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Le contexte géodynamique de la géothermie (tâche complexe)

samedi 14 juillet 2012, par Laurence Lossouarn

LIAISON AVEC LE PROGRAMME
Niveau concerné TS obligatoire
Partie du programme : Géothermie et propriétés thermiques de la Terre
PLACE DANS LA PROGRESSION
En fin de thème : activité "bilan"
PROBLEME A RESOUDRE
Comprendre le contexte géodynamique du site de Soultz-Sous-Forêts permettant d’exploiter des ressources géothermiques profondes et réaliser une modélisation du phénomène géologique responsable de ce contexte.
NOTIONS, COMPETENCES
Notions
-  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.
-  Deux mécanismes de transfert thermique existent dans la Terre : la convection et la conduction. Le transfert par convection est beaucoup plus efficace.
-  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 infime partie de ce qui est dissipé.
Compétences
-  Observer et organiser les informations.
-  Réaliser, manipuler, appliquer des consignes.
-  Raisonner, argumenter, démontrer.
-  Communiquer à l’aide de langages ou d’outils scientifiques ou technologiques
ACTIVITE
Durée : 2h Coût : quelques euros (amidon, colorants alimentaires) Sécurité : utilisation de matériel de chauffage
  • Matériel et ressources :
    1. Diaporama : Soulz_ressources
    PDF - 454.9 ko

2. Fichier : Fosse-Rhenan-tache-complexe.kmz

Google Earth Placemark File - 265.2 ko
fosse_rhenan_tache_complexe

Utilisable avec Google Earth ; d’après un dossier réalisé par Nathalie PAJON-PERRAULT pour l’INRP - Eduterre Usages et comprenant les vidéos :

3. les processus d’échanges de chaleur

La chaleur d’un système passe des régions les plus chaudes aux plus froides selon trois modes :
  • a) par rayonnement : c’est ainsi que le Soleil nous transmet sa chaleur. Le processus n’agit que sur les milieux transparents (atmosphère, hydrosphère…).
  • b) par conduction : la chaleur se propage par contact, sans aucun déplacement de matière. Ce processus agit indépendamment de la viscosité du milieu ou de sa transparence.
  • c) par convection : c’est ainsi que l’air chaud, peu dense, s’élève dans l’atmosphère. Ce mécanisme, beaucoup plus efficace, transfère de la chaleur en transportant de la matière.

4. Matériel destiné à la construction du modèle analogique :
-  un bécher en pyrex, un erlenmeyer, un entonnoir,
-  potence avec pince de serrage,
-  thermoplongeur,
-  liquide coloré de densité d1, (solution d’empois d’amidon à 5% plus colorant alimentaire)
-  liquide non coloré de densité d2 (solution d’empois d’amidon à 2%),
-  glace pilée.

  • Déroulement de l’activité :
    • la situation-problème : situation déclenchante pour introduire le thème de la situation
La géothermie profonde, une alternative au nucléaire et au gaz de schiste

Le Monde.fr - 27.06.2011 à 09h10 • Mis à jour le 13.03.2012 à 09h05 Par Jean Molénat, ingénieur et docteur en sciences

…/… De nombreux incidents ou accidents jalonnent l’utilisation de l’énergie atomique. …/… Quant au gaz de schiste, étant donné la multitude de produits toxiques qu’il faut utiliser pour fracturer les roches, il a causé d’énormes dégâts dans l’environnement des forages…/… Jusqu’à maintenant, de toutes les énergies disponibles, la géothermie profonde, alors qu’elle est particulièrement abondante, fait figure de parent pauvre. C’est dans le nord de l’Alsace que notre pays s’investit dans cette énergie. Les forages y ont une profondeur de près de 5 km pour atteindre des eaux qui ont une température de près de 200°C. A cette température et à cause de la pression de 300 bar, l’eau ne bout pas. Elle ne se mettra à bouillir qu’en se rapprochant de la surface. Elle peut alors servir à faire tourner les turbines d’une centrale électrique. Situé sur une faille géologique, le nord de l’Alsace fait partie des zones privilégiées pour lesquelles on trouve assez rapidement des températures élevées. Font aussi partie de ces zones privilégiées, les zones volcaniques. C’est ainsi qu’avec leurs centrales géothermiques, l’Islande et d’autres pays profitent de la chaleur souterraine amenée par les volcans. La géothermie peut présenter un espoir sérieux pour mieux maîtriser le grave problème du réchauffement climatique en diminuant la consommation des carburants fossiles. Une généralisation de la géothermie profonde et une limitation de la gloutonnerie énergétique du système actuel, permettraient d’établir avec l’ensemble des énergies renouvelables une économie plus stable, plus sociale et moins sujette à des crises car moins dépendante des spéculateurs.

En tant que géologue, vous devez présenter, lors d’une fête de la science, à des élèves de Collège, le projet de production d’électricité par géothermie profonde de Soultz-Sous-Forêts.

    • le(s) consigne(s) donnée(s) à l’élève  : la(les) question(s) à poser et indication de la forme de la production attendue.

Après avoir présenté le principe de la géothermie profonde et le contexte géodynamique du site de Soultz-Sous-Forêts justifiant son choix, vous réaliserez une modélisation du phénomène géologique responsable de ce contexte et vous choisirez un mode de représentation du résultat .

    • les aides ou « coup de pouce » :
  • aide à la démarche de résolution :
    - Choix des documents à exploiter
    - Méthodologie de conception modèle analogique
  • apport de savoir-faire : étapes protocole
EVALUATIONS POSSIBLES
Pratiquer une démarche scientifique ou technologiqueles capacités à évaluer en situationles indicateurs de réussite

-  Observer et organiser les informations.
SAISIE D’INFORMATIONS
La maîtrise des TICE
-  Utiliser les logiciels et les services à disposition
-  Faire preuve d’esprit critique face à l’information et à son traitement
-  Différencier une situation simulée ou modélisée d’une situation réelle
-  Consulter des bases de données documentaires
-  Identifier, trier et évaluer des ressources
-  Chercher et sélectionner l’information demandée
Les attitudes
-  Être autonome dans son travail : savoir l’organiser, le planifier, l’anticiper, rechercher et sélectionner des informations utiles
-  Identifier ses points forts et ses points faibles dans des situations variées
-  faire preuve d’initiative
-  S’intégrer et coopérer dans un projet collectif
-  Manifester curiosité, créativité, motivation
-  Assumer des rôles, prendre des initiatives et des décisions

-  Réaliser, manipuler, appliquer des consignes.
-  Raisonner, argumenter, démontrer.
MODELISATION ANALOGIQUE
La réalité à modéliser
-  identifier le phénomène à étudier
-  identifier un facteur agissant sur le phénomène à étudier
-  déterminer le paramètre observable
Conception du modèle
-  Exprimer le but du modèle
-  Présenter les analogies entre le modèle et la réalité
-  Proposer un témoin
-  Exprimer les observations attendues si l’hypothèse est vraie
Mise en œuvre du modèle
-  Utilisation maîtrisée des matériels et des produits
-  Respect des règles de sécurité
Exploitation des résultats obtenus
-  saisie d’information
-  déductions
Comparaison à la réalité
-  Saisie d’informations
-  Déduction
-  Conclusion sur la modélisation
-  Utilisation des résultats pour répondre à la problématique
-  Citrique du modèle, propositions d’améliorations

-  Communiquer à l’aide de langages ou d’outils scientifiques ou technologiques
COMMUNICATION SCIENTIFIQUE AU CHOIX
TICE
-  Saisir et mettre en page un texte
-  Traiter une image, un son ou une vidéo
-  Organiser la composition du document, prévoir sa présentation en fonction de sa destination
Schéma fonctionnel
-  Choisir les éléments du schéma et les symboles de représentation (phénomènes, structures, relations dynamiques)
-  Disposer logiquement les éléments du schéma (en interaction, en cohérence avec la réalité, dynamique respectée)
-  Soigner le schéma (mots scientifiques corrects, symboles explicités, traits de rappel tracés à la règle, calligraphie soignée, mise en page équilibrée)
-  Formuler un titre qui rend compte de la schématisation fonctionnelle et du phénomène schématisé
Oral • Avoir une bonne élocution, un bon débit une bonne tonalité et un bon volume • Utiliser un registre de langue adapté, pas trop familier • Utiliser des supports de présentation • Bien se positionner et utiliser l’espace • Avoir une attitude générale investie et non inerte, pas trop décontractée, stress géré • Respecter le temps imparti
LES RÉPONSES ATTENDUES
Principe de la géothermie profonde la température des roches fracturées à grande profondeur permet, à partir d’eau d’infiltration naturelle ou d’eau injectée, de produire de la vapeur pour alimenter une centrale électrique.
Contexte géodynamique du site de Soultz-Sous-Forêts
-  roche fracturées : failles normales de zone de divergence
-  température des roches du sous-sol élevée :
-  gradient géothermique plus élevé que la normale
-  remontée de Moho donc remontée asthénosphérique associée à un transfert de chaleur par conduction dans la LC
Modèle analogique expliquant la remontée asthénosphérique La réalité à modéliser
-  les mouvements de convection du manteau
-  la chaleur interne du manteau
-  mouvements de matière colorée
Conception du modèle
-  le modèle doit permettre de montrer que pour évacuer sa chaleur interne, le manteau convecte
-  Présenter les analogies entre le modèle et la réalité
JPEG - 26 ko

-  Pas de chauffage
-  Exprimer les observations attendues si l’hypothèse est vraie

Mise en œuvre du modèle
JPEG - 44.5 ko
geo3.jpj
schéma du modèle analogique
Exploitation des résultats obtenus
- lorsque le fluide de densité d1 est chauffé, il devient moins dense que le fluide de densité d2 et remonte vers la surface = mouvement de convection ascendant.
Comparaison à la réalité
-  Sous le fossé rhénan, le Moho remonte, soumis à une remontée de l’asthénosphère sous-jacente, entraînant un flux de chaleur plus intense que la normale dans la LC
-  La modélisation permet de montrer que pour évacuer sa chaleur interne, un fluide convecte, avec des mouvements verticaux de fluide plus chaud.
-  La remontée asthénosphérique sous le fossé rhénan serait due aux mouvements de convection du manteau qui évacue sa chaleur interne
-  Critique du modèle, propositions d’améliorations

Laurence Lossouarn, Marie Defour



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