CHAPITRE 15: LA TERRE : UNE MACHINE THERMIQUE
Introduction Le développement durable est un développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs. Rapport Brundtland, 1987 Pour être durable, le développement doit concilier trois éléments majeurs : l'équité sociale, la préservation de l'environnement et l'efficacité économique Dans le cadre des économies d énergie et du développement durable, l utilisation de la géothermie présente un fort potentiel. La géothermie désigne à la fois la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe ainsi que les processus industriels qui visent à l'exploiter, pour produire de l'électricité et/ou de la chaleur. Problèmes : Quelle est l origine de cette chaleur interne de la Terre? Comment varie cette chaleur en lien avec le contexte géodynamique de la Terre? Quels sont les mécanismes de transfert thermique dans la Terre?
Les éruptions volcaniques, les geysers et les sources thermales témoignent de l existence d une source de chaleur venant de l intérieur de la Terre. Ce flux thermique, de l'ordre de quelque dizaines de mw/m 2 est très faible comparé à la chaleur apportée par le soleil (100 W/m 2 ), mais il représente est une ressource énergétique intéressante et inépuisable pour l'homme. Castle Geyser parc de Yellowstone T >100 C Elle a de tout temps été utilisée par les hommes (les premières traces remontent à il y a vingt mille ans) dans des réseaux de chauffage, par exemple dans la Rome antique. Mais ce n'est qu'au XXème siècle qu'elle a été «redécouverte» et appliquée à une échelle industrielle.
Islande Station thermale Turquie Pamukkale-source thermale Great Fountain Geyser in Yellowstone National park Le sauna des macaques dans la station de ski de Shiga Kogen, dans la région de Nagano ( japon) La source chaude du Morning Glory dans le parc naturel de Yellowstone.
Centrale géothermique
1. L exploitation de l énergie géothermique en France et son contexte géodynamique. A. Gradient et flux géothermique Gradient géothermique = variation de température dans les roches en fonction de la profondeur. Sa valeur moyenne est de 30 C/km (= 3 C tous les 100m) dans la croute continentale. Néanmoins sa valeur peut varier en fonction du contexte géodynamique, par exemple, il est de l ordre de 10 C/100 m dans le nord de l Alsace au niveau du fossé d effondrement (fossé rhénan) continentaux). Flux géothermique = quantité d énergie thermique («chaleur») dégagée par unité de surface et de temps. Sa valeur moyenne, mesurée en surface, est de 60 mw/m 2 à la surface des continents et de 100 mw/m 2 à la surface des océans, soit 80 mw/m 2 pour l ensemble du globe. Néanmoins, selon les contextes géodynamiques, il peut être plus ou moins élevé. Ainsi, il est très élevé au niveau des dorsales, des arcs volcaniques associés aux zones de subduction et des fossés d effondrement (rift
Correction TP 25 Il apparait 3 zones permettant l'exploitation des ressources géothermiques en France métropolitaine Bassin Parisien Bassin Aquitain Fossé Rhénan Les deux bassins sédimentaires Parisien et Aquitain présentent des ressources géothermiques de très basse et de basse énergie. Le fossé Rhénan présente une ressource géothermique de haute énergie.
La géothermie exploite le flux thermique qui parvient en surface. Celui-ci correspond à la quantité d'énergie évacuée par la Terre, exprimée par unité de surface et par unité de temps La superposition des cartes présentant les ressources géothermiques et le flux géothermique montre qu'au niveau des bassins le flux géothermique est plutôt faible, ce qui ne semble pas en accord avec une exploitation géothermique à ce niveau. Par contre, au niveau du fossé Rhénan le flux géothermique est important.
Lieu d'exploitation Maison de la radio (BP) Chevilly la Rue (BP) Bruyère-Le- Châtel (BP) Profondeur du forage (mètres) Température ( C) 600 27 2000 72.6 700 à 800 33 Le Teich (BA) 3000 75 Soultz sous Forêts 5000 175 L'observation des températures à 1km puis à 2, 3 4 et 5 km est en accord avec les données thermiques présentées dans ce tableau
Après copie et sélection des données utiles, on obtient le graphique ci-dessous (insertion, nuage de points) Le coefficient directeur nous donne l'évolution de la température par mètre, soit 0.022 C/m, ce qui donne 22 C/km en Ile de France et 87.6 C/km en Alsace.
L'observation de la carte cadre géologique montre que la bassin parisien est d'origine sédimentaire. Ce bassin atteint une profondeur d'environ 3000 m. Géothermie Bassin parisien
1. L exploitation de l énergie géothermique en France et son contexte géodynamique. B. Géothermie des bassins sédimentaires Ouest 0 (mer) Angers Tours Orléans Melun Paris Meaux Reims Verdun Metz Est 1000 2000 3000 Limites stratigraphiques Prof. (m) Isotherme 100 C Isotherme 60 C D après BRGM Sables du Crétacé Calcaires du Jurassique sup. Calcaires du Jurassique moyen Grès du Rhétien Grès du Trias Reims Verdun Meaux Metz Paris Melun Angers Tours Orléans
Dans les bassins sédimentaires, comme le Bassin parisien ou le Bassin aquitain, le gradient géothermique est voisin de 30 C/km (gradient moyen). Les fluides extraits ont une température généralement inférieure à 90 C. Ils sont utilisés pour le chauffage collectif. Le bassin Parisien : on compte 35 installations géothermiques. Elles puisent l eau dans 5 réservoirs aquifères contenus au sein de couches de roches sédimentaires poreuses et perméables (en particulier dans les calcaires du Jurassique situés entre 1600 et 1800m de profondeur). Cette eau, d une température de 55 à 85 C est directement utilisée dans les systèmes de chauffage collectif, il s agit donc d une géothermie de basse énergie. Des forages moins profonds atteignant environ 600 m de profondeur dans les sables du crétacée et développés dès 1830 permettent aux parisiens de disposer d une eau propre à la consommation à une température de 28 C. Ces forages forment la série des puits artésiens utilisés pour alimenter des fontaines mais aussi les lacs et rivières du bois de Boulogne, des piscines municipales (piscine de la butte-auxcailles), des raffineries sucrière et plus récemment pour le chauffage et la climatisation de la Maison de Radio France (géothermie de très basse énergie).
Puits artésien
Géothermie du fossé Rhénan Après avoir ouvert le fichier Geothermie_Alsace;kmz et suivi le protocole. On obtient le profil topographique ci-dessous. On repère sur ce profil la profondeur du Moho à l'intersection de la ligne rouge du profil et on reporte sur le papier millimétré. Exemple : à cet endroit du profil, le Moho est à 29 km de profondeur
1. L exploitation de l énergie géothermique en France et son contexte géodynamique. C. Géothermie des rifts continentaux Le fossé rhénan est un bassin sédimentaire d effondrement (rift continental). Il témoigne d une phase d extension de la croûte terrestre lors de l Oligocène (25 Ma). Cette phase représente le 1 er stade de l océanisation. Néanmoins, l extension ne s est pas poursuivie. Les limites du fossé correspondent à des failles normales responsables de l effondrement. Associé à cet amincissement de la croûte, on observe une remontée de l asthénosphère et donc du Moho. Cette remontée du Moho modifie le géotherme, on enregistre ainsi des températures de l ordre de 200 C entre 4.5 et 5 km de profondeur (contre 100 à 150 C à la même profondeur pour le gradient géothermique moyen) et modifie le flux géothermique qui est important à ce niveau du fait de l'amincissement de la croûte continentale. Ces anomalies de température permettent d atteindre des températures intéressantes pour la production d'électricité par géothermie à des profondeurs plus faibles que la normale.
Le 13 juin 2008, a été mise en service à Soultzsous-forêts, la centrale pilote de production d'électricité. Géothermie Soultz est, à ce jour, le programme de recherche scientifique le plus avancé au monde dans le domaine de la géothermie profonde. Depuis cette mise en service, le site a pour fonctions principales l observation et l expérimentation grandeur nature, indispensables pour continuer à mieux connaître les phénomènes en jeu et maîtriser l'exploitation. Sa production électrique brute se monte à 2,1 MWe dont 1.5 MW de production nette sur le réseau électrique.
Après copie et sélection des données utiles, on obtient le graphique ci-dessous (insertion, nuage de points) Gradient géothermique de : 108 C/km en Islande et 114 C/km en Guadeloupe. On obtient des gradients géothermique bien plus élevés que les précédents, et bien supérieur au gradient géothermique moyen.
La présence d'une fosse, d'un arc volcanique associé à des séismes dont le foyer est de plus en plus profonds indiquent que la Guadeloupe est située dans une zone de subduction Dans ce cas, la formation de magma et son accumulation dans un réservoir magmatique est une source de chaleur qui augmente considérablement le gradient géothermique.
1. L exploitation de l énergie géothermique en France et son contexte géodynamique. D. Géothermie dans des sites volcaniques La centrale de Bouillante couvre 7% des besoins en électricité de la Guadeloupe. L eau, captée à 1 000 m de profondeur, atteint 250 C. Elle provient de l infiltration de l eau de mer et de pluie à travers un réseau de failles. Au cours de sa remontée, elle se transforme en vapeur qui, dans la centrale, fait tourner une turbine puis un alternateur produisant de l électricité.
La tomographie sismique dans l'axe de l'islande montre un ralentissement important de la vitesses des ondes sismiques dans l'axe de la dorsale. Cette anomalie de vitesse est due à la présence d'une chambre magmatique Cette source de chaleur est très favorable à une exploitation géothermique importante.
Contextes géologiques Gradient géothermique Profondeur d extraction du fluide Température du fluide prélevé Utilisations possibles Bassins sédimentaires (hors rift) 30 C/km 1 500 2 500 m 45 C 80 C Chauffage collectif (habitations, piscines ) Chauffage individuel et eau chaude sanitaire Zones de subduction points chauds Rifts continentaux > 30 C/km 1 000 m 250 C 5 000 m > 150 C Électricité Chauffage collectif Chauffage individuel et eau chaude sanitaire
Les différents types de géothermie
Des exploitations correspondant à des frontières de plaques : Au niveau des dorsales (Islande) Dans les zones de subduction (Guadeloupe) Dans les zones de collision, telle qu en Toscane (Italie) où, à la phase de collision continentale, a succédé la phase de relâchement à l origine de la formation de nombreuses failles normales liées à l extension ; il en a résulté un amincissement de la croûte et une remontée d asthénosphère responsable d une anomalie du flux thermique (plus de 1 000 mw.m 2 à Larderello, où les fluides sont constitués de vapeur et de gaz, à une température variant entre 150 C et 260 C) et d un magmatisme crustal. Des exploitations correspondant au domaine intraplaque : Au niveau des points chauds, Au niveau de fossés d effondrements, (fossé Rhénan) où des failles profondes associées à un amincissement de la lithosphère favorisent une anomalie thermique positive ; Au niveau des zones stables des plaques, dans des bassins sédimentaires (Bassin Parisien) où, parmi les couches géologiques accumulées, certaines sont perméables et vont jouer le rôle d aquifères qui peuvent être très étendus, ce qui rend le stock de chaleur particulièrement important.
2. L origine et les mécanismes de transfert de la chaleur à l intérieur de la Terre. A. L origine principale de la chaleur interne. La principale source de chaleur interne provient de la désintégration d éléments chimiques radioactifs. Ces éléments étaient présents dans les matériaux qui ont formé la Terre ; ils se sont concentrés dans les croutes continentales et océaniques et le manteau. Les principaux isotopes radioactifs sont l Uranium 235 et 238, le thorium 232 et le potassium 40. La désintégration de ces éléments instables en éléments stables s accompagne d une libération d énergie source de chaleur.
La concentration des éléments radioactifs source de chaleur est plus importante dans les croûtes que dans le manteau, néanmoins le manteau représentant une masse et un volume énormes bien supérieurs à celles des deux croûtes réunies, c est donc le manteau qui joue un rôle prépondérant dans la production d énergie thermique (70 % à lui seul dans la libération totale de l énergie d origine radioactive)
2. L origine et les mécanismes de transfert de la chaleur à l intérieur de la Terre. B. Les mécanismes de transfert de chaleur Il existe deux types de mécanismes permettant le transfert de chaleur et donc son évacuation : la conduction : mécanisme de transfert de chaleur de proche en proche sans déplacement global de matière. L énergie thermique se propage de molécules en molécules par un contact direct. la convection : mode de transport de chaleur d une zone chaude vers une zone froide accompagnée d'un déplacement de matière. Dans ce cas, les fluides sont animés de mouvements initiés par des différences de densité, contrôlées entre autre par la température et la pression. La matière moins chaude, moins dense que la matière froide, est animée de mouvements ascendants. En surface, elle se refroidit et plonge en profondeur. Ces mouvements s organisent alors en cellules de convection.
Correction TP 26 Dans ce montage, la résistance est placée en haut. Transfert de chaleur sans déplacement de matière
80 Evolution des températures profonde et de surface avec une source de chaleur en surface 70 60 50 T C 40 30 T fond T surface 20 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 temps en secondes Le gradient thermique correspond à l'évolution de la température avec la profondeur, donc à la différence de température entre la surface et le fond du récipient soit (T Surf T Prof)/(distance Sondes Surf et Prof) Soit dans ce cas, (72.7-14)/11=5.34 C/cm Dans ce cas, le transfert de chaleur entre la surface et le fond du récipient est faible, la température de surface augmente beaucoup plus que celle de profondeur.
Dans ce montage, la résistance est placée en bas. Transfert de chaleur avec déplacement de matière La matière chauffée (eau) devient moins dense que le même matériau froid. La matière chaude a donc tendance à monter vers une zone plus froide.
Evolution des température profonde et de surface avec une source de chaleur profonde 60 50 40 T C 30 20 T fond T surface 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 temps en secondes Le gradient thermique est cette fois de : 50.6-48 / 11 = 0.24.C/cm La chaleur est efficacement transférée du fond du récipient vers la surface, les températures des deux sondes évoluent de manière sensiblement égales
On constate que le gradient thermique est beaucoup plus important lorsqu il y a conduction que lorsqu il y a des mouvements de convection On déduit que les transferts de chaleurs sont beaucoup plus efficace avec les mouvements de convection. Observons le géotherme terrestre Au niveau de la lithosphère et au niveau de la limite manteau noyau externe (discontinuité de Gutenberg), on observe un gradient géothermique important, il y a donc à ces niveaux un transfert de chaleur par conduction. Au niveau du manteau et du noyau, le gradient géothermique est faible, il y a donc dans ces couches un transfert de chaleur par convection
3. La Terre : une machine thermique. A. La tomographie sismique Tomographie sismique est une technique permettant de cartographier l'intérieur du globe en 3D à partir de l'analyse des vitesses de propagations des ondes sismiques. Les techniques de tomographie sismique ont mis en évidence des zones d anomalies de vitesse des ondes sismiques qui traduisent des différences de température des péridotites dans le manteau : Anomalie négative («zones en rouge») : vitesse des ondes sismiques mesurée plus lente que la vitesse des ondes sismiques théorique, on en déduit que le manteau est plus chaud que la normale. Anomalie positive («zone en bleue») : vitesse des ondes sismiques mesurée plus rapide que la vitesse des ondes sismiques théorique donc le manteau est plus froid que la normale.
3. La Terre : une machine thermique. B. les mouvements de convection dans le manteau La tomographie sismique révèle ainsi : des mouvements ascendants de grande ampleur de matière chaude qui prennent naissance dans le manteau profond (le plus souvent à la limite manteau noyau) et qui sont associés au magmatisme de points chauds. un plongement de la lithosphère océanique au niveau des fosses de subduction (devenue plus dense suite à son refroidissement) dans le manteau.
Modèle de conduction / convection dans le manteau terrestre Couche Limite Couche Limite Transfert de chaleur par conduction Transfert de chaleur par convection
Magmatisme de subduction Magmatisme de point chaud Conduction Magmatisme de dorsale Magmatisme de rifting Convection Magmatisme de subduction Magmatisme de point chaud Conduction Convection Magmatisme de dorsale Bilan Radioactivité (libération d énergie) Conduction thermique Mouvements convectifs Flux géothermique Noyau interne Noyau externe Manteau inférieur et asthénosphère Volcans Manteau lithosphérique Croûte continentale Croûte océanique Océan Magmatisme de rifting et de dorsale
Bilan : Des mouvements de convection dans le manteau transfèrent la chaleur par déplacement de matière à l état solide. Des courants de matériaux chauds donc moins denses remontent au niveau des dorsales océaniques (zone de production de la lithosphère) Des courants de matériaux froids donc plus denses descendent au niveau des zones de subduction. Les courants ascendants et descendants constituent des cellules de convection.