Thème 2 enjeux planétaires contemporainsGéothermie et propriétés thermiques de la Terre

La surface terrestre reçoit 7.1017 W d’énergie en provenance du soleil. A cette énergie externe s’ajoute 42.1012 W d’énergie interne en provenance des profondeurs de la Terre. Ainsi l’Homme dispose de 2 sources d’énergie inépuisables à l’échelle de l’humanité. La géothermie est l’étude de la chaleur de la terre de son origine à ses manifestations ainsi que son utilisation

Comment caractériser cette énergie interne ? TP1 et TD1 et 2

1. Gradient et flux géothermique A. des manifestations d’une chaleur d’origine profonde

La libération d’énergie thermique se traduit, en surface, par de nombreuses manifestations : geysers, sources hydrothermales, éruptions volcaniques

B. Gradient et flux géothermiques Le gradient géothermique correspond au rapport entre la variation de température entre deux points et la distance entre ceux-ci. Il mesure l’augmentation de température lorsque l’on s’enfonce dans le sous sol. Sa valeur moyenne est de 30°C par Km.Le flux géothermique correspond à la quantité de chaleur (en joule) traversant une unité de surface (m2) par unité de temps (s) : Watt.m-2 ou J.s-1.m-2. Il mesure la dissipation permanente d’énergie interne à la surface du globe. Il dépend du gradient géothermique mais aussi de la nature des roches, et donc de leur conductivité thermique. Sa valeur moyenne est de 65 mW.m-2.

C. Variation des gradients et flux thermiques selon le contexte géodynamique Le flux géothermique présente des variations importantes d’une région à l’autre : il est,par exemple, un peu plus élevé au niveau des océans que sur les continents.Dans le domaine océanique, le flux est élevé au niveau :-des dorsales océaniques-des arcs volcaniques liés à la subduction- des points chaudsDans le domaine continental, il est élevé au niveau :

- des régions volcaniques - des bassins sédimentaires où la croûte est amincie.

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Quelle l’origine de la chaleur interne ? Comment est-elle libérée en surface ?2. Origine et modalités du transfert d’énergie géothermique

A. origine

La chaleur de la Terre provient à 90% de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de certaines éléments chimiques présents dans les roches du globe : uranium (238 U et 235U) Thorium (232Th) et potassium (40K). Même si le manteau est moins concentré en ces isotopes que la croûte terrestre, sa masse énorme lui permet de jouer le rôle prépondérant dans la production d’énergie interne.

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B. modalités de transfert L’énergie thermique produite est transférée au sein des enveloppes du globe selon 2 modalités : la conduction et la convection

conduction convectionDéfinitions Transfert de chaleur de proche en

proche sans déplacement de matière

Transfert de chaleur avec déplacement de matériau qui conserve pratiquement sa température

Organisation Echange thermique entre une région chaude et une région voisine froide

La matière chaude, peu dense s’élève et se refroidit, à l’inverse la matière froide plus dense à tendance à descendre et à se réchauffer. Des cellules de convection s’organisent alors.

Gradient géothermique Fort (30°C dans la croute par ex) Très faible 0,3°CEfficacité du transfert Peu efficace. Dépend de la

conductivité du matériauEfficace

conséquences Dissipe la majorité de l’énergie produite

Moteur du déplacement des plaques lithosphériques

Schématisation des différentes formes de dissipation d’énergie thermique

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Gradient géothermique moyen au sein du globe terrestre

C. un modèle thermique du globe. On peut considérer la Terre comme une sphère dans laquelle existe une convection lente dans le manteau à l’origine des remontées et des descentes asthénosphériques. Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique. Ainsi c’est la dissipation d’énergie interne du globe qui fait « bouger » les plaques. De part et d’autre de cette zone convective existent 2 couches ou règnent la conduction : la lithosphère et l’interface noyau /manteau. C’est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré.

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A l’aide de vos connaissances complétez le schéma ci contre en indiquant dans quelles enveloppes se déroulent la convection et la conduction

A

B

C

D

Comment l’Homme peut-il exploiter les ressources géothermiques ?

3. La géothermie, une ressource énergétique A. Une ressource inépuisable à l’échelle de l’humanité

En 2012 l’utilisation de la géothermie à des fins de chauffage ou d’électricité ne représentait à peine 1% de la consommation énergétique totale. Le prélèvement géothermique est infime par rapport à l’énergie interne dissipée par la Terre, on peut donc considérer que cette énergie est une ressource inépuisable à l’échelle humaine.

B. Deux grands types d’utilisations de l’énergie géothermique Les ressources géothermiques dépendent des contextes géologiques. Il existe 4 types d’exploitation de la géothermie :

la géothermie très basse température exploite des réservoirs situés à moins de 100m et dont les eaux ont une température inférieure à 30°C ; on l’utilise pour le chauffage et la climatisation grâce à une pompe à chaleur

la géothermie basse énergie concerne les eaux de 30 à 90°C . Les gisements sont localisés entre 1500 et 2500 mètres de profondeur. Les réservoirs exploités sont le plus généralement situés dans des sols poreux imprégnés d’eau, comme par exemple le sable. Nous ne pouvons pas produire de l’électricité à partir de cette énergie, néanmoins elle reste très utile pour le chauffage.

La géothermie moyenne énergie (90 à 150 °C) se présente sous forme d’eau chaude ou de vapeur humide .Nous la retrouvons dans des zones exploitables par la haute énergie mais à une profondeur inférieure à 1 000 mètres. Elle se situe également dans des bassins sédimentaires à une profondeur de 2 000 à 4 000 mètres. Cependant, pour obtenir de l’électricité, il est nécessaire d’utiliser un fluide intermédiaire.

Enfin, la géothermie haute énergie est supérieure à 150°C . Les réservoirs sont localisés entre 1500 et 3000 mètres de profondeur, dans des zones de gradients géothermaux anormalement élevé. Le fluide peut-être capté sous forme de vapeur sèche ou humide pour la production d’électricité, lorsque le réservoir existe.

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Sur ce schéma indiquez par des légendes et des flèches les enveloppes ou se déroulent la convection et la conduction

Bilan - Dans le sous-sol, la température augmente avec la profondeur.

- Le rapport entre la différence de température entre deux points et la différence de profondeur entre ces deux points permet de définir le gradient géothermique.

- De la chaleur est produite par les différentes enveloppes du globe et atteint la surface de la terre. La quantité de chaleur (en joule) traversant une unité de surface (m2) par unité de temps (s) correspond au flux de chaleur (en Watt.m-2 ou J.s-1.m-2). Dans l’exemple des mines Gaspé au Québec, qui correspond à un bassin sédimentaire, en analysant la température des 300 premiers mètres, le gradient géothermique est de 10°C/km et le flux est proche de 50 mW.m-2.

- la chaleur peut se diffuser, suivant le milieu, par convection ou par conduction.

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