A la surface de la Terre, des sources d’énergie inépuisables à l’échelle humaine sont disponibles : l’énergie solaire, hydrolienne, éolienne et l’énergie géothermique. Cette dernière provenant de l’intérieur du globe, constitue le moteur de la tectonique des plaques. De nombreuses manifestations à la surface du globe attestent de la présence de matériaux chauds en profondeur : sources hydrothermales, des éruptions volcaniques, l’augmentation de la température avec la profondeur dans les mines.

Bien que représentant une puissance disponible des milliers de fois plus faible que l’énergie solaire, elle peut s’avérer être une ressource intéressante pour subvenir aux besoins des populations humaines.

Comment exploite-t-on l’énergie géothermique ? Quelle en est son origine ?

L’énergie géothermique chauffe les sols et les fluides qui peuvent y circuler. L’Homme extrait  ces fluides pour exploiter cette énergie de deux manières :

• Utilisation directe de la chaleur appelée géothermie de basse et moyenne énergie en chauffage collectif principalement
• Conversion de la chaleur en électricité appelée géothermie de haute énergie.
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Pour la production de chaleur ( chauffage individuel et collectif), on peut capter l’énergie de deux manières :

• à quelques mètres ou dizaines de mètres de profondeur grâce à des pompes à chaleur pour les besoins du chauffage individuel.
• Grâce à des prélèvements d’eau dans un aquifère, nappe d’eau sous-terraine permanente située entre quelques centaines et plusieurs milliers de mètres de profondeur et dont la température est comprise entre 30 et 100°C pour le chauffage urbain. 

Pour produire de l’électricité, des centrales géothermiques ont construites dans des zones de subduction, de dorsales ou de points chauds :

• dans le cas de Bouillante, en Guadeloupe, ile d’un arc volcanique,  l’eau sous forme de vapeur jaillit avec suffisamment de pression pour alimenter une turbine. 

• A Soultz-sous-forêts dans le fossé rhénan (rift), des forage sont été réalisés à 5000 mètres de profondeur, assez proches l’un de l’autre, et la roche a été fracturée entre eux. De l’eau est injectée dans le sous-sol par un des forages et récupérée dans l’autre à une température d’environ 200°C, en cycle permanent.  

La France dispose d’un potentiel certain pour le chauffage. Pour l’instant, l’électricité  d’origine géothermique, ne représente qu’une très faible fraction de l’électricité consommée. 

Le gradient géothermique est l’élévation de température avec la profondeur (moyenne 30°C/km) .

Le flux géothermique mesuré en watts.m^-2 correspond à la dissipation d’énergie provenant des profondeurs de la Terre et traversant une surface donnée en un temps donné. Il permet d’évaluer le transfert de chaleur de la profondeur vers la surface. Il dépend de la conductivité thermique des roches ; sa valeur moyenne est de 65mW.m^-2. 95% de la libération d ‘énergie interne est ainsi dissipée de façon diffuse, les 5 % restants correspondent à des évènements localisé et brefs (séismes et éruptions volcanique).

Le flux géothermique  est plus élevé dans les dorsales océaniques, les arcs volcaniques liés à la subduction et les points chauds. En revanche, il est faible au niveau des zones stables (plateau continental et plaines abyssales) de même qu’au niveau des fosses associées à la subduction. Sur les continents, il est élevé dans les régions volcaniques et dans certains bassins sédimentaires où la croute est amincie comme en Alsace, en Limagne ou en Bresse.

La chaleur de la Terre provient (à 90%) de la désintégration naturelle des isotopes radioactifs de l’uranium (U 238 et 235), thorium ( 232th) et potassium (40K). Le noyau atomique instable de ces isotopes se fragmente spontanément en libérant un rayonnement et de l’énergie thermique. Même si le manteau est moins concentré en isotopes que la croute terrestre, sa masse énorme lui permet de jouer un rôle prépondérant dans la production d’énergie interne. 

La conduction correspond à un transfert de chaleur de proche en proche : il n’y a pas de déplacement de matière. L’échange thermique entre une région chaude et une région voisine plus froide se matérialise pas un fort gradient thermique (par ex, dans la croute, 30° km^-1) l’efficacité de ce transfert dépend de la conductivité du matériau. 

La convection, correspond à un transfert de chaleur avec un déplacement de matériau qui conserve sa température (le gradient thermique est alors très faible, de 0.3°C.km^-1 dans le manteau). Ce mécanisme très efficace, se met en place lorsqu’un matériau chaud et peu dense est surmonté par un matériau froid et plus dense : la matière chaude a tendance à s’élever et à terme, à se refroidir. Des cellules de convection s’organisent alors.

Ces cellules de convection sont repérables par tomographie sismique. C’est la dissipation d’énergie interne du globe qui fait « bouger » les plaques : la lithosphère subduite froide et descendante exerce une traction sur le reste de la plaque contribuant au niveau de la dorsale, à la divergence des plaques et à la remontée passive de matériau mantellique chaud peu profond. La fusion partielle de ce manteau produit du magma dont le refroidissement crée une nouvelle lithosphère. La Terre est « une machine thermique » 

De part et d’autre de cette zone convective existe deux couches où règne la conduction : la lithosphère et l’interface noyau/manteau. C’est la conduction à travers la lithosphère qui est responsable du flux géothermique mesuré. Ainsi, l’énergie interne est efficacement transférée par convection de la profondeur vers la surface puis dissipée par conduction à travers la lithosphère. Le globe terrestre se refroidit ainsi très progressivement 

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Fiche revision 2a chapitre 9 (753.29 Ko)