2017-2018 Chapitre 9 Pauline Alméras 2017-2018
Table des matières Chapitre 9 La géothermie Introduction... 3 I Gradients et flux géothermique... 3 A - Des observations de terrain... 3 B - Quantification du gradient... 3 C - La notion de flux géothermique... 4 II Origine du flux thermique et transfert d énergie... 4 A L origine de la chaleur interne du globe... 4 B Les mécanismes de transfert d énergie thermique... 5 1 Différents types de transferts... 5 2 Comparaison de l efficacité des transferts de chaleur par conduction et par convection 6 3 Mécanismes en jeu à l intérieur du globe... 6 Bilan du II : La Terre est une machine thermique.... 7 III L exploitation de la chaleur interne... 8 A La géothermie de moyenne et haute énergie... 8 B La géothermie de basse énergie... 8 Bilan du III... 9 Conclusion... 10
C H A P I T R E 9 Introduction Le terme géothermie a double sens : - C est la science qui étudie la chaleur interne de la Terre - Cela désigne aussi les processus d exploitation de cette chaleur interne pour produire de la chaleur ou de l électricité. Dans ce chapitre, nous allons voir comment se manifestent les flux de chaleur interne de la Terre, et de quelle façon ces flux peuvent être exploités par l Homme comme source d énergie. I Gradients et flux géothermique Quelles sont les caractéristiques du flux géothermique? A - Des observations de terrain Question 1 page 239 Les manifestations hydrothermales (fumeurs noirs, geysers, sources chaudes) sont interprétées comme le résultat d une interaction entre l eau et les roches chaudes en profondeur. Dans les mines, la température est d autant plus élevée qu on s enfonce. Plus on s enfonce dans le sous-sol, plus la température augmente. Le gradient géothermique mesure l importance de cette variation de température en profondeur. B - Quantification du gradient On peut quantifier le gradient géothermique de la croûte par mesure directe de la température à l intérieur d un puis de forage. Question 2 page 239 Alsace : 15 C en surface, 90 C à 1000m donc gradient de 90-15 = 75 C/km = 7,5 C pour 100m. Kola : 10 C en surface, 180 C à 12 262m donc gradient = (180-10)/12.262 = 14 C/km = 1,4 C pour 100m. Docs 1 et 2 page 240 : A quoi pourraient être dues ces différences de gradient? Le gradient géothermique peut varier fortement en différents points du globe. Il dépend du contexte géodynamique (volcanisme, fossé d effondrement -> gradient élevé). Remarque : le gradient géothermique diminue en profondeur ; ces mesures ne sont valables que pour la croûte. (Si ce gradient était constant l intérieur de la Terre ferait 500 000 C ; dans la pratique on
estime qu elle est plutôt de 6000 C -> estimation de la température interne possible par tomographie sismique.) C - La notion de flux géothermique Le flux géothermique est la quantité d énergie thermique provenant des profondeurs de la Terre et traversant une unité de surface terrestre par unité de temps. On peut le considérer comme la «capacité locale à évacuer la chaleur» : plus le flux est élevé plus la chaleur «s échappe» localement. Question 3 page 239 Le flux dépend du gradient géothermique ainsi que de la conductivité thermique des roches, donc de leur nature. Si une roche est peu conductrice, le flux est faible : la chaleur reste «piégée». Le gradient dépend du contexte géodynamique. Or le flux dépend du gradient. Le flux géothermique est donc lui aussi lié au contexte géodynamique. Carte page 240 : flux géothermique local (France) Carte page 242 : flux géothermique mondial On constate que le flux géothermique est très variable à la surface du globe : 20mW/m² à 350mW/m². On remarque que les flux de chaleur sont bien liés au contexte géodynamique : - Le domaine continental -> il présente un flux globalement assez faible, surtout au niveau des terrains anciens (à cause de la faible activité géologique locale, qui a justement permis de conserver ces terrains anciens) - Les dorsales -> elles présentent un flux thermique très important. Ceci est dû à la présence de matériel chaud très près de la surface (asthénosphère qui remonte et magma), à l origine de la production d une nouvelle lithosphère océanique. - Les zones de rifting -> elles présentent un flux thermique assez important. Le mécanisme est similaire à celui des dorsales (asthénosphère qui remonte, éventuellement production locale de magma), mais en moins intense. - Les points chauds -> ils correspondent à un flux thermique important qui est lié à la remontée de materiel mantellique profond et chaud, à l origine d une production de magma. - Les zones de subduction o Flux très faible au niveau de la fosse océanique : ceci est dû au plongement de la lithosphère océanique âgée, devenue plus froide et dense. o Flux élevé au niveau des arcs volcanique du fait de la présence de chambres magmatiques. II Origine du flux thermique et transfert d énergie TP 20 A L origine de la chaleur interne du globe
La chaleur interne de la Terre provient en partie de l énergie accumulée en moment de sa formation par accrétion (25% de sa chaleur actuelle environ). Mais elle est surtout due à la désintégration d isotopes radioactifs naturels (75% de sa chaleur interne environ). Quelle partie du globe produit l essentiel de la chaleur interne de la Terre, et comment l expliquer? Feuille de calcul Excell. L uranium est l élément qui dégage le plus de chaleur par désintégration. Nos calculs montrent que c est le manteau qui produit la majeure partie de la chaleur interne de la Terre : environ 75 % de la chaleur due à la désintégration. En effet, même si les éléments radioactifs y ont une concentration assez faible, le volume total du manteau est très important. B Les mécanismes de transfert d énergie thermique Quels sont les mécanismes qui assurent les transferts de chaleur depuis l intérieur de la Terre vers la surface? 1 Différents types de transferts Il existe différents modes de transferts de chaleur : radiation, conduction et convection. A l intérieur de la Terre, les transferts se font essentiellement selon 2 modes : par conduction et par convection. - Conduction = transfert de chaleur sans mouvement de matière - Convection = transfert de chaleur lié à un mouvement de matière -> voir modélisation dans le livre doc 3 page 245.
2 Comparaison de l efficacité des transferts de chaleur par conduction et par convection Protocole expliqué dans doc 4 page 245 Tableur o Tracer les courbes d évolution des températures dans les 2 situations o Déterminer l évolution du gradient thermique dans les deux situations o Comparer l efficacité des deux modes de transfert de chaleur Dans le cas de la convection, les écarts de température dans le milieu sont faibles (gradient avec une faible valeur absolue) : les transferts de chaleur sont donc efficaces (le milieu est «brassé). Dans le cas de la conduction, les écarts de températures sont très importants : les transferts de chaleur sont moins efficaces. 3 Mécanismes en jeu à l intérieur du globe Entre 2 couches du globe ou à l intérieur d une couche rigide, il n y a pas de transfert de matière : les échanges se font donc par conduction. A l intérieur d une couche liquide (noyau externe) ou ductile (asthénosphère), les échanges de chaleur se font essentiellement par convection. Celle-ci étant plus efficace que la conduction, le gradient thermique à l intérieur de ces couches est relativement faible. Transferts de chaleur Conduction Convection Sur ce graphique, utiliser 2 couleurs différentes pour présenter les modes de transferts dominants. Le gradient plus faible dans les zones avec convection : les matériaux sont «brassés» donc la chaleur est mieux répartie. Le gradient est plus fort quand les échanges de chaleur se font par conduction car ce mode de transmission est moins efficace.
Bilan du TP, proposé par Agnès et Marie : La chaleur de la Terre provient majoritairement du manteau, du fait de son épaisseur et de sa teneur massique en thorium, potassium et uranium. C est ainsi que le manteau participe à 75 % de la production de chaleur par désintégration d isotopes radioactifs. Plusieurs mécanismes sont à l œuvre pour le transfert de chaleur : Conduction : chaleur transférée par contact, sans mouvement de matière (radiation) Convection : chaleur transférée par mouvement de matière Parmi eux, la convection est la plus efficace pour transférer de la chaleur. Chaque couce de la Terre a convection ou conduction comme moyen principal de transfert de chaleur. Le manteau lithosphérique est en conduction, le manteau asthénosphérique est en convection, la couche D en conduction, le noyau interne en convection et la graine en conduction (voir schéma). Bilan du II : La Terre est une machine thermique. Rappel : plus un milieu est froid, plus il est rigide, donc plus les ondes sismiques vont vite. L étude de la vitesse des ondes sismiques permet donc d obtenir une image thermique des profondeurs de la Terre. Cette technique est appelée tomographie sismique. Compléter le schéma. Magmatisme de point Conduction Magmatism e de dorsale Magmatisme de subduction Convection Magmatisme de subduction Magmatism e de rifting Conduction Magmatisme de point Convection Magmatism e de dorsale
Flux géothermique Mouvements Noyau interne Noyau externe Manteau Croûte continentale Radioactivité (libération d énergie) Volcans Conduction thermique Manteau inférieur et Magmatisme de rifting et de dorsale Croûte océanique Océan III L exploitation de la chaleur interne Quelles conditions doivent être réunies pour que la chaleur interne de la Terre puisse être utilisée comme ressource énergétique? A La géothermie de moyenne et haute énergie TP 20 Deux exemples de géothermie de haute énergie en France -> travaux faits en TP. Exemples d articles réussis, distribués à la fin du TP : celui de Titouan, Manon et Maëlis, et celui de Mallaury, Romain et Arlette. Dans une usine de géothermie à haute énergie, de l eau s infiltre en profondeur par des failles et se réchauffe au contact des roches particulièrement chaudes. La température de ces roches est liée au contexte géodynamique de la région. L usine géothermique récupère ainsi une eau très chaude, qui se transforme en vapeur à la surface (baisse de la pression) et permet, par le biais d une turbine ou d un échangeur thermique, de produire de l électricité. Le renouvellement de l eau en profondeur peut se faire en réinjectant l eau utilisée par la centrale (c est le cas en Alsace) ou de façon naturelle (comme en Guadeloupe, grâce aux précipitations et aux infiltration d eau de mer dans les nombreuses failles). A l échelle mondiale, ce type d usine ne peut être installé que dans un contexte tectonique entrainant un flux de chaleur important : les arcs volcaniques de zones de subduction, les régions de rifting, ou encore les points chauds (+ dorsale, exploitable uniquement en Islande). Du fait de cette relation étroite avec le contexte tectonique, ces ressources géothermiques sont réparties de façon inégale à la surface de la planète. B La géothermie de basse énergie Bien que le bassin parisien ne présente pas de flux de chaleur très important, on trouve plusieurs installations géothermiques dites de basse énergie. Ce type d installation consiste à prélever de l eau réchauffée et piégée en profondeur. Il peut être mis en place dans les bassins sédimentaires. En effet les dépôts de couches successives de sédiments entrainent une succession de terrains perméables et imperméables. Cela constitue un piège pour l eau. Les couches géologiques riches en eau sont appelées aquifères.
Voir doc 2 page 240 : les marques colorées représentent les aquifères. L eau récupérée de cette façon est bien moins chaude que dans le cas de la géothermie à haute énergie (en général moins de 100 C ; doc 2 page 248 > seulement 27 C!). Elle ne permet donc pas de produire de l électricité, mais elle peut être utilisée pour le chauffage. L avantage de ce type de géothermie est qu elle nécessite un forage moins profond. Remarque : la géothermie de très basse énergie consiste à faire circuler un fluide à faible profondeur (en général entre 0 et 100m). Le fluide récupéré de cette façon n est pas suffisamment chaud pour être utilisé directement pour du chauffage : le système doit être couplé à une pompe à chaleur. Bilan du III Le contexte géologique (tectonique et nature du terrain) conditionne la répartition des ressources géothermiques et leur exploitation. Quel que soit le type d installation envisagé, le prélèvement réalisé par l Homme ne représente qu une très faible partie de l énergie interne de la Terre dissipée en surface. Schéma bilan : - Dans les rectangles, zones favorables à la géothermie de haute énergie (points chauds, dorsale émergée (seul cas au monde : Islande), arc volcanique, rift) - Zones favorables à la géothermie de basse énergie : selon la nature des terrains (exemple : bassins sédimentaires)
Conclusion Les découvertes géologiques sur la structure et la dynamique de la Terre permettent d envisager son activité comme une machine thermique. En surface, cette activité se traduit par la tectonique des plaques et la présence de points chauds. La chaleur interne de la Terre, essentiellement due à la radioactivité, entraine un flux géothermique dirigé vers la surface. L énergie ainsi libérée peut être utilisée par l Homme, si le contexte géologique y est favorable, comme ressource d énergie renouvelable.