Biblio: Fond scientifique: -La physique de la Terre solide, Larroque et Virieux. -Géophysique, Dubois et Diament. -La Terre interne, Brunet et al.

Transcription

1 Géothermie à Soultz-sous-Forêt : application au programme de TS d après la formation PAF 2012/2013 «Géothermie et propriétés thermiques de la Terre» Marie Tromp Armelle Baldeyrou-Bailly

2 Biblio: Fond scientifique: -La physique de la Terre solide, Larroque et Virieux. -Géophysique, Dubois et Diament. -La Terre interne, Brunet et al. -La Terre à cœur ouvert, Dossier PLS, Avril-Juin 2010 Ressources: -La France sous nos pieds Atlas BRGM -Site Planet-Terre: -Site projet géothermie HDR Soultz: -Lithothèque:

3 I- La centrale géothermique de Soultz-sous-Forêt : données géologiques et techniques II- Application aux programmes de TS et activités réalisables en classe 1- Le géotherme terrestre et les modes de dissipation de la chaleur 2- Un géotherme anormalement élevé à Soultz-sous- Forêt 3- La géométrie de la convection dans le manteau terrestre

5 Une énergie thermique interne... utilisée pour produire de l'énergie. la centrale géothermique de Soultz-sous-Forêt : site d'étude de la géothermie profonde.

6 Les différents contextes d exploitation géothermique Bassin parisien Fossé rhénan Bouillante en Guadeloupe Chauffage Production l électricité

7 Localisation de Soultz-sous-Forêt

8 Le projet de Soultz-sous-Forêt Aujourd hui, Géothermie Soultz est un site dédié à l observation et aux études scientifiques et techniques.

9 Cadre géologique : une zone fracturée Forage de Soultz Sediments Cenozoique 1.4km Soultz site Sediments Jurassique+ Triassique Granite Horst structure dans le graben tertiaire du Rhin avec structure locale en horst proche de la bordure Ouest

10 Les puits à Soultz-sous-Forêt Puits verticaux dans les sédiments et une partie du granite Toit du granite Déviation des puits dès 2700m parallèlement à σh Since 1987: EPS1 fully cored exploration GPK1 preliminary injection tests GPK3 puit d'injection GPK2 and GPK4 puits de production T=200 C

11 Les puits à Soultz-sous-Forêt

12 Les puits à Soultz-sous-Forêt : pompage/ production et réinjection

13 Principe d'exploitation Boucle secondaire de récupération d'énergie (chaleur ou production électrique) Boucle primaire d eau géothermale

14 Principe d'exploitation : la boucle primaire d'eau géothermale 1 : l'eau chaude naturellement présente est pompée par les puits de production GPK 2 et GPK 3 à 5000m de profondeur qui passe de 200 C à 165 C. 2 : l'échangeur de chaleur retire le maximum de calories à l'eau géothermale et les transmet à un fluide caloporteur (l isobuthane). 3 : l'eau à 70 C préalablement filtrée (car trop riche en minéraux) est réinjectée par le puit de d'injection GPK 2. 4 : l'eau circule naturellement à travers le réseau de fractures (température) ou de manière forcée par pompage (pression) et se réchauffe à nouveau.

15 Principe d'exploitation : la récupération d'énergie

16 Principe d'exploitation : l'installation

17 Échangeur de chaleur Principe d'exploitation : l'installation Turbine et générateur électrique Puit de réinjection

18 Sortie sur le terrain : 2h de visite (1h30 en salle avec projection et questions/réponses + 30min de visite de la centrale) effectif de 45 personnes max gratuit pour les scolaires prendre contact sur le site, plusieurs mois à l avance : (réponse rapide)

19 Sites d intérêt à proximité de Soultz-sous-Forêt Musée français du pétrole À Merkwiller Pechelbronn + terrils Maison rurale de l Outre Forêt Travaux d'exploitation géothermique industrielle à Rittershoffen Sources chaudes à Merkiller Pechelbronn Suintements de pétrole dans la forêt de Surbourg et de Walbourg

21 Manipulations possibles Profil de variation verticale de température (géotherme) selon le mode de transfert de chaleur (convection et conduction). Enregistrements ExAO, tracé de courbes Puis 2 possibilités : Géothermie donné aux élèves : à eux d identifier les enveloppes conductives et convectrices Ou Démontrer la convection : géotherme à déterminer par points d ancrage + calculs.

22 Manipulations possibles Profil de variation verticale de température (géotherme) selon le mode de transfert de chaleur (convection et conduction). Enregistrements ExAO, tracé de courbes Puis : Géothermie donné aux élèves : à eux d identifier les enveloppes conductives et convectrices

23 Le montage

24 Deux montages : résistance chauffante en haut (à gauche), en bas (à droite) conduction convection Convection visible dans le bac

25 Sondes maintenues avec une potence et des pinces Capteurs des sondes thermiques

26 Montage convection

27 T

28 Montage conduction

29 T

30 Distance à la source de chaleur (cm) Température en fonction de la distance à la source de chaleur Température ( C) Exploitation des résultats d après les valeurs lues sur les courbes Latis Bio En conduction Température en fonction de la distance à la source de chaleur à t=10min Distance à la source de chaleur (cm) En convection Température ( C)

31 Manipulations possibles Profil de variation verticale de température (géotherme) en fonction du mode de transfert de chaleur (convection et conduction). Enregistrements ExAO, tracé de courbes Puis : Géotherme donné aux élèves : à eux d identifier les enveloppes conductives et convectrices

32 Enveloppes en conduction Enveloppes en conduction

33 Le géotherme dans le manteau et le noyau: démonstration Nombre de Rayleigh pour le manteau de la Terre? α 10-5 K -1 g l0 m.s -2 T 1000 K Ra 10 6 >> Ra c d 2, m κ 10-6 m 2 s -1 ν m 2 s -1 Le manteau de la Terre doit être animé de mouvements convectifs Quelle est la structure de la convection?

34 Le fluide se décomprime donc se refroidit sans échange de chaleur = ADIABATIQUE. En redescendant, il se comprime, donc se réchauffe. Variation de température due à la (dé-)compression appelée "gradient adiabatique". G a = gαt a / C ; avec C capacité calorifique,α coefficient de dilatation volumique Très minces couches où il y a échange de chaleur et présentant un très fort gradient thermique: "couche limite thermique". On peut donc tracer le profil de température suivant

35 noyau: - température à l'interface graine/noyau externe = température de cristallisation du fer à ces pressions = environ C. - gradient adiabatique calculé (mais invérifiable par l'observation pour le noyau) très voisin de celui du manteau (0,55 C/km) en remontant à km, on obtient C pour le sommet du noyau.

36 profil de température dans le manteau connu indirectement jusqu'à 670 km : -10 à 30 C/km dans la lithosphère -mesure de température des équilibres minéralogiques (olivine/spinelle/perovskite) dans les enclaves de roches mantelliques Gradient adiabatique dans l'asthénosphère calculable: 0,3 C/km (entre couche limite thermique haute et basse) prolongation de ce gradient de 0,3 C/km jusqu'au noyau à km > C à la base du manteau

38 Un géotherme anormalement élevé à Soultz-sous-Forêt

39 Un géotherme anormalement élevé à Soultz-sous-Forêt à 5000m de profondeur

40 Un géotherme anormalement élevé à Soultz-sous-Forêt

41 Un géotherme anormalement élevé à Soultz-sous-Forêt Géotherme «conductif» anormalement chaud dans les ers m (110 C/km vs 30 C/km dans le bassin parisien). Géotherme «convectif» au sein du granite fracturé dû à une circulation de fluides caloporteurs. Géotherme «normal» au delà de 4000m.

42 Utilisation de la tomographie sismique à différents niveaux: Flux et géotherme moyens : un modèle radial (une seule dimension: z) tomographie montre hétérogénéités thermiques latérales dans le manteau existe hétérogénéités de densité permettant de développer une force d Archimède donc une convection (instabilité de Rayleigh) Flux et géotherme moyens: un modèle radial construction du géotherme dans le manteau et le noyau externe ces enveloppes sont convectives, séparées par des CLT diffusives la tomographie permet d identifier les branches de la convection au sein du manteau

44 Manipulation possible : géométrie de la convection dans le manteau Huile colorée à la poudre de craie Huile à T ambiante (refroidie pour éviter le mélange au départ)

45

46 Mise en place de panaches ascendants

47 Surface froide Fond chaud Plongements localisés

48 Cas terrestre: prépondérance du chauffage en volume branches descendantes sont les branches + actives

49 Fréquente «stagnation» à 670 km des panneaux plongeants

50 Existence de différentes transitions de phases de l olivine 80% en poids du manteau inférieur phase la plus abondante de la terre Changements de phase ont lieu dans les conditions thermo du manteau

51 Effets dynamiques des changements de phases Pentes de Clapeyron Changement de phase exothermique Effets dynamiques T ρ 1 < ρ 2 P Courant descendant Courant ascendant ρ 2 profondeur Changement de phase endothermique T P ρ 1 < ρ 2 Courant descendant Courant ascendant ρ 2 profondeur