La géothermie comme enjeu planétaire contemporain

Place dans les programmes

au lycée: programme de terminale S:

Thème 2 - Enjeux planétaires contemporains

 Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

La température croît avec la profondeur (gradient géothermique) ; un flux thermique atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre (flux géothermique). Gradients et flux varient selon le contexte géodynamique. Le flux thermique a pour origine principale la désintégration des substances radioactives contenues dans les roches.

L'énergie géothermique utilisable par l'Homme est variable d'un endroit à l'autre. Le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne représente qu'une infime partie de ce qui est dissipé.

Accompagnement pédagogique : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

 Montrer avec Google Earth que la température croît avec la profondeur, qu'un flux thermique atteint la surface en provenance des profondeurs de la Terre et que gradients et flux varient selon le contexte géodynamique.

Synthèses

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.

Origine de la chaleur interne de la planète

le flux de chaleur

la planète dégage en permamence de l'energie. la carte ci-dessous représente les variations géographiques du flux thermique.

image récupérée ici

la planète libère en moyenne 60mW/m² (les valeurs sont comprises entre 20 et 250 mW/m²).

La carte ci-dessous (extraites de l'ouvrage La Chaleur de la Terre de R. Ferrandes voir la bibliographie) présente les flux de chaleur en France (d'après Gable, 198), les courbes de flux égal sont tracées tous les 10mW/m².

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

le gradient géothermique

Grâce à des forages on peut mesurer le gradient géothermique c'est à dire le coefficient reliant la température et la profondeur. Le gradient géothermique vaut environ 3°C pour 100 m (les valeurs sont comprises entre 1° pour 100 m et 5 à 10°C pour 100 m):

Une proposition d'activité pédagogique:

- faire tracer sur exel le géotherme moyen en france métropolitaine. 1° pour 30 mètres

- positionner sur le graphique obtenu les valeurs correspondant à des sites géothermiques:

site de Soultz la Forêt: 200° C à 5000 m de profondeur, Islande, Santorin

-télécharger le fichier excel de correction: voir le fichier en pièce jointe

localisation de l'Islande: (www.olscom.com)

localisation de Soultz sous forêt (http://www.soultz.net/fr/projetGeie/)

Les caractéristiques des roches de la croute continentale vis à vis de la chaleur

Au laboratoire, on peut évaluer la conductivité thermique sur des échantillons. le tableau ci-dessous en présente quelques valeurs:

les roches sédimentaires contribuent donc au freinage des transferts de chaleur dans la croute et permettent une forme de stockage de chaleur.

la radioactivité est à l'origine de la chaleur émise par la Terre

La chaleur interne de la Terre provient:

• d'une énergie résiduelle datant de la phase d'accrétion de  la Terre
• d'une désintégration d'éléments radioactifs: uranium, thorium, potassium contenus dans les roches terrestres

Le tableau ci-dessous présente les concentrations en éléments radioactifs et les quantités  de chaleur produites par radioactivité (d'après JM Caron)

Une proposition d'activité pédagogique

- utilisation d'excel pour faire calculer aux élèves la part de chaque enveloppe dans la production de chaleur. télécharger le fichier radioactivite.xls.-

- une version plus simple dans le fichier radioactivite2.xls

Cette chaleur produite par la Terre équivaut à 20.10¹² W par an. Or la Terre perd au total 42.10¹² W par an (29.10¹² W par an sur les océans, 9.10¹² W par an sur les continents, et 4.10¹² W par an grâce aux phénomènes volcaniques): elle se refroidit.

La géothermie: bases géologiques et applications.

On distingue trois types de géothermie:

quelques exemples de sites géothermiques actuellement exploités:
en limite de plaque lithosphérique:

• sur les dorsales: Islande (49MW), Açores (5MW), Californie (2817MW)

• dans les zones de subduction (70% de l'énergie géothermique actuellement exploitée), Philippines (1127MW), Japon (414MW)

• dans les zones de collision: Italie (631MW): les plissements et les failles observés dans ces zones favorisent la remontée de magma et sont donc responsables d'une anomalie thermique

au niveau de points chauds: Hawaii (25MW)

dans les fossés d'effondrement: des failles profondes associées à un amincissement de la lithosphère favorisent une anomalie thermique positive

dans les zones stables: c'est souvent dans des bassins sédimentaires où des couches géologiques s'accumulent: certaines sont perméables et vont jouer le rôle d'aquifères: très souvent ces aquifères sont très étendus ce qui rend le stock de chaleur particulièrement important. exemples: France (337MW), USA ((1874MW)

la carte ci-dessous présente le lien entre terrain géologique et utilisation de la géothermie en France (document extrait de La Chaleur de la Terre, de R Ferrandes). On observe qu'en France métroploitaine, seuls les bassins sédimentaires (basse enthalipie) sont exploités. On note le site de Bouillante (Guadeloupe) où de la haute enthalpie est également exploitée. Cette carte peut être mise en parallèle avec la carte géologique de la France au 1/1000000e.

Bibliographie

• La chaleur de la Terre, Raymond Ferrandes, ADEME Editions 1998
• Les énergies en questions: géothermie et bioénergie, Ian Graham, Editiosn Gamma 1999
• La géothermie, ADEME-BRGM, 2004
• La géothermie: du Geyzer au radiateur, Jean-Michel Coudent et Florence Jaudin, Editions du BRGM 1989,
• Comprendre et enseigner la planète terre, JM Caron, éditions ophrys
• un article de Futura-Sciences