Sujet corrigé : La Terre est souvent considérée comme une machine thermique

8/16/2019 Sujet corrigé : La Terre est souvent considérée comme une machine thermique.

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Sujet : La Terre est souvent considérée comme une machine thermique.

Après avoir précisé l’origine de l’énergie interne du globe terrestre et les différentes manifestations en

surface de la libération de cette énergie, vous expliquerez comment l’Homme peut en tirer parti dans le

cadre d’un approvisionnement énergétique durable.

Un schéma explicatif (au minimum) est attendu.

Introduction :

À la surface de la Terre, deux sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine sont disponibles : l'énergie

solaire et l'énergie géothermique. On s’intéresse ici au cas de l’énergie géothermique.

La Terre est souvent considérée comme une machine thermique, c’est-à-dire qu’elle va transformer de

l’énergie thermique en énergie mécanique, et c’est cela qui constitue le moteur de la tectonique des plaques.

Bien que représentant une puissance nettement plus faible que l’énergie solaire, cette énergie, lorsqu’elle se

manifeste en surface, peut s’avérer une ressource intéressante pour l’Homme.

Quelles sont les origines et les manifestations de cette énergie interne ? Comment l’Homme peut-il en tirer

parti dans le cadre d’un approvisionnement énergétique durable ?Nous répondrons à ces questions en étudiant tout d’abord les origines de l’énergie interne de la Terre, puis

nous aborderons les manifestations en surface de la libération de cette énergie. Enfin nous verrons comment

l’Homme peut utiliser l’énergie géothermique dans le cadre d’un développement durable.

I)

Origines de l’énergie interne de la Terre

A) La désintégration radioactive d’éléments contenus dans la croûte et le manteau, source

principale de l’énergie géothermique -Cas de l’uranium 238, du thorium 232 et du potassium 40.

-La désintégration radioactive de ces éléments libère de l’énergie sous forme de chaleur.

-Ces éléments sont plus concentrés dans la croûte que dans le manteau, mais l’enveloppe du manteau est

beaucoup plus épaisse que la croûte donc la majorité de l’énergie provient du manteau.

B) La chaleur de cristallisation du noyau interne

-Le noyau interne est solide (on parle de graine) et le noyau externe est liquide, or on observe qu’une partie du

noyau externe se solidifie.

-Le passage de l’état liquide à l’état solide libère de la chaleur, on parle de réaction exothermique (c’est l’inverse

d’une réaction de fusion - passage de l’état solide à l’état liquide- ou au contraire le milieu doit apporter del’énergie).

C) La dissipation de la chaleur primitive de la Terre

Lors de l’accrétion de la Terre, il y a 4.5 milliards d’années, il y avait un nuage de poussière et de gaz (la

nébuleuse solaire) et sous l’effet de la gravité, ces poussières et ces gaz se sont agglomérés, c’est ce qu’on

appelle l’accrétion. Cette énergie gravitationnelle a ensuite été convertie en énergie thermique, toujours

présente.

Transition : Cette énergie issue de l’intérieur de la Terre se traduit en surface par de nombreuses

manifestations : geysers, sources hydrothermales mais aussi éruptions volcaniques.

Quels sont les mécanismes susceptibles de transférer cette énergie interne du globe vers la surface et

comment ces manifestations se répartissent-elle à la surface de la Terre ?


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II) Manifestations en surface de la libération de cette énergie

A) Modalités du transfert d’énergie des profondeurs de la Terre vers la surface

-La conduction et la convection représentent les deux modes de transfert de la chaleur depuis la profondeur versla surface.

1) La convection

-La convection est un transfert avec des déplacements de matière qui s'organisent en cellules de convection. C'est

d'une part un moyen très efficace pour véhiculer de l'énergie thermique, d'autre part le moteur du déplacementdes plaques lithosphériques.-Ce mode de transfert engendre ainsi un faible gradient thermique entre la profondeur et la surface desenveloppes concernées.-Les données de la tomographie sismique suggèrent que ce mode de transfert a lieu essentiellement dansl’asthénosphère, le manteau inférieur et le noyau externe.

2) La conduction

-La conduction, en revanche, est un transfert de chaleur qui se réalise de proche en proche sans déplacement dematière.- C’est un transfert peu efficace qui engendre un fort gradient thermique entre la profondeur et la surface des

enveloppes concernées.- On retrouve ce mode de transfert dans la lithosphère et dans la zone de limite entre le noyau externe et lemanteau.

B) Une inégale répartition du flux géothermique à la surface de la lithosphère

-Suite au transfert de l’énergie géothermique des profondeurs vers la surface, cette énergie peut être libérée

en surface. Le flux géothermique permet d’évaluer ce transfert.

- Le flux géothermique correspond à la dissipation permanente d'énergie interne à la surface du globe. Il

dépend du gradient géothermique mais aussi de la nature des roches, et donc de leur conductivité thermique.

Sa valeur moyenne est de 65 mW/m2.

-Le gradient géothermique mesure l'augmentation de température lorsque l'on s'enfonce dans le sous-sol. Sa

valeur moyenne est de 30 °C par kilomètre.

-Le flux géothermique varie selon le contexte géologique : il est particulièrement élevé-au niveau des dorsales océaniques (exemple de l’Islande située sur la dorsale médio-atlantique),-dans les régions situées à l’aplomb d’un point chaud (exemple du site de Yellowstone aux Etats-Uniset de l’Islande),-au niveau des arcs volcaniques associés aux zones de subduction (exemple des Philippines=limite deplaque entre la plaque des philippines et la plaque eurasienne où il y a plongée de la plaque desphilippines sous la plaque eurasienne),-dans une moindre mesure, dans les bassins d'effondrement (= zones de rift continental) (exemple de

l’Alsace).

Schéma : La Terre : une machine thermique - voir annexe 1-

Transition : Le flux géothermique qui traverse la lithosphère en provenance de l’intérieur de la Terre constitueune ressource énergétique utilisable par l’Homme.


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III) Utilisation de l’énergie géothermique par l’Homme et développement durable L’énergie géothermique utilisable est variable d’un endroit à l’autre, en rapport avec l’hétérogénéité du fluxgéothermique qu’on a évoquée dans la partie précédente. Les zones favorables aux exploitationsgéothermiques, dites à fort potentiel géothermique, sont donc les zones d’arcs volcaniques associés aux zonesde subduction, les zones de point chaud et les zones de rifting.

A) L’utilisation de la géothermie à des fins de chauffage

La géothermie « basse énergie » récupère de l'énergie thermique à faible profondeur dans le sol ou le sous-sol

à des fins de chauffage :-via des pompes à chaleur pour le chauffage individuel (énergie captée à quelques dizaines de mètres de

profondeur),

- en récupérant l’énergie contenue dans des aquifères (nappes d’eau souterraines) dont la température est

comprise entre 30°C et 100°C. Cette énergie est utilisée pour le chauffage urbain (énergie captée à plusieurs

centaines ou milliers de mètres de profondeur)- Exemple de la centrale géothermique de Chevilly Larue-

B) L’utilisation de la géothermie pour la production d’électricité

-La géothermie « haute énergie », c’est-à-dire dans des régions où le flux géothermique est élevé, utilise

directement les fluides très chauds afin de produire de l'électricité.

-Par exemple dans la centrale de Bouillante en Guadeloupe, des forages permettent de récupérer de la vapeurd’eau bouillante (d’où le nom de la station hydrothermale) qui jaillit avec suffisamment de pression pour

alimenter une turbine.

C) Utilisation de la géothermie dans la cadre d’un approvisionnement durable

-Le prélèvement de l’énergie géothermique est infime par rapport à l'énergie interne dissipée par la Terre, on

peut donc considérer que cette énergie est une ressource inépuisable à l'échelle humaine (à noter qu’on ne

compte pas dans ce cadre l’électricité nécessaire au fonctionnement des pompes à chaleur)

-De plus son utilisation permet une diminution des émissions de CO2 atmosphérique par rapport aux énergies

fossiles et il n’y a pas de problèmes d’évacuation ou de stockage de déchets (l’utilisation de nouveaux fluides

frigorigènes pour les pompes à chaleur a supprimé l’effet néfaste qu’avait la génération précédente sur la

couche d’ozone).

-Néanmoins, le temps nécessaire à la construction des installations géothermiques (environ 5 ans) et le coût

associé expliquent que certaines régions géologiques favorables à la géothermie ne tirent pas parti de cette

ressource.

- Au niveau mondial, la géothermie représente moins de 3% de la production d’électricité et en France moinsde 0.1 %. En termes de chauffage, seul 3% de la production française de chaleur d’origine renouvelable est dûà la géothermie. Du fait de l’inégale répartition des ressources, la géothermie haute énergie, qui permet laproduction d’électricité, n’est pas partout disponible. Par contre la géothermie basse énergie, qui permet lechauffage devrait pouvoir être beaucoup plus développée partout. Dans ses deux applications majeures, lagéothermie est encore aujourd’hui marginale, loin derrière les énergies fossiles et d'autres énergies

renouvelables telles que l'hydroélectricité, le solaire photovoltaïque ou encore l'éolien.

Schéma : La Terre : Les hommes utilisent l’énergie interne du globe -voir annexe 2-

Conclusion :

On a donc vu que l’origine de la géothermie était principalement liée à la désintégration radioactive

d’éléments chimiques contenus dans le manteau terrestre. Cette énergie d’origine profonde va être libérée en

surface grâce à la convection et à la conduction. On observe cependant que ses manifestations sont

inégalement réparties à la surface du globe, en effet au niveau des dorsales, des zones d’arcs volcaniques et

des zones de rift, on observe un flux géothermique plus élevé qu’ailleurs. En résulte une inégale répartition

des ressources énergétiques à la surface de la Terre. On a vu aussi que la géothermie a comme énorme

avantage d’être une ressource énergétique à la fois quasi-inépuisable, omniprésente, stable et propre. En celal’énergie géothermique apparait comme une alternative prometteuse face aux énergies fossiles et si les

technologies du futur permettent de diminuer les coûts liés aux installations géothermiques, la géothermie

pourrait bien s’imposer dans le cadre d’un approvisionnement énergétique durable.

http://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydroelectricitehttp://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/solaire-photovoltaiquehttp://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/energie-eoliennehttp://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/energie-eoliennehttp://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/solaire-photovoltaiquehttp://www.connaissancedesenergies.org/fiche-pedagogique/hydroelectricite


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Annexe 1 :

Annexe 2 :

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