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Géothermie et propriétés thermiques de la Terre

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Introduction :

L’énergie utilisée actuellement est généralement issue de la combustion d’énergies fossiles. Cette énergie fossile, comme le charbon, le gaz ou le pétrole, à mis des millions d’années à se former. Néanmoins, notre consommation est beaucoup trop importante et ne laisse pas le temps aux stocks de se reconstituer. En plus, la combustion d’énergie fossile entraîne la libération de CO2\text{CO}_22 dans l’atmosphère et une augmentation de l’effet de serre.

La France est aussi une grande consommatrice d’énergie nucléaire. Cette énergie pose problème quant au devenir des déchets à long terme et suscite des interrogations par rapport aux risques de sécurité.

On s’intéresse alors à d’autres filières, dites d’énergie renouvelable, c’est-à-dire que leur renouvellement est assez rapide pour qu’elles soient considérées comme inépuisables à une échelle de temps humaine. Ces énergies sont par exemple l’éolien, l’énergie solaire, l’énergie hydraulique et la géothermie. Dans ce cours, nous allons nous intéresser à cette énergie qu’est la géothermie.

Nous commencerons par nous intéresser au transfert de l’énergie thermique au sein de la planète. Nous verrons ensuite où en est l’exploitation de l’énergie géothermique en France.

Le transfert d’énergie thermique au sein de la planète

La planète Terre regorge d’énergie. Il y a des manifestations visibles à la surface comme les volcans, les geysers ou les sources chaudes par exemple. D’ailleurs, déjà dans la Rome antique ces sources chaudes étaient utilisées.

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Définition

Énergie géothermique :

L’énergie géothermique correspond pour 80 % à l’énergie libérée par la désintégration des éléments radioactifs contenus dans le noyau et dans les roches.

Les trois éléments qui se désintègrent sont l’uranium, le thorium et le potassium. Une partie de l’énergie thermique interne de la Terre provient de la chaleur primitive de la planète qui se dégage du noyau.

Les ondes sismiques permettent de repérer exactement les zones chaudes de la Terre. Les ondes primaires, appelées ondes P augmentent leur vitesse avec la rigidité de la roche traversée. Étant donné que la rigidité dépend de la température, on a pu mettre en évidence le potentiel géothermique de la Terre.

  • Plus les ondes P se déplacent lentement, plus les matériaux traversés sont chauds alors que plus la vitesse des ondes P est rapide, plus les matériaux traversés sont froids.
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Définition

Potentiel géothermique :

Le potentiel géothermique correspond à la quantité d’énergie géothermique émise par unité de surface et de temps.

On retrouve de forts flux géothermiques au niveau des zones de volcanisme de subduction, de volcanisme de points chauds et au niveau des rifts.

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Définition

Rift :

Un rift est une zone où la croûte terrestre s’amincit et forme un fossé d’effondrement sous l’action de forces d’étirement.

  • Par opposition, dans les zones où la lithosphère froide plonge dans l’asthénosphère, les flux géothermiques sont faibles.
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À retenir

L’énergie interne se dissipe selon deux modalités : la conduction et la convection.

Le transfert de chaleur par conduction se passe entre des corps qui sont supposés non déformables. La chaleur va alors se diffuser de proche en proche sans qu’il y ait de déplacement de la matière.

Pour ce faire, il faut que les corps soient en contact. Pour que la diffusion par conduction soit optimale, les roches doivent être de bonne conductrices, c’est-à-dire qu’il faut que la roche laisse passer l’énergie thermique. Les roches du manteau n’étant pas assez conductrices pour expliquer les flux de chaleur observés, on admet que le transfert de chaleur par conduction n’est pas le phénomène le plus répandu.

Schéma de la convection Schéma de la convection

Contrairement à la conduction, la convection entraîne la mise en mouvement de la matière. Ce schéma montre que l’énergie thermique est transférée de la profondeur de la Terre vers la surface par un mouvement de matière. Ce mouvement est possible car les matériaux changent de densité. En chauffant, des matériaux vont avoir une densité diminuée. Ces matériaux vont alors remonter en surface. Au contraire, les matériaux froids de la surface vont descendre.

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Astuce

Ce mode de transmission de l’énergie thermique est possible dans des matériaux visqueux. C’est pour cela qu’on retrouve ce mode de transmission essentiellement dans le manteau visqueux et non dans la lithosphère qui est solide.

Graphique de variation de la température en profondeur Graphique de variation de la température en profondeur

Ce graphique montre que plus on descend en profondeur, plus la température augmente. La variation de température en fonction de la profondeur est le gradient géothermique.

  • Dans la lithosphère, le gradient est plus fort, c’est-à-dire qu’il augmente très rapidement.
  • Dans l’asthénosphère et le manteau supérieur, le gradient est plus faible.

La Terre, machine thermique

La Terre est une machine thermique car elle permet de transformer une énergie sous forme de chaleur en énergie sous forme mécanique. La chaleur produite par la dégradation radioactive des roches est dissipée et va mettre en mouvement le manteau.

Avec le temps, la lithosphère océanique se refroidit, ce qui entraine un épaississement au dépends du manteau asthénosphérique qui se transforme en manteau lithosphérique. L’équilibre isostatique va donc se rompre et la plaque lithosphérique océanique entre en subduction.
Cela entraîne un phénomène de métamorphisme au niveau des roches de la croûte, ce qui accentue la subduction. La force de traction exercée par la lithosphère en subduction constitue un des moteurs de la subduction.

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À retenir

La plaque lithosphérique froide qui s’enfonce dans le manteau correspond aux mouvements descendants du phénomène de convection.

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Définition

Tomographie sismique :

La tomographie sismique est l’étude des ondes sismiques lors d’un tremblement de terre. Elle permet de repérer les changements de vitesse d’une onde et ainsi de déduire la température des couches traversées. Quand une onde met plus de temps à traverser une couche on peut supposer qu'il s’agit d’un point chaud, une zone à forte activité magmatique.

Ces points chauds se situent à l’aplomb d’un panache mantellique, en d’autres termes sous les volcans. Les points chauds correspondent aux mouvements ascendants du phénomène de convection.

L’exploitation de l’énergie géothermique en France

En France, l’énergie géothermique peut se situer dans les bassins sédimentaires, les rifts et les zones de volcanisme récentes, c’est-à-dire de moins de 30 millions d’années.

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À retenir

En fonction des zones géologiques, l’utilisation de l’énergie géothermique est différente.

Carte de France de l’exploitation géothermique Carte de France de l’exploitation géothermique

Dans les bassins sédimentaires comme le bassin parisien, l’énergie géothermique est utilisée pour le chauffage collectif. L’eau chaude est puisée dans les aquifères et elle est directement utilisée dans les systèmes de chauffage collectif. Cette eau est à une température comprise entre 56°C et 85°C.

En Guadeloupe, dans une zone de volcanisme récent, l’énergie géothermique est utilisée pour la production d’électricité. La centrale électrique de Bouillante est la première installation électrique utilisant l’énergie géothermique. L’eau à 250°C est captée à 1000 mètres de profondeur. Au cours de sa remontée, elle se transforme en vapeur d’eau qui fait tourner la turbine et produit ainsi de l’électricité.

  • Cette électricité couvre 7 % des besoins électriques de la Guadeloupe.

Il reste beaucoup de rift et de zones de volcanisme récents en France qui représentent un potentiel géothermique pas encore exploité.

​Conclusion :

Les énergies les plus consommées en France sont les énergies fossiles et le nucléaire. Les énergies renouvelables, comme la géothermie, présentent un potentiel certain. Cependant, en France et dans le reste du monde, l’énergie géothermique est encore peu exploitée.

L’énergie géothermique correspond principalement à l’énergie libérée par la désintégration des éléments radioactifs contenus dans le noyau et dans les roches. Une partie de l’énergie thermique interne de la Terre provient de la chaleur primitive de la planète qui se dégage du noyau.

Cette énergie se propage par conduction dans la lithosphère où les matériaux sont peu déformables et par convection dans le manteau. La subduction correspond au flux de matière descendant et les panaches mantelliques aux flux de matière ascendants. On peut dire que la Terre est une machine thermique car elle permet de transformer une énergie qui est sous forme de chaleur en énergie sous forme mécanique.