Géothermie et propriétés thermiques de la Terre. Le gradient et le flux géothermiques internes de la Terre

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1 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre! PLAN 1 Le gradient et le flux géothermiques internes de la Terre A) Mesurer et calculer le gradient et le flux géothermiques mesurer le gradient de la croûte : relevé de la température dans des forages ou des mines en fonction de la profondeur. Ex. : 30 C/km dans la croûte continentale mesurer le flux en surface : relevé de la chaleur dissipée au niveau du sol en 2 12 fonction du temps. Ex. : 90 mw/m /an en moyenne soit environ W/an = 46 TW flux et gradient sont liés : flux thermique = conductivité thermique gradient thermique B) L origine principale du flux géothermique : la radioactivité interne flux géothermique positif en surface : chaleur évacuée de l intérieur de la Terre vers sa surface éléments radioactifs ( U, Th et K) présents dans la croûte et le manteau. Ex. : manteau = 0,015 ppm ( U) + 0,08 ppm ( Th) + 0,1 ppm ( K) production de chaleur associée à la désintégration radioactive. Ex. : manteau = 0,02 µw/m /an pour un volume de 0,8.10 m / / W/an = 21 TW produits en tout par radioactivité au sein de la Terre C) Le gradient et le flux géothermiques dépendent du contexte géodynamique 2 2 ex. : dorsale = 120 mw/m et subduction = 40 mw/m ex. : présence de nombreuses sources hydrothermales supérieures à 50 C en Islande (point chaud et dorsale), beaucoup moins en France influence du contexte géodynamique sur le gradient et le flux géothermiques

2 Transition : la Terre interne est donc le siège d une production de chaleur qui est évacuée vers la surface. Cette évacuation de chaleur est plus ou moins efficace selon le contexte géodynamique ce qui se traduit par des variations du gradient et du flux géothermiques. 2 Les mécanismes de transfert de l énergie thermique au sein de la Terre A) La conduction : un mécanisme de transfert peu efficace transfert thermique de proche en proche par contact entre les roches. Ex. : lithosphère dépend de la conductivité thermique des roches. Ex. : péridotite = 3 W/m/ K et basalte = 2 W/m/ K B) La convection : un mécanisme de transfert très efficace transfert thermique par déplacement de matière (à l état solide, liquide ou gazeux) avec conservation de la température des matériaux : produit un faible gradient thermique. Ex. : manteau asthénosphérique convection dépendant du gradient de densité production de chaleur interne profonde = augmentation de la température profonde = diminution locale de la densité profonde = convection possible. Ex. : point chaud perte de chaleur en surface = diminution de la température en surface = augmentation de la densité en surface = convection possible. Ex. : subduction convection lente du manteau : plongée de matériaux froids avec remontée de matériaux chauds la convection mantellique s inscrit donc dans la tectonique globale C) Les mécanismes de variation géodynamique du flux géothermique au niveau d une dorsale, manteau chaud proche de la surface : flux important dans une subduction, plongée d une plaque froide : diminution du flux vers la surface

3 Transition : les types de transfert thermique et les contextes géodynamiques sont des paramètres qui contrôlent l intensité du flux thermique que l on peut mesurer en surface. Toutes les régions de la Terre n ont donc pas le même flux et le même gradient géothermique. Ces caractéristiques permettent de comprendre comment l Homme peut utiliser l énergie géothermique. 3 L énergie géothermique : une énergie renouvelable utilisable par l Homme A) L énergie thermique : une énergie renouvelable prélèvement actuel d environ W/an = 6,0.10 TW, soit fois moins que le flux thermique annuel total 9-3 énergie disponible renouvelable (radioactivité) et presque inépuisable (prélèvement infime) B) L énergie thermique : une ressource variable dans l espace flux et gradient thermiques dépendent du contexte géodynamique sous Paris (bassin sédimentaire) : gradient = 30 C/km en Alsace (bassin d effondrement) : gradient = 100 C/km en Islande (point chaud et dorsale) : gradient = 250 C/km et 49 MW/an exploités C) L énergie thermique : quelles utilisations pour l Homme? deux utilisations possibles : production de chaleur et d électricité chauffage : géothermie très basse à moyenne énergie. Ex. : récupérer l eau chaude d un aquifère à quelques km de profondeur sous Paris électricité : géothermie moyenne à haute énergie. Ex. : centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe = eau bouillante profonde faisant tourner une turbine. Bilan : l énergie géothermique est une ressource renouvelable et quasiment inépuisable. Elle possède différentes applications et permet actuellement à l Homme de se chauffer et de produire de l électricité. C est une alternative aux énergies fossiles plus polluantes et

4 aux stocks limités.

5 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre! SCHÉMAS Gradient géothermique de la Terre Le gradient géothermique de la Terre est le résultat de l évacuation de sa chaleur interne via des processus de transfert thermique différents selon les couches profondes de la Terre. Le gradient est ainsi dit «fort» (à l horizontal ici) quand la variation de température est importante avec la profondeur, c est l inverse quand il est «faible».

6 Convection mantellique et dynamique terrestre La convection mantellique globale s inscrit dans un cadre plus large qui est celui de la théorie de la tectonique des plaques. Les différences de densité et de température des différentes couches de la Terre participent à la convection et aux phénomènes de convergence, de divergence, d océanisation et d accrétion continentale.

7 Géothermie L utilisation de la géothermie (chauffage et production d électricité) est directement dépendante du type de la source de chaleur. Et le type de source est lié au contexte géodynamique : le gradient géothermique n est pas le même au niveau d un bassin d effondrement qu au niveau d un point chaud.

8 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre! MÉTHODOLOGIE Mesurer expérimentalement l efficacité de la conduction et de la convection Efficacité des transferts thermiques 1 Un transfert est efficace s il homogénéise bien les températures d un système. On mesure donc la température à la surface et au fond d un bécher rempli d eau. Outils 2 deux sondes thermométriques ; un thermoplongeur (résistance chauffante) ; un système de mesure ExAO. Mesurer la conduction seule On veut empêcher les mouvements de matière : la source chaude doit être en surface. 3

9 Mesurer la convection On veut permettre les mouvements de matière : la source chaude doit être en profondeur. 4 Analyser les mesures 5 1. Calcule la différence de température entre le fond et la surface au cours du temps. 2. Place sur un graphique les valeurs calculées pour les deux expériences. 3. Conclus sur l efficacité d homogénéisation de chaque transfert.

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11 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre! SCIENCE ET HOMME Soultz-Sous-Forêts en Alsace : un site pilote pour la géothermie profonde Contexte géodynamique Le site est situé dans le bassin d effondrement du Rhin dont le gradient thermique moyen est de 100 C/km. Géologie de la croûte En profondeur, la croûte est constituée de granites fracturés et faillés par le rifting et des phénomènes tectoniques antérieurs. Ressource géothermique disponible et utilisation Il existe à 5 km de profondeur des fluides géothermaux à près de 200 C que l on peut avoir en surface à plus de 160 C. Leur chaleur est transférée à un autre fluide qui bout et permet la production d électricité dans une centrale géothermique. Méthode d exploitation de la ressource 1. Le fluide géothermal est récupéré à 5 km de profondeur. 2. Il chauffe en surface un autre fluide qui se vaporise et fait tourner des turbines. er 3. Le 1 fluide est réinjecté en profondeur pour se réchauffer et être à nouveau exploitable.

12 Production énergétique Production de 1,5 MW d électricité permettant d alimenter une agglomération de habitants. Impacts et limites de l exploitation Une première phase de stimulation du granite (par fracturation hydraulique) était nécessaire pour créer et nettoyer le circuit de passage du fluide. Des micro-séismes pouvant atteindre la magnitude de 2,9 sur l échelle de Richter se sont ainsi produits. De plus, la réinjection est un processus coûteux, plus que le prélèvement. Enseignements tirés du projet La micro-sismicité de magnitude supérieure à 2 (ressentie en surface) peut être empêchée. Un réservoir ne se caractérise pas seulement par sa ressource, mais aussi par sa disponibilité (fracturation, circulation des fluides, etc.). Il faut limiter les ré-injections à trop haute pression qui sont coûteuses.

13 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre! DÉFINITIONS Centrale géothermique Centrale produisant de l électricité grâce au flux thermique terrestre. Chaleur Forme d énergie résultant d un transfert thermique entre deux zones à des températures différentes. Conduction Mécanisme de transfert thermique de proche en proche. Au niveau atomique, cela correspond à un transfert de l agitation des atomes. Convection Mécanisme de transfert thermique par déplacement de matière à l état solide, liquide ou gazeux. Des matériaux denses (souvent froids) plongent dans des matériaux moins denses (souvent chauds). Ex : subduction (descente active) et point chaud (remontée active). Énergie fossile Énergie provenant de la combustion de matières organiques fossilisées telles que le pétrole ou le charbon. Les stocks de ces ressources sont limités car leurs temps de régénération sont de l ordre du million d années. Énergie renouvelable

14 Énergie dont les ressources se regénèrent à une vitesse égale ou supérieure à leur consommation par l Homme. Ex. : énergie photovoltaïque (lumière du soleil), énergie éolienne (vent) et énergie géothermique (chaleur terrestre). Flux géothermique Flux de chaleur mesuré près de la surface de la Terre. On l exprime en W/m. Sa mesure donne des valeurs positives, c est donc une énergie thermique transférée de la profondeur de la Terre vers l extérieur. 2 Géothermie basse énergie Technique permettant d utiliser des ressources à faible profondeur (au maximum quelques centaines de mètres) et/ou à faible température (max. 100 C) pour chauffer des infrastructures. Géothermie haute énergie Technique permettant d utiliser des ressources à forte profondeur (jusqu à plusieurs km) et/ou à forte température (entre 100 et 350 C) pour produire de l électricité. Gradient géothermique Variation de la température en fonction de la profondeur. On l exprime en K/m ou en C/m.