Partie 6 : La géothermie et son utilisation.

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Théophile Lachance
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1 Partie 6 : La géothermie et son utilisation. La production d énergie est un défi pour l avenir. En effet la démographie explose et les humains ont besoin de plus en plus d énergie. L exploitation des énergies fossiles connait aujourd hui ses limites (raréfaction, pollution) mais les couches géologiques présentent d autres sources énergétiques comme la géothermie se basant sur l utilisation du flux géothermique. Chapitre 1 : Le flux géothermique. La Terre est une planète vivante. En effet de nombreuses manifestations comme les séismes, le volcanisme, la tectonique des plaques l attestent. Ces phénomènes sont dus à la libération d énergie sous forme de chaleur. On appelle flux géothermique, la quantité d énergie thermique provenant des profondeurs de la Terre et traversant une unité de surface terrestre par unité de temps. Il s exprime en W.m-2. I) Mise en évidence d un flux géothermique. La libération de l énergie de la Terre se fait sous forme de chaleur. De nombreuses observations le prouvent: Les sources hydrothermales et geysers (ex en France dans le cantal, les sources de chaudes-aigues font jaillir de l eau à 82 C). Le volcanisme. II) Mesure du flux géothermique La mesure du flux géothermique passe par la mesure de 2 paramètres : le gradient géothermique et la conductivité thermique des roches. A) Le gradient géothermique. Plus on s enfonce dans le sol, plus la température augmente. Le gradient géothermique mesure l importance de cette variation de température avec la profondeur. Principe de la mesure du gradient géothermique : On note la température observée dans les puits de mines ou les forages. Il est alors facile de calculer quelle est l augmentation moyenne de température par 100 m de profondeur (ou par km). En moyenne, ce gradient vaut environ 30 C par Km mais il est variable d une région à l autre avec des valeurs comprises entre 1 et 10 C pour 100m.

utilisation du flux géothermique. Chapitre 1 : Le flux géothermique. La Terre est une planète vivante.

2 En effet, selon le contexte géologique et géodynamique de la région, ce gradient sera + ou - fort. Ex : Les régions à fort gradient géothermique sont toutes les régions possédant pas très loin de la surface des chambres magmatiques (ex les dorsales, rifts continentaux...) B) La conductivité des roches Le flux géothermique dépend aussi de la nature des roches que la chaleur traverse. En effet toutes les roches ne conduisent pas de la même façon la chaleur. Cela dépend de la conductivité thermique de celles-ci. Conductivité thermique = flux de chaleur transféré par conduction, par la roche soumise à un gradient de température de 1 Kelvin par mètre. Elle est exprimée en Watt par K-1 et m-1. Exemple de conductivité de certaines roches et minerais: Argent =420 W.m-1.K-1 Basalte = 2 W.m-1.K-1 Granite = 3 W.m-1.K-1 Les roches sont de mauvais conducteurs thermiques. Elles freinent les transferts d énergie interne à l origine du flux géothermique. Flux géothermique (W.m-2) = Conductivité thermique (W.m-1.K-1) X Gradient géothermique (K.m-1) Il est égal à 42 Terawatts sur la surface totale de la Terre (1TW = 10¹² W)

..) B) La conductivité des roches Le flux géothermique dépend aussi de la nature des roches que la chaleur traverse. En effet toutes les roches ne conduisent pas de la même façon la chaleur.

3 Chapitre 2 : Les mécanismes à l origine du flux géothermique. I) Origine de la chaleur interne de la Terre. Au cours de la formation de la Terre par accrétion, les impacts des corps ont dégagé une énorme quantité de chaleur. Les couches superficielles ont assez rapidement évacué cette chaleur initiale pour former une croute solide. En revanche, les couches internes conservent encore, depuis cette époque (4 milliards d années) une chaleur dite résiduelle. Toutefois cette chaleur est très secondaire par rapport à la chaleur constamment produite par la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certains éléments chimiques (ex : l uranium 238 ou 235 ; le thorium 232 ; le potassium 40) C est dans la croute que se trouve l essentiel des éléments radioactifs générateurs de chaleur. Bilan : La chaleur résiduelle et la chaleur due aux désintégrations permet de libérer une chaleur de puissance = 42 TW (1TW = 1000 milliards de watt). II) Les mécanismes à l origine des transferts de chaleur. Les transferts de chaleur se font toujours des parties chaudes vers les parties froides. Ils se font selon deux modes : :la conduction et la convection. A) La conduction. Elle correspond à un transfert de chaleur de proche en proche, il n y a pas de déplacement de matière. Ce mode d évacuation de la chaleur se passe surtout dans la croute mais existe aussi dans le manteau. Elle est caractérisée par un fort gradient géothermique. B) La convection. Elle correspond à un transfert de chaleur avec un déplacement de matériau qui conserve pratiquement sa température : Le gradient géothermique est alors très faible. Ce mécanisme de transfert d énergie se met en place

Les couches superficielles ont assez rapidement évacué cette chaleur initiale pour former une croute solide.

4 lorsqu un matériau chaud et peu dense est surmonté par un matériau froid et plus dense. La matière chaude a tendance à s élever et, à terme, à se refroidir : à l inverse, la matière plus froide et plus dense a tendance à descendre et, à terme, à s échauffer. Des cellules de convection s organisent alors. III) 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. Celles-ci sont à l origine de la dynamique lithosphérique et donc aussi à l origine des manifestations de surface comme le volcanisme. Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique. Principe de la tomographie sismique : Cette technique se base sur l observation des vitesses des ondes sismiques dans le globe. Plus celles-ci sont rapides, plus les terrains traversés par ces ondes sont denses donc froids. Plus ces vitesses sont lentes, moins les terrains traversés sont denses donc plus ils sont chauds. Il est donc possible de cartographier les zones chaudes et froides du globe. Exemple : zones chaudes : partout ou il ya des chambres magmatiques :dorsales continentales ou océaniques, points chauds. Zones froides : fosses de subduction. Ainsi, c est la dissipation d énergie interne du globe qui anime la tectonique des plaques. Les cellules de convection transfèrent efficacement la chaleur du noyau vers la lithosphère et la conduction dans celle-ci dissipe ensuite la chaleur vers la surface. Le globe terrestre se refroidit alors très progressivement.

Des cellules de convection s organisent alors. III) Un modèle thermique du globe.

5 Chapitre3 : L exploitation par l Homme de l énergie géothermique. L énergie géothermique est utilisée par l Homme avec 2 objectifs principaux : la production de chaleur pour le chauffage et la production d électricité. Comme ce prélèvement est infime par rapport à la chaleur totale dissipée par la Terre, la géothermie représente une énergie renouvelable et donc inépuisable. Les ressources géothermiques dépendent du contexte géologique : elles sont importantes dans les régions volcaniques, les zones de rift comme l Islande et, dans une moindre mesure, dans les bassins d effondrement (l Alsace, par exemple). La géothermie «haute énergie» utilise directement les fluides très chauds (entre 160 et 350 C) afin de produire de l électricité. La géothermie «basse énergie» récupère de l énergie thermique (entre 25 et 100 C) à faible profondeur dans le sol ou le sous sol à des fins de chauffage. I) Principe de la géothermie «haute énergie» pour la production d électricité. II) Principe de la géothermie «basse énergie» pour le chauffage.

Comme ce prélèvement est infime par rapport à la chaleur totale dissipée par la Terre, la géothermie représente une énergie renouvelable et donc inépuisable.

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