L’énergie utilisée de nos jours par nos sociétés est majoritairement issue de l’utilisation des énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz). Cette utilisation engendre de nombreux problèmes environnementaux comme l’augmentation de la teneur des gaz à effet de serre et donc des températures de surface , l’acidification des océans. On cherche des alternatives énergétiques.

A partir des documents proposés et vos connaissances, montrer que les propriétés géothermiques de la Terre permettent d’envisager, sous certaines conditions que vous énoncerez, l’utilisation par l´Homme de l’énergie géothermique. Vous serez amenés au cours de votre recherche à établir l’origine principale du flux thermique terrestre et les modes de transfert thermique.

Document 1   : Le gradient géothermique à différentes zones de la planète

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Activité 16   : Géothermie et propriétés géothermiques de la terre Thème 2A

Compétences travailléesNotions à construire

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.Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : la convection et la conduction. Le transfert par convection est beaucoup plus efficace.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 âgée devenue dense. La Terre est une machine thermique.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 infimepartie de ce qui est dissipé.

Capacités

Exploiter les données d’exploitation géothermique.Exploiter l'imagerie satellitale et les cartes de répartition mondiale du flux thermique pour replacer les exploitations actuelles dans le cadre structural : magmatisme de rifting, de subduction ou de points chauds.Réaliser des mesures de conduction et de convection à l'aide d'un dispositif ExAO et les traiter avec un tableur informatique.

Attitudes

Faire preuve d’autonomie et de curiositéMontrer de l'intérêt pour les progrès scientifiques et techniquesManifester de l'intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société

Document 2   : Le flux géothermique mondial

Le Flux géothermique ou flux de chaleur est la quantité d'énergie évacuée par la Terre, exprimée par unité de surface et par unité de temps.Le flux moyen est de 65mW.m-2 à la surface des continents et de 101mW.m-2 à la surface du plancher des océans soit 87mW.m-2 pour l'ensemble du globe (Pollack et al, 1993) Le flux thermique en un point donné est obtenu en multipliant la conductivité thermique et le gradient thermique.L’intégration de toutes les données de flux de chaleur à la surface de la Terre permet de quantifier l’énergie totale que représente le flux de chaleur. On estime cette valeur à envi-ron 42 térawatts (TW). L’énergie libérée par le flux de chaleur est ainsi largement supérieure a celle libérée par l’ensemble de l’activité volcanique (~ 0,8 TW) ou celle libérée par l’ensemble de l’activité sismique (~1 TW), mais elle est largement inférieure à l’énergie solaire que nous recevons (~ 4710000 TW)

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Le Gradient géothermique ou l’évolution de la température en fonction de la profondeur varie avec:

la composition chimique des roches la convection si présence d’eau. La variation de conductivité ther-

mique (capacité à transférer la cha-leur par conduction thermique) des roches.

Il est en moyenne de 31°C/km en France (110°C/km dans le 1er km en Alsace, mais 12°C/km dans la région de Rennes).

Bonté et al, 2010

Document 3   : Tomographies sismiques au japon et au niveau de l’archipel des Tonga

Document 4   : Tomographie sismique en Islande

Document 4   : Les origines de la chaleur interne de la planète

L’origine de la chaleur interne du globe fait encore l’objet d’étude et n’est pas totalement déterminée. Dans les tous premiers temps de l’histoire de la Terre, les principales sources de chaleur ont sans doute été l’accrétion et la radioactivité de courte période.La chaleur d’accrétion correspond tout simplement à un transfert d’énergie cinétique en énergie mécanique (compression et changement de phase) et énergie calorifique. Lors des nombreux chocs de météorites au début de l’histoire de la Terre, ces processus ont pu contribuer à une immense partie de l’énergie thermique accumulée.La radioactivité est un second processus de production de chaleur. Les réactions qui ont certainement contribué en grandes parties à la chaleur interne du globe sont celles désor-mais terminées de désintégration de l’26Al et du 60Fe. Ces éléments sont en grande concentration dans la Terre et lorsque les réactions de désintégration radioactive se sont pro-duites lors des tous premiers millions d’années de l’histoire de la Terre, il est probable que leurs conséquences thermiques ont été immenses.Depuis, les seuls éléments radioactifs qui contribuent à la production de chaleur interne sont 238U, 232Th, 40K. Leur participation au bilan thermique terrestre dépend fortement de leur concentration précise dans les roches, mais on considère en général que leur production est de l’ordre de 570 mW/kg de roche pour 235U, 94 mW/kg de roche pour 238U, 27 mW/kg de roche pour 232Th et 28 mW/kg de roche 40K.

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Enfin, il existe sans doute une production de chaleur liée à la différenciation de la graine. A température et pression ambiantes, la cristallisation de fer produit 207 kJ/kg. La valeur est certainement très différente aux pressions et températures du noyau, mais quoiqu’il en soit, la cristallisation de la graine doit participer au bilan thermique.

Comment jongler avec ces chiffres pour tracer la source de la chaleur terrestre actuelle ? De certaines zones d’ombres existent, mais les géophysiciens estiment aujourd’hui que sur les ~ 42 TW enregistrés en surface, près de 35 TW proviennent de la désintégration d’éléments radioactifs dans la croûte et le manteau. Près de 3,8 TW pourraient être des vestiges de la chaleur initiale liée à l’accrétion et à la radioactivité de courte période ; c’est ce qu’on nomme le « refroidissement séculaire ». La différenciation des différentes enveloppes comme la croûte, le manteau, et surtout le noyau, libèrerait environ 3,5 TW. Gardons à l’esprit que ces valeurs sont encore l’objet de débat et qu’il n’existe pas véritablement de consensus entre les auteurs.

Document 5   : Les sources thermales de Chaudes-Aigues 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. Le village de Chaudes-Aigues dans le Cantal doit son nom aux sources thermales qui y sont utilisées : l’hiver pour le chauffage des habitations et l’été pour les thermes. Ce village possède une trentaine de sources dont les températures vont de 40°C à 82°C. La source la plus chaude est celle du Par , qui doit son nom au dépeçage à l’eau chaude du cochon (« parage ») que l’on y réalisait. Cette source a un débit de 450000 litres par jours d’eau à 82°C.

Document 6   : Modélisation des transferts de chaleur La convection est un processus d’échange de chaleur par déplacement de matière sous l’effet d’un changement de masse

volumique d’origine thermique. La conduction est un processus de diffusion où les molécules transmettent leur énergie cinétique (vibrations) à d'autres molécules par collision entre elles sans déplace-

ment de mati}ere. La chaleur est conduite dans un milieu en réponse à une variation spatiale de la température.

Matériel   : thermomètres, potence, béchers, huile, huile colorée, purée épaisse ou pâte à modeler, bougies

Document 7   : Production électrique par géothermie dans le monde

Fichiers : Géothermie dans le momde.kmz, Géothermie aux USA.kmz, Géothermie en France.kmz

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Source thermale du Par (82°C) à Chaudes Aigues dans le Cantal

Les principaux pays producteurs d’électricité par géothermie sont de loin les Etats-Unis et les Philippines. Viennent ensuite le Mexique, l’Italie, l’Indonésie et le Japon. Il est indispensable de porter à ces chiffres une lecture double : géologique et économique. Les pays qui produisent le plus d’électricité à partir de la géothermie sont ceux qui à la fois sont situés dans un contexte géodynamique qui leur offre une ressource géothermique, et qui économiquement peuvent exploiter cette ressource pour l’utiliser ou la commercialiser. Les Etats-Unis produisent de l’électricité à partir de la géothermie dans leur partie la plus occidentale, en Californie, Utah, Nevada. Ces états bénéficient d’un fort flux de chaleur qui est dans le prolongement de la dorsale est-Pacifique (figure 4). Ils ont une forte activité industrielle qui nécessite beaucoup d’électricité et leur richesse leur permet d’exploiter des ressources énergétiques plus coûteuses mais plus propres que le charbon et qui ont l’avantage d’être « renouvelables ».C’est en profitant de la même anomalie de flux de chaleur élevé que le Mexique a construit quelques centrales électriques géothermiques.Les Philippines sont quant à elles situées sur la « ceinture de feu du Pacifique », nom donné au chapelet de volcans qui entoure l’Océan Pacifique et qui tirent leur origine de zones de subductions autour de cet océan. Cette zone possède un flux de chaleur élevé et comme les Philippines font partie des pays émergents poussés par leur activité industrielle, elles nécessitent de grandes quantités d’énergie. Leur territoire étant peut étendu et leurs ressources en matière énergétique fossile très limitées, elles se sont adaptées en utilisant massivement la géothermie.

Document 8 : La géothermie en France

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Notons le cas singulier de l’Islande, pays situé sur une dorsale (ride média-Atlantique) dont les ressources géothermiques sont gigantesques, mais qui produit relativement peu d’électricité grâce à la géothermie par rapport aux autres pays cités précédemment. L’explication est exclusivement économique : l’Islande est un pays dont la population est très petite (320000 habitants), et qui est isolé au milieu de l’océan Atlantique. L’électricité qu’il produit par géothermie est largement suffisante pour survenir à ses propres besoins (en association avec de l’énergie hydro-électrique), en produire plus nécessiterait la mise en place de structures coûteuses pour l’exporter à travers l’Océan. Par contre, la production industrielle de l’Islande est poussée par la res -source géothermique propre et renouvelable de ce pays. L’Islande est un producteur majeur d’aluminium alors qu’elle ne dispose d’aucun gisement de bauxite. Elle importe directement bauxite ou alumine qu’elle transforme en aluminium métal grâce à son énergie électrique de faible coût. L’exportation de ce produit transformé génère d’importants revenus.

Document 9   : Les différentes techniques de géothermie

La géothermie de très basse-énergie la plus connue car elle s’est démocratisée ces dernières années pour le chauffage individuel des maisons. Elle ne nécessite pas de ressource particulièrement rare, et n’utilise finalement que l’inertie thermique des roches en surface – dont la température avoisine les 15°C – pour faire fonctionner une pompe à chaleur. Lorsque l’on dispose à quelques centaines de mètres de profondeur d’eau dont la température avoisine les 40°C – ce qui, là encore, est relativement courant – cette eau peut directement être utilisée pour le chauffage des piscines, ou serres.

La géothermie de basse-énergie utilise de l’eau pompée en profondeur (>1000m) et dont la température avoisine 80°C pour le chauffage collectif. Le cas du bassin parisien, dont les aquifères profonds permettent de chauffer des immeubles de villes.

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Les sources thermales y figurent essentiellement dans les chaînes de montagnes (notamment les Alpes, les Pyrénées et le Massif Central). C’est en effet dans ces zones que les failles ont permis à l’eau de pluie (eau météorique) de pénétrer profondément dans la croûte puis de remonter une fois réchauffée. Au cœur des grands bassins, des aquifères continus profonds ont des températures relativement élevées (<70°C). Enfin, les départements et régions d’outre-mer ont un immense potentiel géothermique avec un gisement de vapeur en Guadeloupe (Bouillante, que nous détaillerons par la suite) et de nombreux sites géothermiques en cours d’étude en Martinique, à la Réunion et en Guadeloupe. C’est essentiellement le contexte géodynamique (subduction pour la Guadeloupe et la Martinique et Point chaud pour la Réunion) qui est à l’origine des ressources géothermiques de la France d’outre-mer.

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La géothermie profonde utilise l’extraction d’eau chaude du sous-sol par un ou plusieurs puits profonds (~5000 m). Cette eau est transformée en vapeur par un échangeur thermique, et la vapeur est utilisée pour entrainer une turbine qui produit de l’électricité. L’eau refroidie est alors réinjectée en profondeur. En France, cette technique a été testée à Soultz-sous-Forêts, en Alsace où une remontée du Moho entraine un gradient géothermique élevé. Même s’il s’agit là de l’exploitation d’une ressource naturelle renouvelable et gratuite aux premiers abords, le pompage de l’eau et le processus de transformation de l’eau en vapeur par échangeur thermique entrainent des surcoûts qui font que cette énergie est assez chère (en 2015, date prévue de l’exploitation du site, le kW/h produit à Soultz-sous-Forêts avoisinera les 8 cents d’euro contre ~4 cents pour un kW/h produit actuellement grâce au charbon, au nucléaire, au gaz ou à l’éolien). Cette ressource ne deviendra véritablement compétitive que lorsque le prix des matières énergétiques aura augmenté.

Localisation de Soultz-sous-Forêts sur la carte des profondeurs du Moho

Pour la géothermie de haute-énergie, ce n’est pas de l’eau chaude mais directement de la vapeur qui est utilisée pour produire de l’électricité. Le seul exemple français est le site de Bouillante.

http://unt.unice.fr/uved/bouillante/cours/ii.-etude-de-cas-la-centrale-geothermique-de-bouillante-en-guadeloupe/1.-contexte-geologique-particulier-du-site-de-bouillante/1.4-le-systeme-de-bouillante-un-systeme-epithermal.html

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