Géothermie E-Book

Encyclopaedia Universalis

• Herausgeber: Encyclopaedia Universalis
• Kategorie: Bildung
• Sprache: Französisch

Seitenzahl: 68

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

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. Abstraction faite ...

Leseprobe

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ISBN : 9782341003629

© Encyclopædia Universalis France, 2016. Tous droits réservés.

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Géothermie

Introduction

Surle 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.

Abstraction faite des variations thermiques d’origine externe, qui affectent, selon leur périodicité, quelques mètres ou quelques dizaines de mètres d’épaisseur, la température du sol augmente 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. La connaissance du flux géothermique, proportionnel au gradient et à la conduction des roches traversées, est encore très imparfaite à cause de la difficulté des mesures, et surtout des perturbations apportées à la distribution des températures par la circulation des eaux souterraines, qui transportent la chaleur, concurremment avec la conduction dans le solide.

Ces perturbations sont en elles-mêmes extrêmement intéressantes à connaître, car elles fournissent généralement les systèmes géologiques les plus favorables à des exploitations industrielles.

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.

Le flux géothermique est généralement beaucoup trop faible pour être utilisé directement – sauf lorsqu’il se trouve concentré dans une source thermale ou une chambre magmatique superficielle avec son système hydrothermal associé. Dans les sites géothermiques de « haute température », dits de « haute enthalpie », on exploite des systèmes convectifs.

Sous le nom d’« énergie géothermique », on exploite, selon différentes modalités, la chaleur sensible de masses rocheuses par l’intermédiaire d’une circulation d’eau – parfois de vapeur. Ce n’est donc pas une énergie renouvelable lorsque l’on exploite des sites conductifs. Mais les sites favorables de ce type sont très abondants, et il sera possible de déplacer en profondeur la zone de production pour poursuivre l’exploitation. En revanche, dans les sites convectifs des gisements de haute température, la source de chaleur est assez puissante pour équilibrer l’exploitation. Il s’agit alors d’énergie largement renouvelable.

Jean GOGUEL

Jacques VARET

La crise de l’énergie a mis en évidence, à partir des années 1970, la nécessité de diversifier l’approvisionnement énergétique. La géothermie est susceptible d’y contribuer dans un grand nombre de pays, de manière plus ou moins significative selon les ressources et la demande. En effet, selon les cas, la géothermie peut faire l’objet de petites installations – de quelques mégawatts – assurant le ravitaillement direct en chaleur, en énergie mécanique ou électrique de communautés autonomes, comme d’installations plus vastes – dépassant la centaine de mégawatts – pour l’alimentation d’un réseau électrique interconnecté.

Selon les régions, le gradient géothermique varie de quelques degrés à quelques dizaines de degrés par cent mètres. De même, le flux de chaleur varie de quelques dizaines à quelques centaines de milliwatts par mètre carré. Ramené à la surface de la France, on peut calculer qu’il équivaut à 20 millions de tonnes équivalent pétrole (tep) par an. On estime la puissance géothermique de la Terre à 30 milliards de kilowatts, et les réserves en calories des deux premiers kilomètres de la croûte terrestre sont plusieurs milliers de fois supérieures à celles des combustibles fossiles. Reste que l’exploitation de ces ressources ne présente d’intérêt économique que dans des situations géologiques tout à fait particulières, auxquelles doivent s’ajouter des conditions de surface favorables. C’est ce qui explique la part relativement modeste de la géothermie dans le bilan énergétique mondial (moins de un pour cent) : près de 10 000 mégawatts électriques installés au début du XXIe siècle et, selon les estimations, deux fois plus de mégawatts thermiques pour usage direct de la chaleur.

L’industrie géothermique peut exploiter directement la chaleur du fluide, pour des usages thermiques, principalement le chauffage ou la production d’eau chaude sanitaire ou industrielle, ou encore la convertir en électricité. Cette dernière opération n’est possible dans des conditions économiques que si la température du fluide géothermal est suffisamment élevée. La limite entre géothermie basse énergie (production de chaleur) et géothermie haute énergie (production d’électricité) est arbitrairement fixée à 150 0C.

Jacques VARET

1. Flux géothermique

Si on fait abstraction des variations périodiques superficielles, on sait depuis longtemps que la température du sol augmente progressivement avec la profondeur. La valeur du gradient géothermique, souvent citée, de 30 mètres par degré, n’est qu’un ordre de grandeur, et il faut s’attacher à en analyser les variations. Ainsi le gradient géothermique est-il de 4 0C par 100 mètres en France en moyenne, et varie de 10 0C par 100 mètres dans le nord de l’Alsace à seulement 2 0C par 100 mètres au pied des Pyrénées.

De l’existence d’un gradient thermique résulte celle d’un flux de chaleur, proportionnel à celui-ci et au coefficient de conduction thermique de la roche. C’est la valeur de ce flux géothermique qui détermine celle du gradient.

Dans la mesure du flux géothermique et pour sa compréhension, on devra, en premier lieu, tenir compte des températures superficielles d’origine externe.

• Variations climatiques et températures superficielles

Le régime des températures extérieures du globe, dans l’hydrosphère et l’atmosphère, peut s’étudier en faisant abstraction des phénomènes internes, qui ne relèvent ces températures que de quelques centièmes de degré au plus. La météorologie et l’océanographie s’intéressent à ce régime, qui est dominé par le rayonnement reçu du Soleil (2 cal . min—1. cm—2), le rayonnement réfléchi vers l’espace et le déplacement des masses fluides, qui tendent à atténuer les contrastes de température. Notons seulement que la température moyenne du sol peut différer de la température moyenne du lieu de plusieurs degrés, selon les conditions locales : ombre, ensoleillement, possibilités de refroidissement par évaporation, etc.

La température locale du sol présente, dans le temps, des variations complexes et irrégulières, comportant une partie périodique très marquée, annuelle et diurne. La géologie, en apportant la preuve de glaciations relativement récentes (12 000 ans), fait prévoir l’existence possible de variations séculaires, c’est-à-dire d’une évolution progressive de la moyenne annuelle.

Si l’on se borne à la conduction thermique dans le solide, c’est-à-dire si l’on néglige les circulations éventuelles de fluides, on montre facilement qu’une variation périodique sinusoïdale autour de la même valeur moyenne se propage en profondeur avec une diminution exponentielle d’amplitude et un déphasage proportionnel à la racine carrée de la période. La profondeur à laquelle l’amplitude est réduite à 1/23 de sa valeur initiale, et la phase inversée, est de l’ordre de 50 centimètres pour la variation diurne et de 10 mètres pour la variation annuelle. À une profondeur double, l’amplitude est réduite au 1/500 et, partant, négligeable.

On peut donc, pour étudier les températures internes, laisser de côté les variations périodiques de la température superficielle au-delà de ces profondeurs et se borner à la moyenne annuelle. Les variations séculaires se propagent beaucoup plus loin, en s’amortissant, mais si lentement que l’effet des glaciations quaternaires doit se manifester sur un millier de mètres, sans que, faute de connaître leur histoire d’une manière assez précise, on sache en tenir compte ; inversement, le profil thermique mesuré dans un sondage, à travers une roche très homogène, telle qu’un granite ou, mieux, la glace de l’Antarctide, permettrait théoriquement, par ses écarts à la linéarité, de remonter à l’histoire des variations climatiques (fig. 1) ; mais le problème est, mathématiquement, très mal déterminé, et, malgré certaines tentatives, il ne paraît pas possible d’arriver à un résultat significatif avec cette seule méthode (les mesures isotopiques sur l’oxygène de l’eau donnent de bien meilleurs résultats).

Géothermie : incidence des variations climatiques. Incidence des variations climatiques passées sur le profil thermique mesuré (source : L. Guillou-Frottier, B.R.G.M., « Géosciences », no 3).