Deux sources de chaleur concernent notre planète : une source externe, le Soleil (IR), qui anime les enveloppes externes (hydrosphère et atmosphère). Une source interne dont les manifestations les plus visibles sont le volcanisme et les sources thermales, appelée géothermie et constituant un moteur dans la tectonique des plaques. Les sources thermales, connues depuis le début des temps historiques, sont sans doute les manifestations les plus populaires de la présence en profondeur de températures plus élevées qu’en surface (ex : source du Par, village de Chaude Aigues -Cantal- débit de 450000 L/J à 82°C).
Problème : Comment la compréhension de la géothermie nous permet d’accéder à une ressource énergétique quasi inépuisable ?
- ★Comment définir la géothermie ?
- ★Quels en sont les paramètres mesurables ou calculables ?
- ★Quelles exploitations thermiques l’Homme a-t-il mis en place pour ses besoins ?
TP-TD : La géothermie, une énergie renouvelable
Méthode : Utilisation de carte hydrogéologique, construction de graphique et calcul du géotherme
I- Les origines de la géothermie
A- Gradient et flux géothermiques : des expressions de l’énergie interne.
Il est possible de mesurer directement lors d’un forage la température en profondeur, en fixant une sonde thermique à l’extrémité de l’arbre de forage. La moyenne de l’élévation thermique obtenue est de l’ordre de 3° tous les 100m soit 30° par Km. On parle de gradient géothermique.
Définitions :
- Géothermie : Chaleur émise par la Terre
- Gradient géothermique : Augmentation de la température en profondeur lorsque l’on s’éloigne de la surface du sol.
- Flux géothermique : c’est la quantité d’énergie thermique provenant des profondeurs de la Terre qui traverse une surface par unité de temps.
Le flux géothermique correspond donc à l’évaluation du transfert de chaleur à travers les roches. Il se calcule à partir du gradient géothermique :
Φ = flux thermique (en W.m-2)
k = conductivité (en W.m-1.°C-1)
dt/dz = gradient géothermique ou géotherme, ce qui correspond au coefficient directeur de la droite (en °C.m-1)
Exemple :
gradient géothermique du bassin de Paris = -28°C.km-1 (soit -0,028°C.m-1)
Conductivité du calcaire = 2W.m-1.°C-1
Φ = – 2x(-0,028) = 0,056 W.m-2 ou 56 mW.m-2
Autre unité de mesure 1HFU (Heat Flow Unit) = 41,8 mW.m-2
Dans le bassin parisien, on obtient donc : Φ =56/41,8=1,34 HFU
Flux moyen des continents (toute roche confondue) : 65 ± 1,6 mW m-2
Flux moyen des océans (toute roche confondue) : 100 ± 1,6 mW m-2
Flux moyen global : environ 85 mW m-2
Droits réservés – © 2014 Jean-Claude Mareschal
Droits réservés – © 1989 BRGM – SIG Mines France, modifié
La majeure partie du flux géothermique est dissipée de façon diffuse, seuls 5 % sont dissipés de façon brusque en des endroits très précis : Séismes et éruptions volcaniques.
Si le flux géothermique moyen est de 85 mW.m-2, celui-ci présente néanmoins des variations régionales importantes. En effet, comme le gradient géothermique varie selon le contexte géodynamique, il en de même pour le flux géothermique. Il est globalement plus élevé au niveau des océans qu’au niveau des continents.
Fort au niveau
- des zones volcaniques :
- dorsales : remontée de magma associée à la production de LO (et circulation hydrothermale)(ex : Islande)
- points chauds (Ex : La Réunion)
- zones volcaniques de subduction (Ex : Antilles, Costa Rica)
- rift continental (Ex : rift Est-Africain)
- de certains bassins d’effondrement où la croûte est amincie (Ex : fossé rhénan en Alsace)
Faible au niveau
- des fosses des zones de subduction : plongement d’une LO âgée (donc froide et donc dense)
- des zones stables : plaine abyssale, continent
B- Comment la chaleur est-elle créée ?
La chaleur de la Terre provient essentiellement (90%) de la désintégration d’éléments radioactifs (uranium, thorium, potassium) présents dans les roches et du noyau terrestre qui génère un flux de chaleur vers la surface.
La chaleur produite par les réactions nucléaires varie avec la composition chimique des roches mais aussi selon l’âge des roches , raison pour laquelle les gradients géothermiques sont plus élevés dans les plates-formes jeunes, comme en France et en Europe du Sud, que dans les socles anciens, comme en Scandinavie.
Les 10% restants : La chaleur latente de cristallisation du noyau externe (liquide) au profit de la graine (solide) est une réaction exothermique (elle dégage de la chaleur) c’est ce qu’on appelle la chaleur résiduelle originelle lors de la formation de la Terre.
C- Comment la chaleur est-elle transférée ?
La chaleur peut être transférée au niveau des couches profondes de la Terre soit par conduction ou soit par convection.
★La conduction : C’est un transfert de chaleur entre 2 matériaux inertes. Il n’y a donc pas de déplacement de matière, il s’agit juste d’un échange par agitation thermique. Cet échange thermique entre une zone «chaude» et une zone «froide» se matérialise par un fort gradient thermique, comme par exemple dans la croûte (30°C.km-1)
★La convection : C’est un transfert de chaleur par déplacement de matériau. Dans ce cas, le matériau conserve quasiment sa température, et donc le gradient géothermique est très faible (ex : 0,3°C.Km-1). Le matériau chaud a tendance à s’élever car il est moins dense tandis que le froid a tendance s’enfoncer car il est plus dense. On obtient alors des cellules de convection.
D- La Terre : machine thermique.
Au niveau de la terre on peut considérer que l’asthénosphère est concernée par des cellules de convection lente repérables par tomographie sismique.
De chaque côté de ces cellules de convection, on trouve des zones concernées par de la conduction (lithosphère et noyau).
II- Domestication de la géothermie.
A- les enjeux mondiaux
La géothermie constitue un enjeu mondial, puisqu’on peut considérer qu’à l’échelle de l’homme cette ressource est quasi inépuisable (oralement : perte quand même de quelques degrés au niveau local dans l’aquifère du Dogger notamment par pompage d’eau et ré-injection d’une eau plus froide)
L’énergie géothermique est utilisée par l’homme principalement comme moyen de chauffage mais aussi pour produire de l’électricité. Même si la production de chauffage correspond à 50 GW au niveau mondial (électricité = 1/5e), cela ne représente que 1% de l’énergie consommée dans le monde.
B-Variations selon le contexte géologique régional
Le gradient géothermique varie suivant les régions (C.F. : avant) :
Exemple des continents (moyenne = 30°/Km) :
- • 3° / 100 m => Bassins sédimentaires et granites (exemple le Dogger)
- • 1000° / 100m => Zones volcaniques (rifts, points chauds…)
- • 10° / 100 m => zones d’effondrement (Alsace ou plaine de Limagne => fossé rhodanien – rhénan)
Suivant le contexte régional, on adaptera les types d’exploitation de la géothermie.
C- Les types de géothermie suivant leurs utilisations
L’énergie géothermique chauffe les roches et l’eau qui s’infiltre et circule en profondeur. Cette énergie peut être exploitée pour 2 raisons :
- le chauffage : ————— BE ou TBE
- individuel (pompe à chaleur) : géothermie « très basse énergie »
- collectif : on récupère l’énergie dans un aquifère : géothermie « basse énergie »
d’après http://www.mtaterre.fr
- la production d’électricité : —————— HE ou THE
ceci est possible dans des régions où le gradient géothermique est important (régions volcaniques, rift continental). On parle alors de géothermie « haute énergie ».
d’après http://www.mtaterre.fr
1) La géothermie très basse énergie (température inférieure à 30°C)
Elle concerne les aquifères peu profonds d’une température inférieure à 30°C, température très basse qui peut cependant être utilisée pour le chauffage et la climatisation si l’on adjoint une pompe à chaleur (PAC).
Tous les terrains sédimentaires en métropole peuvent être concernés
2) La géothermie basse énergie (30 à 90°C) (Exemple de la nappe du BP : le Dogger)
Appelée également basse température, ce type de géothermie est aussi dite à « usage direct ». Elle consiste en l’extraction d’une eau à moins de 90°C dans des gisements situés à moins de 2500 mètres de profondeur. L’essentiel des réservoirs exploités se trouve dans les bassins sédimentaires de la planète car ces bassins recèlent généralement des roches poreuses (grès, conglomérats, sables, calcaire) imprégnées d’eau. Le niveau de chaleur est insuffisant pour produire de l’électricité, mais est parfait pour une production de chaleur par simple échange thermique pour la production d’eau chaude sanitaire, le chauffage des habitations via un réseau de chaleur collectif, pour certaines applications industrielles, la pisciculture, les piscines…
Exemple : Nappe du Dogger du Bassin Parisien
3) La géothermie haute énergie (90 à 150°C)
C’est une géothermie de « moyenne température » qui se présente sous forme d’eau chaude ou de vapeur humide à une température comprise entre 90 et 150°C. Elle se retrouve dans les zones propices à la géothermie haute énergie, mais à une profondeur inférieure à 1000 m. Elle se situe également dans les bassins sédimentaires mais dans des zones d’effondrement, à des profondeurs allant de 2000 à 4000 mètres (dans ce cas précis, une remontée asthénosphérique peut être observée par tomographie sismique). Pour produire de l’électricité, une technologie nécessitant l’utilisation d’un fluide intermédiaire est nécessaire.
Exemple : Soultz-sous-Forêts
4) La géothermie à très haute énergie (> à150°C)
Parmi les différentes applications de l’énergie géothermique, la géothermie très haute énergie se définit par un critère : la recherche de gisements profonds ayant des températures élevées, supérieures à 150°C en général. L’électricité est produite au moyen de la vapeur géothermique. Les forages permettant d’atteindre ces réservoirs présents dans les zones fracturées, sont en général supérieurs à 1500m. Destinée à des usages purement industriels, la géothermie « haute énergie » a un rôle prépondérant à jouer dans le changement de modèle énergétique.
Exemples : Bouillante en Guadeloupe ou centrale géothermique d’Islande.
Conclusion :
Sur le plan scientifique, la géothermie s’attache à l’étude du régime thermique du globe et aux mécanismes de transfert thermique – conductifs et convectifs. Elle tente d’intégrer l’ensemble des données géologiques, géochimiques et géophysiques dans des modèles satisfaisants.
La température du sol augmente donc avec la profondeur : c’est le gradient géothermique. Le degré géothermique est la distance verticale à franchir pour que la température s’élève d’un degré Celsius. Il peut exister des perturbations locales qui modifient le gradient (anomalie thermique liée à une remontée asthénosphérique, hydrothermalisme…).
Néanmoins, des relations apparaissent entre la distribution du flux géothermique et les grandes structures géologiques ; l’existence même de ce flux et la connaissance de la distribution de sa valeur est une donnée essentielle sur l’évolution du globe et sur l’utilisation de la géothermie par l’Homme.
La géothermie exploite la chaleur de la Terre pour produire du chauffage et/ou de l’électricité. Écologique, mais encore peu exploitée, elle pourrait représenter une piste intéressante pour le développement durable des énergies.