié à un
contexte de subduction pour la Guadeloupe et un
contexte de point chaud pour la Réunion.
À titre de comparaison, dans le Bassin Parisien : à 1,5 km de profondeur, la
température est de 70 °C ; en Alsace : à 1,5 km, elle est de 100 °C et à 5 km, de
200 °C ; en Guadeloupe : à 1 km, elle est de 250 °C.
Il est donc judicieux d'implanter des exploitations géothermiques à haute
énergie, comme les centrales géo-thermo-électriques permettant la production
d'électricité, dans les endroits où le flux thermique est le plus élevé.
Un exemple de
géothermie de haute
énergie:
la centrale de Bouillante en
Guadeloupe, première
installation en France à
avoir commercialisé
l’électricité produite grâce
à l’énergie géothermique.
L’eau captée à 1000 m de
profondeur est à 250°C .
Lors de sa remontée elle se
transforme en vapeur qui
met en mouvement des
turbines.
La géothermie des roches chaudes fracturées;
Soultz-sous-forêts se situe dans le bassin
d’effondrement Rhénan, avec le gradient
géothermique le plus élevé de France
métropolitaine (10°C/100m). L’exploitation de la
géothermie est rendue possible en créant
artificiellement des réservoirs d’eau en fracturant
les roches (début d’exploitation en 2008)
L’énergie géothermique permet de chauffer de l’eau
- Soit injectée dans le sol et récupérée
- Soit présente dans les aquifères
Si la température est basse (de 30 à 100 °C , elle servira de
chauffage d’habitation
Si elle est élevée, sa vapeur alimentera des turbines pour
produire de l’électricité
Conclusion :
les installations géothermiques actuelles représentent une
infime partie de l’énergie consommée par l’Homme.
(1% de la consommation mondiale).
Au regard de l’énergie interne dissipée par la Terre, machine
thermique, on peut considérer que cette ressource est
inépuisable.
C’est donc une ressource qui entre dans le cadre d’un
développement durable, dans la mesure où son exploitation
respecte l’environnement.
Lardarello
Demain
L'énergie géothermique est une énergie renouvelable paradoxale dans la mesure où
une utilisation trop intensive entraîne l'épuisement des sources de chaleur.
Une utilisation raisonnée de cette forme d'énergie s'impose.
Lorsque les techniques de forage seront améliorées, l'exploitation à plus grande
échelle de la chaleur terrestre, notamment en grande profondeur (8 à 12 kilomètres
(km)), permettra de prolonger l'utilisation de l'énergie géothermique.
Quelques définitions
aquifère: du latin aqua: eau et ferre: porter. Terrain perméable contenant une nappe d'eau
souterraine: on distingue les nappes libres positionnée sur des terrains imperméables et les
nappes artésiennes emprisonnées entre deux terrains impreméables
capacité massique: c'est la quantité d'énergie à apporter pour augmenter d'un degré la
température d'une substance. unité: J·kg-1·K-1
conductivité thermique: elle représente la quantité de chaleur transférée par conduction par
unité de surface et par unité de temps (elle s'exprime en W·m-1·K-1)
Dogger: étage géologique (Jurassique Moyen): les calcaires du Dogger constituent de bons
aquifères dans le Bassin Parisien et sont exploités pour la géothermie basse enthalpie. Leur
température moyenne de 70°C et leur profondeur de l'ordre de 1800m
enthalpie: quantité de chaleur contenue par unité de poids. L'énergie correspondante sera
qualifiée de basse, moyenne ou haute selon la température du fluide.
flux géothermique: quantité de chaleur provenant des profondeurs de la Terre et traversant une
surface donnée en un temps donné.
géothermie: c'est l'utilisation de la chaleur naturelle de la Terre, en tant que source d'énergie
locale, concurrentielle, durable et acceptable du point de vue écologique et social, pour
produire de l'électricité et pour des applications directes de la chaleur.
pression hydrostatique: pression exercée par le poids d'une colonne d'eau
pression lithostatique: pression exercée par une colonne de roches.
1 watt (W): puissance développée par 1 joule pendant 1 seconde
1 watt heure (Wh): énergie représentant le travail d'une machine d'une puissance de 1 watt
pendant 1 heure.