la géothermie
Jean Lemale la géothermie 2 e édition
Photographie de couverture : Tunart_iStock.com Dunod, 2015 Dunod, 2012 pour l ancienne présentation 5, rue Laromiguière 75005 Paris ISBN 978-2-10-074377-3
PRÉFACE À LA 1 RE ÉDITION Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Lorsque les énergies provisoires, pétrole, gaz, charbon et nucléaire de génération actuelle, auront disparu, il ne subsistera plus que trois sources d énergie possibles pour l humanité : les hypothétiques générations futures du nucléaire, la géothermie et le soleil et ses dérivés que sont le vent, l eau et la biomasse. Le soleil et la chaleur de la terre sont incontestablement les valeurs sûres de notre avenir énergétique. Il existe beaucoup d ouvrages de grande qualité décrivant les énergies du soleil mais rares sont ceux qui apportent une réelle information aux ingénieurs et scientifiques qui veulent connaître la géothermie pour en développer des applications. Jean Lemale, qui a longtemps œuvré au sein de l ADEME pour le développement de la géothermie en France, comble cette lacune avec ce livre qui décrit avec rigueur et précision les différentes méthodes de valorisation de la chaleur de la terre, principalement pour satisfaire les besoins de chaleur dans nos bâtiments, nos industries ou notre agriculture. À l heure de la mise en œuvre du Grenelle de l Environnement et des réponses à apporter aux défis de la lutte contre le changement climatique, la France s est engagée à atteindre, en 2020, une part de 23 % d énergies renouvelables dans son bouquet énergétique contre 11 % aujourd hui. Cela revient à augmenter la production d énergies renouvelables de 20 millions de tep (tonnes équivalent pétrole), dont la moitié est destinée à l usage sous forme de chaleur. L ouvrage de Jean Lemale arrive donc à point nommé pour éclairer les choix des maîtres d ouvrage et des bureaux d étude qui seraient désireux de se lancer dans la réalisation de projets de géothermie. Les différentes formes de géothermie sont aujourd hui parfaitement maîtrisées, les technologies sont disponibles, de même que les mécanismes financiers comme le Fonds Chaleur Renouvelable et les Fonds de garantie. Tous les éléments sont réunis pour que la géothermie apporte une contribution décisive à l atteinte des objectifs du Grenelle de l Environnement et la modération du changement climatique. Il appartient maintenant aux consommateurs d énergie et aux professionnels de mettre en application les préceptes de Jean Lemale. Jean-Louis BAL Directeur Énergies Renouvelables ADEME V
TABLE DES MATIÈRES A Les filières géothermiques 1 Aspects généraux et filières traditionnelles 3 1.1 Place de la géothermie 4 1.2 La Terre, source de chaleur 8 1.3 Caracteristiques d une ressource geothermale 21 1.4 Les différents types de gisements géothermaux 33 1.5 Historique et bilan des réalisations 37 2 Évaluation et exploitation des ressources 47 2.1 Déroulement d une opération de géothermie 47 2.2 Mise en œuvre des ressources géothermales 52 2.3 Exploitation de la ressource 68 2.4 Utilisation des ressources geothermales 85 B L expérience française Dunod La photocopie non autorisée est un délit. 3 Ressources en France 105 3.1 Localisation des ressources «basse énergie» 107 3.2 Le bassin parisien 108 3.3 Le bassin aquitain 113 3.4 Autres bassins 114 4 Fonctionnement du réseau de chaleur géothermique 117 4.1 Puissance disponible 117 4.2 Adéquation ressource/besoins 119 4.3 Organisation de la distribution de chaleur 123 VII
Table des matières 5 Exemples de réseaux géothermiques 133 5.1 Centrale géothermique en Aquitaine 133 5.2 Exemples d opérations exploitant le Dogger 134 5.3 Économie d une opération de géothermie (cas Dogger bassin parisien) 137 5.4 Bilan des opérations en fonctionnement en Île-de-France (2003) 144 6 Organisation de la géothermie 149 6.1 Les acteurs de la géothermie 149 6.2 Mesures reglementaires 158 6.3 Mesures incitatives 164 VIII C Les pompes à chaleur géothermiques 7 Principes généraux relatifs aux pompes à chaleur 177 7.1 Principes thermodynamiques 177 7.2 Éléments constitutifs d un système thermodynamique 179 7.3 Differents types de pompes à chaleur 181 7.4 Nature des installations terminales (milieu à chauffer ou climatiser) 188 7.5 Mise en œuvre, différents montages 190 7.6 Bilan environnemental 198 8 Les pompes à chaleur sur aquifères 203 8.1 Caractéristiques des aquifères (nappes d eau souterraines) 204 8.2 Localisation des nappes souterraines en France 206 8.3 Accès à la ressource d une solution PAC sur aquifère 209 8.4 Conditions d exploitation 212 8.5 Configuration générale des ouvrages 217 8.6 Adéquation ressource géothermale/ besoins thermiques et frigorifiques (dimensionnement) 218 8.7 Exploitation et maintenance 221 8.8 Aspects réglementaires et garantie Aquapac 222 8.9 Impact sur les eaux souterraines et superficielles 224 8.10 Aspects économiques 225 8.11 Domaines d application appropriés 230 8.12 Conclusions et recommandations 235
Table des matières 9 PAC sur le sous-sol 237 9.1 Paramètres caractéristiques du sous-sol (faible profondeur) 237 9.2 Capteurs horizontaux 240 9.3 Capteurs verticaux ou sondes géothermiques 248 9.4 Les champs de sondes géothermiques 253 9.5 Autres types de capteurs géothermiques 257 9.6 Fondations géothermiques ou thermoactives 258 10 Puits canadien 263 10.1 Principe général 263 10.2 Mise en œuvre 265 10.3 Dimensionnement 267 D Annexes A Géothermie des roches fracturées 271 Principe 271 Déroulement du projet de pilote expérimental de Soultz-sous-Forêts 271 L avenir de la géothermie profonde en France et dans le Monde 275 B Campagne de mesure sur pavillon équipé d une sonde 277 C Liste des opérations en France 281 D Unités Énergie - Équivalences 287 Glossaire 289 Bibliographie 301 Index 303 IX
A Les filières géothermiques
1 ASPECTS GÉNÉRAUX ET FILIÈRES TRADITIONNELLES A Dunod La photocopie non autorisée est un délit. «La géothermie 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 les applications directes de la chaleur.» (cf. : Sommet mondial UNESCO, Paris 1993). Sous l appellation «géothermie» on rencontre une grande diversité de techniques et d applications qu il est nécessaire de présenter. Il existe deux filières essentielles l une électrique, l autre thermique. La production électrique concerne particulièrement certaines zones liées au volcanisme récent. La filière thermique, mobilisable quasiment en tous lieux, comporte de nombreuses applications qui s étendent du chauffage de la maison individuelle jusqu à la distribution de chaleur, via des réseaux de chaleur à des milliers de logements. La France, est de loin, leader européen en ce qui concerne le chauffage urbain géothermique (170 000 logements desservis en région parisienne). Pour chacune des filières seront développés les aspects techniques (sous-sol et valorisation), mais également les aspects économiques et environnementaux. Certaines filières ont atteint un stade de maturité qui permet aujourd hui de leur attribuer un bilan complet et de préciser leurs modalités de mise en œuvre dans des conditions techniques et économiques satisfaisantes. Pour certaines techniques actuellement au stade de la recherche-développement, le potentiel à moyen terme est considérable, c est le cas notamment de la géothermie des roches profondes qui fait l objet d un chapitre particulier. Un chapitre est consacré aux aspects spécifiques des pompes à chaleur géothermiques, filière actuellement en plein développement et aux multiples applications dans l habitat individuel, collectif et le tertiaire, tant pour le chauffage que pour le rafraîchissement. L ouvrage a pour objectif de présenter l énergie géothermique sous ses multiples aspects. Il n existe en effet aujourd hui en France aucun ouvrage de base récent faisant le point sur les aspects fondamentaux de ce type d énergie intégrant à la fois les domaines des sciences du sous-sol et de l ingénierie thermique. Les filières géothermiques 3
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.1 Place de la géothermie m Avant-propos La fin du XX e siècle a mis en évidence la nécessité d un «développement durable» qui doit entre autres, résoudre deux problèmes majeurs pour l avenir des générations futures : La limitation et l épuisement des énergies fossiles et donc la nécessité de mettre en œuvre une politique de maîtrise de l énergie et de développement des énergies renouvelables. La dégradation de notre environnement en particulier, le réchauffement climatique lié aux activités humaines, phénomène devenu aujourd hui incontestable. Du point de vue énergétique, le XXI e siècle sera obligatoirement un siècle de transition énergétique, voire de rupture. Il aura à résoudre la croissance inéluctable de la demande énergétique mondiale et de son surcoût, ainsi que les effets du changement climatique. Le scénario présenté par l Agence internationale de l énergie prévoit un taux de croissance moyen de 1,6 % par an pour les 25 prochaines années. Il doit être tenu compte de la croissance démographique et économique, notamment dans les pays émergents. Il est clair que les énergies fossiles ne seront plus à même d assurer la totalité de la demande dans des conditions économiques et environnementales satisfaisantes. Les progrès technologiques ont permis et permettront encore de repousser les limites des réserves. Le plafonnement de la production, puis un déclin de la production du pétrole doivent aujourd hui être pris en compte, même si la date du «pic pétrolier» reste incertaine, mais en tout état de cause proche. On considère que le secteur énergétique des énergies traditionnelles est responsable aujourd hui d environ 65 % des émissions de gaz à effet de serre d origine anthropique. L objectif de diviser les émissions de CO 2 par quatre d ici 2050 est un objectif ambitieux, mais nécessaire pour que les 9 milliards d individus qui vivront sur notre planète puissent bénéficier des progrès de notre société dans les meilleures conditions. Des engagements ont été pris au niveau mondial, européen et national. Le recours aux énergies renouvelables est incontournable et doit être encouragé par tous les moyens. La majorité des technologies existent et ont démontré leur faisabilité. Elles peuvent déjà être développées dans des conditions économiques satisfaisantes sans attendre des ruptures technologies profondes. Les ENR exploitées de manière raisonnable seront la bouée de survie pour une partie de la planète qui n aura pas ou plus accès aux ressources traditionnelles. 1.1 Place de la géothermie 1.1.1 Place de la géothermie dans le monde 4 La géothermie est une source d énergie renouvelable qui s adresse aux deux grandes filières énergétiques : production d électricité et production de chaleur.
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.1 Place de la géothermie En ce qui concerne la filière thermique, il faut faire la distinction entre les installations utilisant directement la chaleur du fluide de celles qui nécessitent l assistance d une pompe à chaleur. La production d électricité à partir de la géothermie en 2005, concerne 21 pays. La puissance installée relevée est de 8 900 MW pour une production annuelle de 57 000 GWh. La géothermie satisfait aujourd hui 0,4 % des besoins en énergie électrique mondiaux Nlle Zélande 438 MWe Japon 549 MWe El Salvador 152 MWe Islande 200 MWe Costa Rica 143 MWe 12 autres pays 305 MWe USA 2000 MWe A Les filières géothermiques Indonésie 788 MWe Italie 862 MWe Mexique 865 MWe Philippines 1905 MWe Figure 1.1 Principaux pays producteurs d électricité géothermique Dunod La photocopie non autorisée est un délit. En ce qui concerne les usages thermiques directs, 71 pays ont été recensés pour une puissance installée de 28 000 MW th et une production annuelle de 72 000 GWh. Les technologies et applications sont très diversifiées comme le montre le graphique ci-dessous. 5
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.1 Place de la géothermie Aquaculture 4% Divers 3% Process industriels 4% Cultures sous serre 8% Pompes à chaleur géothermiques 32% Chauffage bâtiments 20% Balnéothérapie et piscines 29% Figure 1.2 Répartition des filières (usages thermiques) au niveau mondial (World geothermal congress 2005) Selon les Pays la contribution des pompes à chaleur géothermiques est intégrée ou pas dans les statistiques. 1.1.2 Place de la géothermie en France La France s est fait une spécialité dans l exploitation de la géothermie des aquifères profonds généralement associés à des réseaux de chaleur. Le chauffage des bâtiments représente 87 % des applications de la géothermie pour les ressources profondes Température > 30 C. D un point de vue géographique 80 % de la production géothermique actuelle a pour origine la région Île-de-France. Autres Autres 13% Piscine balnéo 16% Pisciculture 49% Serres 35% Chauffage bâtiment Figure 1.3 Répartition des usages directs de la géothermie en France (2007) 6
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.1 Place de la géothermie 1.1.3 Place de la géothermie au sein des ENR (France) Tableau 1.1 Place de la géothermie en Ktep 2007 2008 2009 Bois-énergie 8 267 8 872 9 055 Hydraulique 5 025 5 514 4 931 A Biocarburants 1 122 1 946 2 279 Déchets urbains renouvelables 1 167 1 203 1 242 Pompes à chaleur (1) 531 771 947 Eolien 349 489 667 Les filières géothermiques Résidus agricoles et IAA* 338 362 352 Biogaz 253 284 298 Géothermie 109 116 119 Solaire thermique 35 44 52 Solaire photovoltaïque 2 4 14 Total 17 198 19 605 19 956 * industrie agro-alimentaire Dunod La photocopie non autorisée est un délit. (1) environ 20 % sont à affecter à la géothermie Source : SOeS, bilan de l énergie 2009 Ramenée à la consommation globale de la France, la part des ENR représente en 2009, 7,7 %. L objectif fixé par la loi Grenelle est une production de 20 millions de tep/an supplémentaire à l horizon 2020. L atteinte de cet objectif nécessite la mobilisation de l ensemble des filières. Pour la géothermie dont le potentiel de développement est considérable, l objectif est une multiplication par 6 en 12 ans. Il s agit donc de changer d échelle, et envisager l utilisation de la géothermie dans les nombreux secteurs ou elle a démontré sa pertinence technique économique et environnementale (habitat individuel et collectif, secteur tertiaire, industrie, agriculture ). 7
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur 1.2 La Terre, source de chaleur 1 La Terre est une gigantesque chaudière avec ses manifestations thermiques naturelles que l on rencontre sous différentes formes selon les endroits. Parmi ces manifestations on peut citer, les volcans, les sources chaudes, les fumerolles, les geysers, les muds pots (bains de boue bouillonnante). 1.2.1 Naissance de la Terre «La Terre a été créée le 23 octobre de l année 4004 avant J.-C, à 9 heures du matin» Archevêque James Ussher. Cette date aussi précise résulte des calculs effectués par cet archevêque anglican au XVII e siècle à partir de la généalogie décrite dans l Ancien testament. Par la suite au XIX e siècle Lord Kelvin s appuyant sur les lois de refroidissement par conduction des corps métalliques estima que l âge de la Terre ne pouvait pas être supérieur à quelques centaines de milliers d années. Kelvin avait oublié que la Terre est réchauffée par la désintégration des éléments radioactifs contenus notamment dans l écorce terrestre. La découverte de la radioactivité a permis la datation de ces corps et d évaluer en fait, l âge de notre planète : la Terre a au moins 5 milliards d années. Le mécanisme de formation de la Terre repose sur le phénomène d accrétion, consistant en un effondrement gravitationnel sur lui-même d un énorme nuage de gaz et de poussière. Au départ, les poussières se seraient assemblées en particules, lesquelles ont formé des grains et des petits cailloux, puis de grosses pierres, enfin des petits corps planétaires identiques à des météoriques. L agglomération de ces objets et autres débris satellitaires ont fini par former un planétoïde de quelques kilomètres de diamètre qui continua d augmenter de taille par captures successives de corps planétaires, petits au départ, puis de plus en plus gros. On pense que la Terre a atteint sa taille actuelle, soit un diamètre de 13 000 km, 100 à 150 millions d années après sa naissance. 1. Ce chapitre comporte un certain nombre d extraits de l ouvrage intitulé «La Chaleur de la Terre» par Raymond Ferrandes ADEME Editions 1998, auquel le lecteur souhaitant approfondir ce sujet, pourra se référer. 8
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur A Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Les filières géothermiques 1.2.2 Structure de la Terre Figure 1.4 Schéma de la structure interne du globe m La structure interne du globe Les observations directes ne dépassent pas les premiers kilomètres de la croûte terrestre. Le forage le plus profond recensé est celui d une profondeur de 13 km réalisé dans la péninsule de Kola (Russie). Nos connaissances reposent essentiellement sur les méthodes géophysiques, en particulier sur l étude de phénomènes de propagation des ondes sismiques naturelles ou provoquées. Les tremblements de terre produits en un endroit du globe peuvent être enregistrés à plusieurs milliers de kilomètres. Le trajet de ces ondes qui se réfléchissent et se réfractent sur les différentes interfaces présentes à l intérieur du globe permet de déterminer l état de la matière à des profondeurs que l homme ne peut pas atteindre. Les informations recueillies par la sismique peuvent être complétées par 9
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur la gravimétrie qui mesure le champ de la pesanteur et permet d identifier les roches à haute ou faible densité. De cette manière, on a ainsi pu distinguer trois enveloppes principales dans la structure du globe. m m Le noyau Au centre, sur un rayon de 3 470 km, un alliage de fer et de nickel, solide au coeur et liquide autour, forme le «noyau», qui représente seulement 16 % du volume total mais 67 % de la masse terrestre. La partie solide située au centre représente moins de 1 % du volume du globe. Son rayon est de l ordre de 1 350 km et sa densité de 13, sa température pourrait dépasser 5 000 C. La pression serait énorme, de l ordre de 300 GPa. Le noyau externe liquide sur une épaisseur de 2 100 km, une densité de 11,3 et une viscosité proche de celle de l eau, sa température est comprise entre 3 000 et 4 000 C. Le manteau Sur une épaisseur de 2 900 km, riche en silicate de fer et de magnésium, le manteau représente plus de 80 % du volume du globe. Sa densité est en moyenne de 4,8. Il est séparé de la croûte par la discontinuité dite de Moho, et du noyau par celle de Gutenberg. Ces discontinuités révélées par l interprétation des ondes sismiques marquent le contraste de densité entre les différents niveaux. On distingue généralement le manteau supérieur et le manteau inférieur. La partie supérieure solide est appelée manteau «lithosphérique», la partie inférieure fluide est appelée manteau «asthénosphérique» Le manteau est dans son ensemble le siège de mouvements de convection dont le rôle est primordial dans les échanges thermiques terrestres. m L écorce ou «croûte» L écorce ou «croûte» enveloppe moins dense dont l épaisseur varie, puisqu elle atteint entre 30 et 70 km dans les zones continentales pour seulement 20 km sous les océans,et seulement quelques kilomètres au niveau des dorsales et des rifts. La partie océanique occupe 60 % de la surface terrestre et sa densité est de 3,3. La partie continentale a une densité moyenne de 2,7. La composition de la croûte continentale est essentiellement granitique, alors que la croûte océanique est à dominante basaltique. L écorce et la partie supérieure du manteau constituent la lithosphère. Cet ensemble rigide, divisé en plusieurs plaques, flotte sur une couche inférieure du manteau plus visqueuse : l asthénosphère. Ces plaques rigides qui se déplacent lentement les unes par rapport aux autres sont appelées plaques tectoniques ou plaques lithosphériques. 10
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur 1.2.3 La tectonique des plaques A Les filières géothermiques Limites divergentes Limites convergentes Limites transformantes Figure 1.5 Plaques lithosphériques majeures Dunod La photocopie non autorisée est un délit. La tectonique des plaques décrit les mouvements des plaques et leurs conséquences sur la géologie (nature des gisements géothermiques). La lithosphère est découpée en un certain nombre de plaques principales dites majeures. Ces plaques sont mobiles les unes par rapport aux autres, et c est le long des frontières les séparant que les phénomènes tectoniques et les anomalies thermiques sont les plus importants. On distingue trois types de zones : Les zones de divergence ou zones d accrétion, caractérisées par une remontée de basalte et formation continue de croûte océanique. Ces zones constituent des reliefs sous-marins, ou dorsales. Elles sont le siège de manifestations thermiques importantes (volcanisme sous marin). Ce phénomène se produit essentiellement en zone immergée au niveau de la dorsale médio-océanique. On note cependant des zones d accrétion ou rift sur des parties émergées : Islande, Açores, Est Afrique (Kenya). Les zones de subduction sont caractérisées par le fait qu une plaque s enfonce sous l autre, Ces zones sont sujettes aux tremblements de terre et au volcanisme. L affrontement des plaques continentales est à l origine de la formation de chaînes montagneuses ou d archipels. Ces zones sont le siège d activité sismique intense et de dégagement de chaleur dû aux frottements des deux plaques. 11
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur Les zones de collision le long desquelles coulissent des plaques ou des fragments de plaques, sans création, ni résorption de croûte. Les déformations induites peuvent être le siège de remontés magmatiques. En dehors des limites de plaques on peut rencontrer des anomalies thermiques, baptisées points chauds caractérisés par une remontée magmatique à travers le manteau qui peut percer la lithosphère jusqu à sa partie supérieure (ex : Hawaï, Eifel en Allemagne). Figure 1.6 Limites de plaques lithosphériques : Les plaques naissent et s agrandissent au niveau des dorsales 1.2.4 Manifestations thermiques naturelles La Terre peut être considérée comme une énorme machine thermique dont on ne perçoit que certaines manifestations naturelles très localisées. Ce sont les volcans, les geysers, les sources chaudes, les fumerolles Les volcans sont des points de sortie de matière à haute température. Cette matière issue du magma formé en profondeur (100 à 300 km) ou malgré des pressions très élevées se trouve proche de l état liquide. La plupart des volcans sont situés sous les océans notamment au niveau des dorsales océaniques. Les volcans émergés se rencontrent au niveau des limites de plaques lithosphériques (arcs volcaniques comme aux Antilles ou chaînes volcaniques autour de la ceinture du Pacifique). Ils peuvent également exister à l aplomb des points chauds qui sont des anomalies thermiques ponctuelles (Hawaï par exemple). Bien que spectaculaire, l énergie dissipée par les volcans est marginale par rapport à la totalité de l énergie émise par la Terre. 12
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur Les sources chaudes souvent désignées sous le vocable de sources thermales sont relativement répandues sur notre planète. Le fonctionnement est illustré en figure 1.7. zone d'alimentation A zone de minéralisation zone de haute température source faille thermale Les filières géothermiques Figure 1.7 Principe d une source chaude L eau de pluie s infiltre à la faveur de failles et est réchauffée au contact des roches en profondeur. L eau remonte en surface par d autres failles aidée par la différence d altitude entre la zone d alimentation et la zone d émergence. La composition chimique de l eau est variable selon le périple souterrain de l eau au contact des roches traversées. Les principaux constituants dissous rencontrés, qui ont une grande importance lorsque l eau est utilisée pour des usages thérapeutiques sont : le sodium, le potassium, le calcium. Ces eaux peuvent également contenir des gaz dissous, du gaz carbonique, du sulfure d hydrogène et présenter un caractère radioactif. Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Les geysers sont une manifestation particulière et spectaculaire de certaines sources chaudes. Un geyser se manifeste par la propulsion dirigée d eau chaude et de vapeur par un conduit d éjection. Les geysers les plus spectaculaires ont été rencontrés en Nouvelle-Zélande. Le plus important d entre eux expulsait au début du XX e siècle une colonne d eau, de vapeur et de particules solides à une hauteur de plus de 500 m. On note aujourd hui une régression de l activité de ces geysers liée à l exploitation géothermique de la vapeur du sous-sol à des fins géothermiques. Le phénomène s explique par la surpression créée par la vaporisation d une grande quantité d eau chauffée à haute température, maintenue à l état liquide sous l effet de la pression. La vapeur ainsi formée occupe un volume 1 500 fois supérieur à l eau liquide. Le changement d état est brutal et assimilable à une explosion. 13
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur On rencontre des geysers notamment dans le parc national de Yellowstone (USA) ou 200 geysers sont actifs, mais également en Islande, Nouvelle Zélande et dans la presqu île du Kamtchatka. Les fumerolles rencontrées parfois dans les zones volcaniques sont des émanations de gaz. Ces gaz proviennent à la fois de la gazéification du magma et des roches volcaniques et de la vaporisation de l eau infiltrée à partir de la surface. Ces gaz parfois à très haute température contiennent outre de la vapeur d eau et du gaz carbonique et de nombreux autres éléments. C est le cas notamment des gaz sulfureux contenus dans les fumerolles en Italie ou au Mexique qui ont conduit à une certaine époque à l exploitation du soufre déposé. 1.2.5 Gradients de température et flux de chaleur Chaque site est caractérisé par son gradient de température exprimé en C/km. L exploitation des mines a notamment mis en évidence le fait que la température augmente progressivement avec la profondeur. Le gradient thermique peut varier d un site à un autre, il est de l ordre de 10 à 40 C/km en moyenne dans les zones stables. Il peut atteindre des valeurs largement supérieures à la moyenne dans les zones anomaliques ou instables (limites de plaques lithosphériques). On note sur le graphique ci-dessous que le gradient de température vers le centre de la Terre varie en fonction des structures traversées, et qu il est beaucoup plus important dans les premiers kilomètres de l écorce terrestre. 0 0 2000 4000 6000 Température C) ( Profondeur k 2000 4000 Manteau inférieur Noyau 6000 Graine D après Jeanloz, 1988 Figure 1.8 Évolution du gradient de température au sein du globes D après Armstead (New York 1978) on peut classer les différentes zones du globe en en trois groupes, sur la base du gradient géothermique : 14
1 Aspects généraux et filières traditionnelles 1.2 La Terre, source de chaleur les zones non thermiques qui ont des gradients de température s échelonnant de 10 à 40 C par km ; les zones semi-thermiques, ayant des gradients de température s élevant jusqu à 70 C par km ; les zones hyperthermiques qui représentent des gradients de température plusieurs fois supérieurs à ceux rencontrés dans les zones non thermiques. À noter que des circulations hydrothermales peuvent induire d importantes variations locales du gradient. En surface, la température de la Terre est étroitement liée à celle de l air environnant. Les variations climatiques n ont plus d incidence au-delà de quelques mètres. L évaluation de la température d une ressource géothermique en fonction de la profondeur se calcule selon la formule suivante : Tp = Ts + Gr P Tp : température C à une profondeur donnée. Ts : Température moyenne du sol en surface (10 12 C en France). Gr : gradient de température en C/km. P : profondeur en km. A Les filières géothermiques 50 100 150 200 Température 1 000 Nord de l'alsace Dogger 2 000 Moyenne France g = 10 C / 100 m 3 000 g = 2 C / 100 m g = 3 C / 100 m Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Profondeur (m) Figure 1.9 Gradient géothermique (fourchette rencontrée en France) L existence même du gradient géothermique traduit le fait qu une certaine quantité de chaleur provenant des couches profondes de la Terre se dissipe en surface. La quantité de chaleur dissipée par unité de surface et de temps constitue le flux géothermique. Dans un milieu solide ou la chaleur se propage par conduction, le flux géothermique est déterminé par la formule : q = K gradt. 15