La géothermie - Lycée Louis Pasteur - Lille

La géothermie
      Sur Terre, deux sources d’énergies peuvent être considérées comme
         inépuisables à l’échelle humaine : l’énergie solaire et l’énergie
                                  géothermique.

Introduction: Différentes formes d’énergies exploitées par l’Homme
A) Observation de la géothermie et son utilisation par l’Homme
B) Origine de la géothermie
C) La Terre, une machine thermique

Introduction) Différentes sources d’énergies
a) Basées sur l’énergie solaire et son inégale répartition au niveau de
   la planète

Cette énergie solaire :
• Peut être utilisée directement
→ Panneaux solaires thermique (l’énergie thermique permet de
chauffer de l’eau)
→photovoltaïque (l'énergie lumineuse est convertie en électricités)

Cette énergie solaire :
 • Met en mouvement les fluides (eau, gaz) → courants marins, cycle de
   l’eau → usines marée-motrice, barrages

 Usine marée motrice →
 production d’électricité grâce
 aux courants marins.

Cette énergie solaire :
  • Met en mouvement les fluides (gaz) → vents→ éoliennes

Pb des énergies renouvelables:
• Intermittence des productions:
   • Pas de production la nuit
   • Que faire lorsqu’il n’y a pas de vent
   • Impact écologique des certaines structures (barrage, éoliennes…)
• Difficulté de stockage de cette énergie.

Cette énergie solaire :
• Est utilisée par les végétaux:
  photosynthèse
→conversion par les végétaux de
  l’énergie solaire en matières
  organique → C,H,O, N
  principalement
→Production de biomasse et
  d’hydrocarbures
   • enfouissement rapide de cette MO et
     dans les conditions géologiques
     favorables → pétrole et gaz (au niveau
     des océans) et charbon (au niveau des
     continents)
   • Leur combustion permet la production
     de chaleur et d’électricité
   • Utilisation de l’énergie solaire du passé
   • mais restitue rapidement des gaz a
     effets de serre à l’atmosphère alors
     qu’ils étaient piégés dans le sous-sol.

b) Basée sur l’énergie nucléaire.

 • Fission nucléaire → prod d’une très grande
   quantité d’énergie
 • Permet production d’électricité

 • Pb de déchets
 • Pb de sécurité
 • Pb de coût (démantèlement + traitement des
   déchets non pris en compte dans les calcul des
   coûts initiaux.
 • Pb d’approvisionnement en matière 1ere
   (Uranium et plutonium inégalement répartis)

Bilan
• Chacun de ces types d’énergie a ses aspects positifs et négatifs.
• Il n’existe a priori pas de source d’énergie idéale et il faut faire des
  choix
• L’idée de mixer les différentes sources d’énergie semble le plus
  raisonnable + Consommer avec parcimonie.
• Il existe cependant une source d’énergie moins « médiatisée »
• Qui semble inépuisable (à l’échelle d’une vie humaine) (de
  nombreuses vies humaines en fait)
• → l’énergie GEOTHERMIQUE = énergie dégagée par la Terre sous
  forme de chaleur.
• Quelle est son origine? Comment l’Homme parvient-il à l’exploiter?

La géothermie
      Sur Terre, deux sources d’énergies peuvent être considérées comme
         inépuisables à l’échelle humaine : l’énergie solaire et l’énergie
                                  géothermique.

Introduction: Différentes formes d’énergies exploitées par
l’Homme
A) Observation de la géothermie et son utilisation par l’Homme
B) Origine de la géothermie
C) La Terre, une machine thermique

A.a) 2 définitions à comprendre et connaitre
• Le Gradient géothermique est la variation de la
  température avec la profondeur, en °C/km.
• Lithosphère: 150km de prof. Temp = 1300°C Isotherme
• Temp surface: 20°C
• Le gradient géothermique moyen au sein de la
  lithosphère continentale: (1300-20)/150= 8,5°C/km
• Au-delà, le gradient géothermique est bcp plus faible.
• On passe de env. 1300°C à 2000°C sur 2150km
• Gradient????
• 0,33°C/km
                                                           Variation de température de la Terre

• Le Flux géothermique ou
  flux de chaleur:
• quantité d'énergie évacuée
  par la Terre, par unité
  surface et par unité de
  temps (J/s/m²).
• Ou Puissance dégagée par la
  Terre par unité de surface
  (W/m²)
→ dégagement de chaleur
principalement dans:
• Les dorsales et zones en
  extension (rift) → a
  remontée du moho
• les zones volcaniques
  (volcanisme de subduc)

Le flux géothermique est variable
• Flux fort au niveau
  des dorsales et des
  zones volcaniques

• Flux faible au
  niveau des fosses
  océaniques
  (lithosp. Froide
  s’enfonce)
• lien entre le flux
  géothermique et la
  géodynamique ou
  la tectonique.

Quelques chiffres
• Le flux moyen est de 65 mW.m-² à la surface des continents
• 101 mW.m-2 à la surface du plancher des océans
• soit 87 mW.m-² pour l'ensemble du globe (Pollack et al, 1993).
• Surface terrestre : 510,1 Gm²

• Puissance dégagée par la Terre: ??
• 46 TW (puissance dégagée par m² * surface terrestre (m))

Estimation de l'énergie globale disponible à
l'échelle terrestre
• Puissance dégagée par la Terre: 46 TW
• Energie solaire reçue: 174 000 TW
• Puissance produite et consommée par l'humanité : 15 TW (10¹² W )

• la Terre dégage 3 fois ce que produit/consomme l'humanité,
• mais environ 4000 fois moins que ce qu'elle reçoit du Soleil.
• Si on a froid, il vaut donc mieux prendre un bain de soleil que de se
  coucher plaqué au sol au fond d'une cave !

b) Quelques exemples d’utilisation de la
géothermie par l’Homme
• Le gradient géothermique est inégalement réparti sur la planète. Cela
  va permettre son exploitation par l’Homme. Cette utilisation sera
  variable en fonction du contexte géodynamique.
• Grâce à l‘étude des documents, vous étudierez 4 sites et en dégagerez
  les spécificités.  Site  Température de
                              l’eau (°C)
                                            Gradient
                                          géothermique
                                                       Localisation
                                                       géologique
                                                                    Origine de
                                                                    la chaleur
                                                                                 Lieu de
                                                                               stockage de
                                                                                           Utilisation par
                                                                                             l’Homme
                                                      (°C/km)                          l’eau

                              Bassin
                             Parisien

                           Fossé Rhénan

                             Islande

                            Bouillante

b) Quelques exemples d’utilisation de la
géothermie par l’Homme

La géothermie de très basse énergie
• La géothermie de très basse
énergie
→ exploite des aquifères peu
profonds (eaux t°< à 30°C)
→ou énergie thermique des
  roches peu profondes du
  sous-sol (chauffage par
  pompe à chaleur).

→exploité partout en France

La géothermie de basse énergie
•La géothermie de basse énergie
→utilise des aquifères 30°C

Exemple du Bassin Parisien
                             • Eau accumulée
                               dans les
                               couches
                               sédimentaires
                             • Chauffée par
                               gradient
                               géothermique
                               naturel

La géothermie de moyenne et haute énergie
• La géothermie de moyenne et
  haute énergie
→utilise fluides ou vapeur
jusqu’à 250°C
→permet de produire de
  l’électricité par l’intermédiaire
  de Turbines
→Nécessite la présence de failles
  (circulation des fluides)
→exploitée dans les
• zones de subduction →
  volcanisme (magma proche)
• zone d’extension (remontée du
  Moho).

Tempér     Gradient
              ature     géother    Localisation    Origine de la   Lieu de stockage de
   Site                                                                                  Utilisation par l’Homme
             de l’eau    mique     géologique        chaleur              l’eau
               (°C)     (°C/km)

                                                             Roche         Climatisation,
                                    Bassin   Gradient
  Bassin                                                 sédimentaire chauffage habitat et
              34,5        22       sédimen géothermique
 Parisien                                                 perméables     serres, fontaines,
                                     taire   (naturel)
                                                        (calcaires, gré)      piscines)
                                      Rift
  Fossé                              (zone   Remontée du             Réseau de               Production
             116,1       87,6
 Rhénan                            d’extensi    Moho                   failles               d’électricité
                                      on)
                                    Dorsale
                                                                     Réseau de               Production
 Islande     326,5       108       océaniqu       Volcanisme
                                                                       failles               d’électricité
                                      e
                                                  Remontée de        Réseau de               Production
                                   Subducti
Bouillante    262        114                        magma,             failles               d’électricité
                                     on

Conclusion:
Pour utiliser de l’énergie géothermique, il faut
• Trouver de l’eau chaude en grande quantité accessible assez
  facilement (pas trop profonde)
   • accumulée dans des sédiments (sables, gré, calcaire)
   • dans des réseaux de failles

• Si la température est faible  100°C → production d’électricité

Bilan
• 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 (rift/dorsale,
  subduction, etc...) .
• L'énergie géothermique utilisable par l'Homme est donc variable d'un
  endroit à l'autre du globe.
• Il existe plusieurs types de géothermie utilisable en fonction du gradient, de
  la température et de la profondeur des différentes ressources.
• Actuellement, le prélèvement éventuel d'énergie par l'Homme ne
  représente qu'une infime partie de ce qui est dissipé.

La géothermie
      Sur Terre, deux sources d’énergies peuvent être considérées comme
         inépuisables à l’échelle humaine : l’énergie solaire et l’énergie
                                  géothermique.

Introduction: Différentes formes d’énergies exploitées par
l’Homme
A) Observation de la géothermie et son utilisation par l’Homme
B) Origine de la géothermie
C) La Terre, une machine thermique

a) Principale source de
chaleur: la radioactivité
 • Les différentes couches
   terrestres contiennent des
   réserves en éléments
   radioactifs différentes
 • En connaissant la masse de
   chaque couche, sa teneur en
   éléments radioactifs et la
   contribution de chaque
   élément, on peut identifier les
   couches qui participent le plus
   à la production de chaleur

a) Principale source de chaleur: la radioactivité

Concentration des éléments radioactifs dans les croûtes > manteau
mais faible masse et volume croutes

Bilan:
• Le flux thermique a pour origine principale la
  désintégration des substances radioactives
  contenues dans les roches.
• L’énergie produite se concentre essentiellement
  dans le manteau.
• Or on la détecte à la surface du globe. Il y a donc
  une propagation de cette chaleur interne du
  manteau voir du noyau jusqu’en surface.

b) Transfert de la chaleur
• D’après l’évolution du gradient thermique,
  cette propagation n’est pas aussi efficace
  dans toutes les couches du globe.
   • Ainsi le gradient géothermique est fort
     dans la croute. On passe de 15°C à 1300°C
     sur 100km → mauvaise circulation de la
     chaleur
   • Il est faible dans le manteau. On passe de
     1300 à 2000°C sur 2900km → bonne
     circulation de la chaleur

3 modes de transfert de la chaleur (dont 2 à
retenir)
• La chaleur d’un système passe des régions les plus chaudes aux plus
  froides selon trois modes
→ par rayonnement : c’est ainsi que le Soleil nous transmet sa chaleur.
Le processus n’agit que sur les milieux transparents (atmosphère,
hydrosphère…).
→ par conduction : la chaleur se propage par contact, sans aucun
déplacement de matière. (règle en métal qu’on chauffe à une
extrémité)
→ par convection (beaucoup plus efficace) : transfert de chaleur en
transportant de la matière (il y a déplacement de la matière). La
densité des matériaux chaud diminue (air chaud monte)

Modèle permettant de tester l’efficacité du
transfert de chaleur par conduction
• Conduction

Modèle permettant de tester l’efficacité du
transfert de chaleur par convection

Résultats
                         Conduction                                                         Convection

          Si distance entre les sondes = 10cm:                              SI distance entre les sondes = 10cm:
          Gradient thermique:                                               Gradient thermique:
          (28,5-24)/10=0,45°C/cm                                            (24,1-23,9)/10=0,02°C/cm

                                                      Calculs uniquement indicatifs,
                                                      pour comprendre que plus le
                                                      gradient est faible, plus l’échange
                                                      de chaleur est efficace

La résistance haute chauffe l’eau. L’eau chaude superficielle,    La résistance basse chauffe l’eau. L’eau chaude profonde moins
moins dense ne peut pas se mélanger à l’eau froide profonde.      dense remonte vers la surface : c'est un mouvement de
Le transfert de chaleur s’effectue par conduction (de proche en   convection. Le transfert de chaleur s’effectue par déplacement
proche). le gradient de température mesuré entre la surface et    de matière. Le gradient de température mesuré entre la surface
la profondeur est important.                                      et la profondeur reste faible.

Convection vs conduction
• La convection est un mode de
  propagation de la chaleur
  beaucoup plus efficace que la
  conduction
• https://www.youtube.com/watc
  h?v=HmBHKeemZVY
• Sur ce modèle, la chaleur
  profonde produite par la
  résistance se transmet en
  surface très rapidement, ce qui
  n’est pas le cas de la conduction.

Convection vs conduction
• Le gradient thermique est
  beaucoup moins important par
  convection que par conduction.
• En effet, la température du milieu
  est rapidement homogénéisé.
• La différence de température en
  n’importe quel point est faible
• Par conséquent, le mode de           Conduction
  transfert à travers les différentes
                                      Convection
  couches du globe se décompose
  comme ceci :

La géothermie
      Sur Terre, deux sources d’énergies peuvent être considérées comme
         inépuisables à l’échelle humaine : l’énergie solaire et l’énergie
                                  géothermique.

Introduction: Différentes formes d’énergies exploitées par
l’Homme
A) Observation de la géothermie et son utilisation par l’Homme
B) Origine de la géothermie
C) La Terre, une machine thermique

a) Apport de la tomographie sismique
• La convection implique des mouvements de
  matière à l’état solide, transférant de la
  chaleur, par des remontées de matières
  chaudes et des descentes de matières
  froides.
• La tomographie sismique appuie cette thèse.
• Au niveau des zones de subduction, de la
  lithosphère relativement froide s’enfonce
  dans l’asthénosphère
• Au niveau des dorsales, il y a formation de
  lithosphère à partir de matériel chaud
• l'activité des dorsales est un événement de
  surface.

b) Flux thermique
                             Volcanisme de          Dorsale océanique
                             subduction
• Au niveau des fosses                  Fosse
  océaniques : flux faible              océanique
  → plongement de
  lithosphère froide
• La subduction est le
  moteur de la
  tectonique.
• Au niveau des dorsales
  + zone de volcanisme :
  flux thermique élevé lié
  à la production de
  lithosphère nouvelle

c) Modélisation de la « machine thermique »
   Terre
• A l'échelle du globe, on observe
  une convection importante.
• Remontée de matériel chaud
  depuis la limite noyau/manteau
  au niveau des points chauds (1er
  S)
• Remontée plus superficielle au
  niveau des dorsales
• Redescente de matériel froide au
  niveau des zones de subduction
• La lithosphère est renouvelée
  dans le manteau

Bilan
• La Terre est une machine thermique.
• À l'échelle globale, le flux fort dans les dorsales
  est associé à la production de lithosphère
  nouvelle ;
• au contraire, les zones de subduction
  présentent un flux faible associé au plongement
  de la lithosphère.

1. L'origine de l'énergie thermique
Accrétion:
• phénomène par lequel un embryon planétaire grossit en
  agglomérant les planétésimaux alentours par collision.
• L'énergie cinétique des impacteurs (      ) est transformée
  en énergie thermique qui s'ajoute à l'énergie interne de la
  planète.
• Les multiples impacts violents qui ont prévalu dans les
  premiers temps de la formation des planètes ont déposé
  une telle quantité d'énergie que la planète entière était en
  fusion (état liquide).

1. L'origine de l'énergie thermique
Différenciation :

• Sous l'effet de la gravitation, les matériaux les plus denses
  (les métaux) coulent dans le noyau de la planète alors que
  les roches les plus légères restent à la surface.
• La différenciation produit de la chaleur en transformant
  l'énergie gravitationnelle en énergie thermique

1. L'origine de l'énergie thermique
• Désintégration d’éléments chimiques
  radioactifs → principale source de
  chaleur
• 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 thorium232 et le
  potassium 40.
• La désintégration de ces éléments
  instables    en     éléments      stables
  s’accompagne d’une libération d’énergie
  source de chaleur.