Thème 2A « Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

Thème 2A « Géothermie et propriétés thermiques de la Terre »
Depuis l'aube de l'humanité, l'homme a toujours su tirer parti de l’énergie interne du globe dont geysers, sources
chaudes et éruptions volcaniques lui manifestaient l'existence. Mais la découverte d'énergies plus facilement
mobilisables (charbon, pétrole) n'a guère encouragé son développement.
Aujourd'hui, la donne change. L'épuisement programmé des réserves d'énergies fossiles, la nécessité de préserver
l'environnement et le réchauffement climatique dû à l'effet de serre imposent de faire toute leur place aux
énergies renouvelables. La géothermie est de celles-ci.
Quels processus produisent l’énergie géothermique ? Comment exploite-t-on l’énergie géothermique ?
1- Ressources géothermiques et contexte géodynamique
La connaissance du flux géothermique d’une région et du contexte géologique local permet d’établir s’il est
possible de récupérer de l’énergie thermique profonde. Comment identifier des ressources géothermiques
potentielles ?
Rappel gradient et flux géothermique (doc. 3 et 4, p. 239)
Gradient géothermique : On nomme gradient géothermique l'augmentation de température constatée dans le
sous-sol à mesure que l'on s'éloigne de la surface. Le gradient moyen en Europe est d'environ 1°C tous les
33 mètres, soit 3.3°C tous les 100 mètres
Flux géothermique : On nomme Flux géothermique la quantité de chaleur traversant une unité de surface par
unité de temps (en Watt.m-2 ou J.s-1.m-2)
Activité 1 : Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique. (TP 7)
- Exploiter des documents et des connaissances afin de comprendre les causes de l’implantation d’une centrale
géothermique. Cette activité propose trois exemples d’implantation : en Alsace, en Guadeloupe et en Islande
Bilan 1 :
Le flux géothermique conditionne l'exploitation de l’énergie du sous-sol. Sa valeur, inégale d'un lieu à un
autre, dépend de la conductivité thermique des roches, mais aussi du gradient géothermique.
Au niveau des dorsales, le flux est fort (production de lithosphère). Au niveau des subductions, on observe
une zone de flux faible (lié au plongement de la plaque lithosphérique froide) et une zone de flux fort
(associée à l'arc volcanique).
Les principaux contextes géologiques propices à la production d'électricité géothermique sont les zones à fort
flux géométrique (et à fort gradient géothermique) associées au magmatisme de subduction, au magmatisme
de point chaud et au magmatisme de rifting).
Répartition des zones à gradient géothermique élevé à la surface de la terre
Evaluation (TD Annexe 3)
(à comparer avec la carte des limites de plaques
Flux géothermique mondial
2- Origine du flux thermique et transfert d’énergie
Par endroits, le flux géothermique très élevé traduit un transfert important de chaleur d’origine profonde
vers la surface. Comment expliquer l’origine de l’énergie interne du globe et quels mécanismes
thermodynamiques sont susceptibles d’assurer son transfert vers la surface ?
Activité 2a : L’origine de l’énergie interne du globe (Vidéo http://www.youtube.com/watch?v=daov9dMbfn0 + doc. 1 &
2, p. 244)
Activité 2b: Les mécanismes des transferts d’énergie thermique dans un matériau : (TP 8)
Activité 2c: Les transferts d’énergie et la dynamique interne (TP 8)
Bilan 2 :
 L'énergie géothermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives
contenues dans les roches. L'augmentation de température se fait quasi régulièrement dans les
profondeurs de la Terre.
 L'énergie géothermique peut être transférée selon deux modes :
 par conduction, sans mouvement de matière, comme on l'observe dans un fluide chauffé par son
sommet.
 Par convection, impliquant des mouvements de matière, comme on peut l'observer dans un fluide
chauffé par sa base. Les mouvements sont initiés par des différences de densité, contrôlés entre
autre par la température. La matière chaude, moins dense que la matière froide, est animée de
mouvements ascendants. En surface, elle s'étale latéralement et se refroidit. Devenue plus
lourde, elle redescend et plonge en profondeur. La convection est donc un moyen très efficace
pour véhiculer l'énergie thermique,
 Au sein de la planète, le géotherme fait apparaître des gradients géothermiques différents en
fonction de la profondeur
 dans la lithosphère, dont les matériaux ont un comportement globalement rigide, le
gradient géothermique est relativement élevé par rapport à ses caractéristiques dans
l'asthénosphère situé en dessous : la lithosphère est une enveloppe globalement conductive,
bien que des circulations hydrothermales puissent y être responsables de transferts
convectifs locaux.
 Dans le manteau situé sous la lithosphère, le gradient géothermique est beaucoup plus
faible que dans le manteau lithosphérique conductif
 Au regard des caractéristiques comparées de la convection et de la conduction, ceci peut être
cohérent avec l'idée d'un comportement convectif du manteau sous la lithosphère. Plus en profondeur,
la zone de transition entre le manteau et le noyau, également caractérisée par un gradient
géothermique élevé, apparaît donc aussi comme le lieu de transfert conductif du noyau vers la base
du manteau.
3- L’exploitation par l’Homme de l’énergie géothermique
La production d’énergie thermique est une ressource renouvelable à l’échelle humaine. Comment l'Homme
peut-il exploiter cette ressource énergétique ? Quel part la géothermie peut-elle avoir dans
l’approvisionnement énergétique de la France ?
Activité 4 : Des exploitations géothermiques adaptées aux contraintes locales (doc. 1 à 4, p. 248-249)
 Puiser des calories à deux mètres sous terre pour chauffer sa maison grâce à une pompe à chaleur ou
rechercher les calories contenues dans l'eau chaude naturelle à 5000 mètres sous terre pour assurer
l'alimentation électrique d'une petite ville : l'exploitation de la ressource géothermique prend des
formes diverses, avec des enjeux techniques, scientifiques et économiques très différents.
o
Plus on se trouve proche de la surface, plus la ressource est facile à évaluer et à exploiter…
mais son potentiel
o
est généralement limité, car la température n'est pas très élevée.
Plus on s'intéresse à des ressources profondes, plus on s'éloigne des certitudes… mais avec
une espérance de
puissance thermique plus élevée.
 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.