TP-TD géothermie

La politique actuelle tend à inciter de plus en plus les collectivités ou les habitations individuelles à s’équiper en chauffage à énergie renouvelable. Une étude a été demandée par la ville de Provins, afin de déterminer la pertinence d’une installation géothermique.

On cherche à déterminer le gradient géothermique du bassin de Paris, afin de voir s’il est pertinent d’installer des pompes à chaleur basse énergie, dans le cadre des énergies renouvelables, notamment pour la ville de Provins

Le début de cette activité ressemble à une ECE, Mais il vous est demandé d’aller au delà de l’ECE et de vous appuyer sur les documents donnés en annexe pour répondre précisément à la demande de la ville. Il s’agit donc d’une tâche complexe.

Matériel :

  • 2 cartes d’hydrogéologie
  • un papier calque
  • un papier millimétré

    
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Nom de la feuille NumbersNom du tableau NumbersNom de la feuille de calcul Excel
Feuille 1
Données sur les planètes du Système SolaireFeuille 1 - Données sur les pla

document 1 : a) définitions et formules

Géotherme : courbe représentant les variations de la température en fonction de la profondeur

Gradient géothermique : variation de la température sur une profondeur donnée (c’est la pente du géotherme !). Formule : dT/dz = (T2 – T1) / (z2-z1)

Flux géothermique : quantité de chaleur traversant une unité de surface par unité de temps
(en W.m-2 ou J.s-1.m-2). Formule : Φ = -k . (dT/dz) . Φ : flux géothermique (W.m-2) ou en HFU (Heat Flow Unit) ; k = conductivité de la roche (W.m-1.K-1) la formule tient compte du fait que les mesures de profondeurs sont négatives.Conversion : 1 HFU = 41,8 W.m-2

b) La nappe du Dogger, une nappe intéressante en géothermie

La grande particularité du bassin Parisien est d’offrir une très bonne coïncidence entre les ressources géologiques et la demande de chauffage, puisque de nombreuses agglomérations sont situées au niveau d’aquifères continus. En effet, ce bassin sédimentaire comporte cinq grands aquifères1 dont le Dogger s’étend sur plus de 15 000 km2 avec des températures variant de 56 à 85°C. Ce réservoir assure aujourd’hui le fonctionnement de 34 installations géothermales.

Une approximation peut être réalisée concernant le bassin parisien qui est que le coefficient de conductivité correspond à celui des marnes et calcaires. Soit k = 2 W.m-1.K-1

Aquifère : couche-géologique poreuse et perméable pouvant contenir de l’eau et la laisser circuler. L’eau qu’il contient a pour origine les infiltrations des eaux de pluie.

©ADEME – BRGM

Cartes des isobathes du bassin parisien du toit du Dogger et carte des températures :

II – Géothermie haute énergie en Alsace

Depuis plus de 20 ans, des scientifiques et des ingénieurs travaillent d’arrache-pied sur le site de Soultz-sous-Forêts, en Alsace du Nord, pour faire avancer la connaissance sur la géothermie profonde et mettre au point les techniques d’exploitation de cette chaleur. Une étape décisive a été franchie le 13 juin 2008, avec la mise en service de la centrale pilote de production d’électricité. «Géothermie Soultz» est ainsi, à ce jour, le programme de recherche scientifique le plus avancé au monde dans le domaine de la géothermie profonde.

Document 2 : Géotherme à Soultz-sous-Forêts

1)    a) Comparer le gradient géothermique dans les 1500 premiers mètres de profondeur.

b) Comment expliquer la différence par rapport au bassin parisien ?

2) Quelle sont les différences entre la géothermie « basse énergie » du bassin parisien et « haute énergie » de Soultz-Sous-Forêt.

Document 3 : Contexte géodynamique

Il y a 35 Ma, une phase d’extension de la lithosphère continentale s’est produite en Europe de l’ouest. Plusieurs fossés d’effondrement, ou rifts, sont les témoins de cette phase comme le rift rhénan.

D’après http://www.geothermie-perspectives.fr

Document 4 : Principe de la géothermie à Soultz

A – 5000 m de profondeur, le fluide géothermal est capté à une température de 203°C et arrive en surface à 165°C. Via un échangeur thermique, cela permet de faire tourner une turbine et de produire de l’électricité grace au transformateur. Le fluide géothermal est ensuite réinjecté grace à deux puits, pour de nouveau se « recharger » en calories grace aux circulations profondes et être de nouveau capté au puit de prélèvement.

d’après : http://svt.ac-dijon.fr

III – Potentiel géothermique de l’Islande

Entre l’Europe et le Groenland, en plein océan Atlantique et positionnée sur le rift, l’Islande fait office de pionnier et de leader concernant l’utilisation des ressources géothermiques. L’Islande est l’un des rares pays à utiliser 100% d’énergie renouvelable dans l’alimentation de ses habitation, tant en chauffage, qu’en électricité.

En particulier, tous les bâtiments publics, les piscines, les serres de fruits et légumes et même certains trottoirs de Reykjavík sont chauffés grâce à la géothermie. Les usines géothermiques sont largement visibles au plus près des sources. Elles sont souvent reconnaissab
les au dégagement d’intenses nuages de vapeur.

Au-delà du chauffage, les Islandais traitent aussi la géothermie pour créer de l’électricité.

Autre exemple de l’utilisation géothermique de l’Islande : le lagon bleu. Celui-ci est en fait un lac artificiel créé par les rejets d’eau d’une station de forage géothermique. Ce site est devenu aujourd’hui un détour incontournable de tout touriste.


En exploitant les documents (5 à 7), proposer une explication au fort potentiel géothermique en Islande.


Document 5 : Le flux géothermique en surface

La carte est établie à partir de plus de 24 000 données de terrain aussi bien sur croûte continentale qu’océanique complétées par des estimations dans les zones non étudiées.

Document 6 : Carte géologique simplifiée de l’Islande

Document 7 : Tomographie sismique sous l’Islande

(d’après http://planet-terre.ens-lyon.fr)

Information sur le principe de la tomographie sismique :

Sans rentrer dans la complexité géophysique, on peut proposer l’explication suivante : la tomographie sismique interprète les changements de vitesses des ondes sismiques provoquées par des modifications de la température des couches traversées. Un séisme envoie des ondes à travers la Terre, elles sont reçues par des instruments situés en de nombreux points autour du globe. Les ondes qui accusent un retard par rapport aux autres ont traversé une zone plus chaude et moins dense. Celles qui ont accéléré, ont traversé une zone moins chaude et plus dense. Ce sont, bien sûr, de multiples mesures suivies de nombreux calculs qui, à partir de l’analyse des vitesses d’ondes de volume (P, S) et de surface, fournissent un «scan» des températures du manteau.
Les spécialistes représentent en bleu les zones froides (ou plutôt, moins chaudes) où les ondes sismiques accélèrent, et en rouge les régions chaudes où elles ralentissent. L’intensité des couleurs est proportionnelle à l’amplitude des variations des vitesses.

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosgeol/01_decouvrir/03_convection/01_terrain/02a_plus.htm

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