Soutenance mémoire
Structure interne du globe
Avant de détailler l’origine de la source de chaleur à l’intérieur du globe ou du flux de la chaleur, il est nécessaire de rappeler que la structure interne de la Terre est répartie en plusieurs enveloppes successives, dont les principales sont la croûte terrestre, le manteau et le noyau. Les sismologues utilisent les ondes sismiques et une loi (dès que la vitesse d’une onde sismique change brutalement et de façon important, il y a changement de milieu, donc de couche) pour caractériser les grandes discontinuités de la planète et de définir les grandes enveloppes de la Terre. La croûte est l’enveloppe la plus superficielle et la moins épaisse du globe terrestre, elle représente environ 1,5% du volume de la Terre. Elle est limitée à environ 30 km sous les continents mais qui peut atteindre jusqu’à 70 km sous les chaînes de montagne et 6 km sous les océans. Le manteau a une épaisseur d’environ 2 900 km, qui représente 83% du volume de la Terre. Il est constitué d’un manteau supérieur et d’un manteau inferieur. Du Moho à 150 km, le manteau supérieur s’associe à la croûte pour former la lithosphère. Toujours dans le manteau supérieur, la zone qui s’étend de 150 km à 700 km de profondeur c’est-à-dire au-dessous de la lithosphère s’appelle l’asthénosphère. Le noyau peut-être décomposé en une partie externe liquide (2 000 km) et une partie interne de graine centrale solide (1 500 km de rayon).
Origine de la géothermie L’origine de la chaleur interne du globe ont sans doute été l’accrétion et essentiellement (90%) de la désintégration d’élément radioactif (thorium, potassium, uranium) présents dans les roches et dans le noyau terrestre qui génère un flux de chaleur vers la surface. La chaleur d’accrétion correspond tout simplement à un transfert d’énergie cinétique en énergie mécanique (compression et changement de phase) et énergie calorifique. Lors des nombreux chocs de météorites au début de l’histoire de la Terre, ces processus ont pu contribuer à une immense partie de l’énergie thermique accumulée.
Gradient géothermique La chaleur interne du globe se dissipe de façon régulière vers la surface de la Terre, mais ses effets sont en général imperceptibles et son existence ne se manifeste que par une augmentation lente de la température avec la profondeur: c’est le gradient géothermique dont la valeur moyenne est de 1°C pour 30 mètres.
Flux de chaleur On déduit le flux de chaleur à partir du gradient géothermique, c’est-à-dire la quantité d’énergie (thermique) qui traverse une unité de surface par unité de temps (unité = J/s/m² ou W/m²). La loi de Fourier explique que le flux de chaleur est l’opposé du produit de la conductivité thermique des roches par le gradient de température. Le flux géothermique varie avec :
l’épaisseur de la plaque : quand la plaque est mince le flux augmente.
l’âge de la lithosphère : plus la lithosphère est jeune, plus le flux sera élevé.
la production de chaleur dans la croûte : le flux augmente avec la concentration en radioéléments.
Ce flux est de l’ordre de 0,05 W/m2 , soit environ 4 000fois moins que la valeur moyenne du fluxsolaire (200 W/m2).
Puits et circuit de production Le circuit de production représente la partie de l’installation nécessaire à la production d’eau chaude. Il est composé d’une pompe d’injection, d’un puits d’injection et de un ou deux puits de production. Entre le puits d’injection et le ou les puits de production, l’eau circule à travers un réservoir et se réchauffe au contact de la roche fissurée. La figure ci-dessous schématise un circuit de production utilisant un puits d’injection et un puits de production.
a) Les transferts de chaleur thermique dans les puits : L’eau échange de la chaleur par convection avec les parois des canalisations, qui échangent par conduction avec la terre. Pour comprendre ces phénomènes, une perte 24°C est considérée entre la température de l’eau en sortie de réservoir et la température en sortie de puits de production. De même, un gain de 24°C est considéré pour l’en entre l’entrée et la sortie du puits d’injection. L’évolution de la température de l’eau dans les puits est supposée linéaire entre l’entrée et la sortie.
b) Pertes de charge Les pertes de charge sont calculées par la relation qui suive, issu d’un rapport de la commission européenne. Cette corrélation a été développée pour des puits de forages géothermiques. Pour le puits d’injection, le débit considéré est celui qui circule à travers la pompe d’injection. En revanche, pour le puits de production le débit pris en compte est celui de la pompe diminué des pertes d’eau dans le réservoir.
c) Pompe d’injection : Pour pouvoir faire circuler l’eau à travers les puits, le réservoir et l’échangeur; il est nécessaire de compenser les pertes de charge rencontrées tout au long du circuit. Cette fonction est remplie par une pompe entrainée par un moteur électrique. Le rendement général entre la puissance électrique consommée par le moteur et l’énergie fournie à l’eau est fixé à 80%.
Géothermométrie chimique
C’est l’utilisation de la chimie des sources chaudes pour évaluer les températures souterraines qui servira de base pour l’interprétation. Sur cette étude, les géothermomètres chimiques qui ont été calibrés quantitativement et qui sont utilisés comprennent des géothermomètres silice, Na-K, NaK-Ca et Na-K-Ca-Mg. Les résultats de la géothermométrie chimique pour les eaux (eaux en équilibre avec les minéraux d’altération) indiquent des températures sous surfaces qui varient le plus souvent entre 90 et 130°C. À certains endroits, elles atteignent 150-180°C et à plusieurs endroits l’on trouve des indications de température qui dépasse 180°C et pouvant arriver éventuellement 240°C. [5] Les sources thermales apparaissent dans des formations géologiques d’âges très différents. A Antsirabe et à Itasy, dans la partie centrale de Madagascar et dans l’extrême Nord du pays, ces secteurs thermiques sont associés au volcanisme Pléistocène et à de jeunes fractures. C’est dans ces secteurs de volcanisme récent que l’on prévoit de mesurer des températures souterraines les plus élevées par la méthode de la géothermométrie chimique [9]
Contexte géothermique
Géologie Notre zone d’étude se localise sur la bordure Sud de la zone volcanique d’Ankaratra d’âge Pléistocène. Le cratère d’Ivohitra est à une distance de 10,5 km seulement du centre de village d’Antsirabe. A la surface se trouve des sédiments récents recouverts par des couches de téphra (cinérite) altérées. Le téphra a été altéré en argile, mais la structure originelle est préservée. Des sédiments argileux apparaissent au-dessous du téphra et deviennent sableux au-dessus du gneiss sous-jacent. Besairie (1959) ne fait pas mention de l’épaisseur des différentes couches. [5]
Manifestations géothermique La température de l’eau thermale à Antsirabe est de 38 à 51°C. La température à Betafo est de 57,5°C. Selon Besairie (1959) le débit total est inférieur à 8 litres/sec à l’exception des manifestations thermales au fond du lac.
Géothermométrie chimique Quatre échantillons d’eau thermale, d’eau minérale froide et un d’eau domestique ont été prélevés. La chimie des quatre eaux thermiques et celle d’eau minérale froide sont très similaires. Toutes les eaux présentent une teneur en carbonate élevée. Les échantillons d’Antsirabe ont des températures d’équilibre quartz relativement uniformes de 154-164°C à l’exception de l’eau domestique. Les températures Na-K et Na-K-Ca sont un peu plus élevées et se situent entre 208 et 244°C et 215-232°C respectivement. L’eau froide (22°C) donne les températures géothermométriques les plus élevées dans tous les cas. [4]
Variation de la température de l’air pour la semaine d’hiver la plus froide de l’année
L’écart entre la température du local chauffé et du local non chauffé peut varier entre 1°C à 3,5°C. La différence de température entre le local chauffé et la température sèche extérieure reste inférieure à 10°C. La variation de la température du local chauffé est presque stable par rapport à la température du local non chauffé qui suive la température extérieure.
INTERPRETATIONS
Nous avons choisi la semaine la plus froide de la saison hivernale et la semaine la plus chaude pour la saison d’été. Les températures sont des valeurs journées calculées en période d’occupation et d’inoccupation pour le local non chauffé et le local chauffé. Pour toutes ces courbes, l’écart de température entre le local chauffé et l’extérieur reste toujours inférieur à 10°C. Durant la période de chauffage, la température maximale de l’air intérieur est inférieure à 27°C pendant la période d’été et descendre jusqu’à 21°C pendant la période d’hiver. On constate aussi que durant la semaine la plus froide, l’écart de température est un peu plus important que durant la semaine la plus chaude de l’année. La température du local chauffé doit atteindre la température de consigne (22°C pour l’hiver et 20°C pour l’été), mais cette température dépend fortement de la température sèche extérieure ainsi de l’architecture du bâtiment qui joue un rôle très important pour le confort thermique.
CONCLUSION GENERALE
Le climat de ce district ainsi le potentiel géothermique qui s’y trouve nous autorise de mettre en avant les domaines du confort thermiques d’un local. L’établissement de cette étude passe par plusieurs phases depuis l’exploitation des données (données météorologiques et données géothermiques), du lieu de la construction du bâtiment ainsi de l’architecture de ce dernier. Ensuite, nous étions parties du logiciel DesignBuilder pour la construction de notre modèle, puis nous avons utilisé le modèle Trano Gasy Vaovao (TGV). Quant aux données météorologiques, nous avons pris celles du TMY. Les résultats de la simulation ont montrés que nous avons un gain de 1°C de température pendant la semaine la plus chaude de l’année choisi, et un gain de 1°C à 3,5°C ceci pendant la semaine la plus froide de l’année choisi. Nous avons pu constater qu’une installation de chauffage par voie géothermique apporte une amélioration en confort thermique dans le local. La réalisation de ce projet nous ouvre des voies prometteuses pour l’avenir dans l’utilisation de l’énergie géothermique et la valorisation du gisement géothermique à Madagascar, ceci dans le domaine du chauffage de l’habitat.
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Table des matières
REMERCIEMENT
NOMENCLATURES
LISTE DES ABREVIATIONS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ANNEXES
INTRODUCTION
PARTIE 1 : GENERALITES SUR LA GEOTHERMIE
Chapitre 1 . GENERALITES SUR LA GEOTHERMIE
Chapitre 2 . LA GEOTHERMIE A MADAGASCAR
PARTIE 2 : GENERALITES SUR LA ZONE D’ETUDE ET MODELISATION DU CHAUFFAGE GEOTHERMIQUE
Chapitre 3 .CONTEXTE GENERALE SUR LA ZONE D’ETUDE
Chapitre 4 .MODELISATION DU CHAUFFAGE GEOTHERMIQUE
PARTIE 3 : METHODE DE RESOLUTION ET RESULTATS
Chapitre 5 .METHODE DE RESOLUTION
Chapitre 6 .RESULTATS ET INTERPRETATIONS
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIES ET WEBOGRAPHIES
ANNEXES
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