Thème IIB La géothermie

la géothermie. Où, comment est exploitée l'énergie géothermique quelle est son origine ?

1. Flux et gradient géothermiques : variations selon le contexte géodynamique Le flux géothermique est la quantité d'énergie thermique dissipée par unité de surface terrestre et par unité de temps. Le flux géothermique moyen est de l'ordre de 87 mW.m −2 pour 5,1. 1014  m2 (surface totale du globe terrestre), différent Sur les continents (~ 65 mW.m −2) sur les océans (~100 mW.m −2). 

Les valeurs des gradients et des flux géothermiques varient selon le contexte géodynamique.

Cf tp Activité 3 : étudier le flux géothermique en France et corrigé Des mesures réalisées en France métropolitaine ont permis d’établir la carte des isothermes, (ligne d’égale température) à une profondeur de 5000m (A) et la carte des mesures de flux géothermique. (B) Mettre en relation les résultats obtenus et le contexte géologique de la France. (C) La France d’outre-mer présente des ressources potentielles en géothermie, justifier cette affirmation avec les observations précédentes. A B C

Synthèse des 2 docs précédents Flux géothermique moyen sur le globe 87 mW.m −2 En Domaine océanique (~ 65 mW.m −2) En Domaine continental (~100 mW.m −2). Où se situent les flux les plus importants? En fonction du contexte géodynamique les flux géothermiques sont élevés au niveau des dorsales océaniques, des points chauds (île de La Réunion, par exemple) et des arcs volcaniques ou cordillères liés à la subduction (Japon, Andes, Antilles, etc.). au niveau des zones avec magmatisme (vallée du rift africain). des bassins sédimentaires ayant une croûte amincie présentent un flux géothermique élevé, tels les bassins d'effondrement de l'Alsace ou de la Limagne en France.

la température augmente avec la profondeur. On parle de gradient géothermique (variation de température en fonction de la profondeur)

Entre l'intérieur de la Terre (dont la température au centre est estimée à plus de 4 000 °C) et la surface (dont la température est de 15 °C en moyenne), s'établit un gradient géothermique. Le gradient géothermique représente la variation de la température avec la profondeur. Le gradient géothermique moyen dans la croûte terrestre est de l'ordre de 30 °C par km.

Faible gradient conduction Fort gradient, convection

Cf TP activité 1 : mesurer le gradient géothermique et corrigé Mesure du gradient géothermique en Alsace

Cf TP activité 2 : calculer le flux géothermique et corrigé. Type de matériau Conductivité thermique en W m-1°C-1 Les roches terrestres sont de mauvais conducteurs thermiques (même si le bois est encore un « plus mauvais » conducteur et donc un très bon isolant). Les roches freinent donc les transferts d’énergie interne et permettent ainsi une forme de stockage de chaleur. granite 2.5 à 3.8 Péridotite 4.2 à 5.8 Gabbro basalte 1.7 à 2.5 Calcaire 1.7 à 3.3 Argent 420 Eau 6 Bois 0.1 Cf corrigé du tp

2. Origine de l'énergie géothermique L'énergie thermique interne de la Terre provient de deux sources : Pour 25%, de la chaleur primitive, relique de la formation de la Terre, il y a 4,55 Ga. Pour 75 %, de la radioactivité : trois éléments radioactifs à longue période (uranium, thorium, potassium) se désintègrent en libérant de l'énergie thermique. Cf activité 4 du TP et corrigé

Uranium (W/Kg) Thorium (W/Kg) Potassium (W/Kg) 95,2x10-6 25,6x10-6 0,00348x10-6 Envellopes Masse Concentration (ppm) Chaleur émise % Croute continentale 1,38x1022 1,6x10-6 5,8x10-6 20000x10-6 5,11 x 1012 W 20,14 Croute océanique 6,9x1021 0,9x10-6 2,7x10-6 4000x10-6 1,16x 1012 W 4,59 Manteau 3,7x1024 0,02x10-6 0,1x10-6 200x10-6 19,1 x 1012 W 75,21 Noyau 2,32x1024 0,00001x10-6 0,0001x10-6 1x10-6 0,0162x 1012 W 0,06

3. Dissipation de l'énergie géothermique La tomographie sismique permet d'estimer la température des couches les moins profondes : des vitesses sismiques lentes sont interprétées comme preuve de matériel chaud, alors que des vitesses rapides montrent l'existence de matériel froid. L'énergie thermique a Terre se dissipe selon deux modalités : La conduction thermique  La convection 

Cf TP activité 5 et corrigé

Le matériel froid, plus dense, redescend conduction convection libération de chaleur mouvement de matière apport d’énergie thermique Conduction : le transfert d'énergie thermique des zones chaudes vers les zones froides sans transfert de matière température  − Convection : c'est un transfert d'énergie thermique avec déplacement de matière Mouvement de convection: le matériau chaud, se dilate, moins dense, il remonte Le matériel froid, plus dense, redescend

Conduction convection définition transfert d'énergie thermique des zones chaudes vers les zones froides sans transfert de matière transfert d'énergie thermique avec déplacement de matière Où? au sein de la lithosphère et à l'interface entre le manteau et le noyau au sein du manteau comme au sein du noyau Efficace ou pas? . Les roches ayant une conductibilité faible, la conduction thermique ne peut à elle seule rendre compte de l'ensemble du transfert d'énergie thermique dans la terre. un mécanisme de transfert d'énergie efficace

Pour simplifier, la Terre peut être considérée comme une sphère dans laquelle existe une convection à deux étages : une convection très lente à l'état solide pour le manteau, une convection très rapide à l'état liquide dans le noyau externe. Au niveau du globe, les cellules de convection sont présentes dans le manteau avec une remontée au niveau des rifts océaniques ou des pts chauds, la lithosphére refroidie, plonge au niveau des subduction

Point chaud rift subduction subduction Flux géothermique fort , dû à une remontée de matériel chaud Flux géothermique faible, plongée de matériel froid

4. Utilisation par l'homme de l'énergie géothermique Pays MW % Mondial États-Unis 5 366 31,2 Chine 2 814 16,4 Islande 1 469 8,6 Turquie 820 4,8 Suisse 547 3,2 Allemagne 517 3,0 Canada 377 2,2 Suède Hongrie 328 1,9 France 326 TOTAL 17 175 100,00 Les États-Unis, la Chine et l'Islande représentent 56 % de la production mondiale

On distingue trois types de géothermie: système température du fluide circulant gradient géothermique (°C pour 100 mètres) Flux de chaleur (mW/m2) caractéristiques géologiques Hyperthermique haute énergie >150°C de 10 à 50°C  >200 zones de subduction - rift semithermique 100°C<T<150°C de 3 à 10°C 100 à 200 fossé d'éffondrement thermique diffus basse énergie T<100°C 1 à 3 60-100 bassin sédimentaire

ressources géothermiques d’après actes du colloque C7 BRGM 1980 aquifères sont à plus de 30 50 100 °C socle volcanisme quaternaire source à + de 50°C Paris, Dax, Valence, Mt de Marsan, ... Guadeloupe Martinique Réunion Corse

aux remontées du socle : Massif central, Vosges ; En comparant cette carte à la carte géologique de la France, on peut remarquer que les valeurs élevées du flux sont associées : aux remontées du socle : Massif central, Vosges ; aux structures d'effondrement : Alsace, Bresse, Limagne. Cf activité 1 du tp et corrigé

Un exemple de géothermie de très basse énergie: l’énergie du sous-sol est captée par des tuyaux ou des forages dans lesquels circule un fluide permettant un échange thermique. La température n’est pas suffisante pour chauffer directement la maison donc on utilise une pompe à chaleur qui prélève cette énergie à basse température pour la transférer à une température suffisante (plancher chauffant par exemple).

Coupe du bassin de Paris avec ses principaux aquifères géothermaux. L’eau des aquifères à pour origine des infiltrations superficielles au travers des roches (eau de surface, 10°C) Un exemple de géothermie de basse énergie: Construite en 1963, la maison de la radio bénéficie d’un système de chauffage et de climatisation qui puise l’eau d’un aquifère à 600m de profondeur (eau à 27°C, rejetée à 7°C dans les égouts)

Température dans la strate du dogger

meaux

Guadeloupe et la Réunion: ces îles présentent également un flux géothermique important, lié à un contexte de subduction pour la Guadeloupe et un contexte de point chaud pour la Réunion. À titre de comparaison, dans le Bassin Parisien : à 1,5 km de profondeur, la température est de 70 °C ; en Alsace : à 1,5 km, elle est de 100 °C et à 5 km, de 200 °C ; en Guadeloupe : à 1 km, elle est de 250 °C. Il est donc judicieux d'implanter des exploitations géothermiques à haute énergie, comme les centrales géo-thermo-électriques permettant la production d'électricité, dans les endroits où le flux thermique est le plus élevé.

Un exemple de géothermie de haute énergie: la centrale de Bouillante en Guadeloupe, première installation en France à avoir commercialisé l’électricité produite grâce à l’énergie géothermique. L’eau captée à 1000 m de profondeur est à 250°C . Lors de sa remontée elle se transforme en vapeur qui met en mouvement des turbines.

La géothermie des roches chaudes fracturées; Soultz-sous-forêts se situe dans le bassin d’effondrement Rhénan, avec le gradient géothermique le plus élevé de France métropolitaine (10°C/100m). L’exploitation de la géothermie est rendue possible en créant artificiellement des réservoirs d’eau en fracturant les roches (début d’exploitation en 2008)

L’énergie géothermique permet de chauffer de l’eau - Soit injectée dans le sol et récupérée - Soit présente dans les aquifères Si la température est basse (de 30 à 100 °C , elle servira de chauffage d’habitation Si elle est élevée, sa vapeur alimentera des turbines pour produire de l’électricité

Conclusion : les installations géothermiques actuelles représentent une infime partie de l’énergie consommée par l’Homme. (1% de la consommation mondiale). Au regard de l’énergie interne dissipée par la Terre, machine thermique, on peut considérer que cette ressource est inépuisable. C’est donc une ressource qui entre dans le cadre d’un développement durable, dans la mesure où son exploitation respecte l’environnement.

Lardarello

Demain L'énergie géothermique est une énergie renouvelable paradoxale dans la mesure où une utilisation trop intensive entraîne l'épuisement des sources de chaleur. Une utilisation raisonnée de cette forme d'énergie s'impose.  Lorsque les techniques de forage seront améliorées, l'exploitation à plus grande échelle de la chaleur terrestre, notamment en grande profondeur (8 à 12 kilomètres (km)), permettra de prolonger l'utilisation de l'énergie géothermique. 

pression lithostatique: pression exercée par une colonne de roches. Quelques définitions aquifère: du latin aqua: eau et ferre: porter. Terrain perméable contenant une nappe d'eau souterraine: on distingue les nappes libres positionnée sur des terrains imperméables et les nappes artésiennes emprisonnées entre deux terrains impreméables capacité massique: c'est la quantité d'énergie à apporter pour augmenter d'un degré la température d'une substance. unité: J·kg-1·K-1 conductivité thermique: elle représente la quantité de chaleur transférée par conduction par unité de surface et par unité de temps (elle s'exprime en W·m-1·K-1) Dogger: étage géologique (Jurassique Moyen): les calcaires du Dogger constituent de bons aquifères dans le Bassin Parisien et sont exploités pour la géothermie basse enthalpie. Leur température moyenne de 70°C et leur profondeur de l'ordre de 1800m enthalpie: quantité de chaleur contenue par unité de poids. L'énergie correspondante sera qualifiée de basse, moyenne ou haute selon la température du fluide. flux géothermique: quantité de chaleur provenant des profondeurs de la Terre et traversant une surface donnée en un temps donné. géothermie: c'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 des applications directes de la chaleur. pression hydrostatique: pression exercée par le poids d'une colonne d'eau pression lithostatique: pression exercée par une colonne de roches. 1 watt (W): puissance développée par 1 joule pendant 1 seconde 1 watt heure (Wh): énergie représentant le travail d'une machine d'une puissance de 1 watt pendant 1 heure.