Power from the Core: Harvesting Earth’s Heat

L'énergie du noyau : Récupération de la chaleur de la Terre

Wide view of lava and smoke erupting from a volcano

Origin Story: Geothermal Energy

What Is It?

Deep inside our planet, about 2,900 kilometres deep, there is a very hot and dense ball made mostly of two metals, iron and nickel.  Its temperature ranges from 4,400 °C to 6000 °C and its radius is about the size of our Moon at 3,485 kilometres.  We call this ball the Earth’s core.

The energy produced by the heat within the core is called geothermal energy.  The word ‘geothermal’ is derived from two Greek root words: γῆ - gê, meaning Earth, and θερμός - thermós, meaning hot. Simply put, geothermal energy is heat produced by our planet Earth.


Why Is the Core So Hot?

The main reasons for the high temperatures in Earth’s core are:
1. Accretion - Our planet was formed by a process known in planetary science as accretion.  This process involves many small stellar objects colliding with each other, forming a bigger one, in this case, planet Earth.  This process generates large amounts of heat and our planet’s core still holds high temperatures dating back to that time. 
2. Friction - The friction caused by different materials moving within the core. Try creating friction yourself by rubbing your hands together. Your hands will get warmer the more you rub them.
3. Radioactive Decay - This applies to the radioactive decay, or the way some chemical elements change over time, of three main elements: Thorium, Uranium, and Potassium.  This is a natural process that happens to all matter in the universe. It happens because atoms lose energy over time, and part of that energy is heat, which contributes to the temperature of the core.


From the Core to Home


If the Heat Is Inside the Earth, How Can We Use It?

Lucky for us, the heat from Earth’s core does not just sit there.  It flows to the surface of the planet via conduction, which is a process where heat flows from a hotter place to a colder one. The heat from the core flows from a high concentration of heat to a lower concentration of heat, or from the Earth’s core to its surface. For example, think of a pot on a stove - the stove gets hot, and that heat starts travelling to the surface of the pot.


Why Is Geothermal a Good Fossil Fuel Replacement?

Geothermal energy has three characteristics that make it appealing as a fossil fuel replacement:
1. It can produce energy at a constant rate despite the weather conditions or time of the day. This makes it a great complement to solar and wind energy.
2. It is constantly being renewed by the heat in the Earth’s core and extracting it produces near-zero carbon dioxide (CO2) emissions.
3. It is a valuable source of heat in countries with harsh winters, like Canada.


Impact on Our Communities - Province of Alberta Study

In a study conducted by Dr. Jacek A. Majorowicz and Dr. Stephen E. Grasby, they concluded that “As space heating is the dominant energy demand in Canada, with single households representing around 80 percent of energy usage, the geothermal heating transition in Alberta would be the best option for municipalities.”

The high levels of energy usage described by Dr. Majorowicz and Dr. Grasby, combined with the accessibility of geothermal sources in the province of Alberta, resulted in potential savings on CO2 emissions of sixty metric tonnes (MT = 1000 kilograms) per year. The savings potential makes this another tool to continue increasing electricity production that matches the requirements of our growing population over time.


Does Alberta Meet the Conditions to Use Geothermal Energy?

There are three key aspects to consider when considering implementing large scale geothermal plants anywhere in the world:
 - The temperature of the rock at the desired drilling places and depths.
 - The availability of fluid (most of the time water) to carry the heat to the surface.
 - The rocks surrounding the fluid are permeable (porous) enough to let the fluid move through.
In their study, Dr. Majorowics and Dr. Grasby conclude that Alberta’s Basin, a lower section of the Earth compared to its surroundings, is the more probable place to satisfy these required geothermal conditions either by using geothermal power plants or Heat Pumps.


Geothermal Power Plants
These are large scale energy production sites that involve drilling into the ground, not so deep as to reach the Earth’s core, but often to depths more than one kilometre.  Most geothermal plants consist of two wells, one used to pump hot fluid out of the ground, and the other one used to pump the cooled fluid back into the ground to be heated again. 

Heat Pumps
Think of these as small geothermal plants that can replace traditional heating systems such as furnaces and boilers and cooling systems such air conditioning units in our homes and schools.

Energy requirements are increasing and will keep on doing so as they help better people's lives.  To help in the transition from fossil fuels and satisfy future energy needs we should start looking at the untapped power laying at our feet.

Try This at Home:  Heat Transfer through Convection

One of the ways that the heat from Earth’s core travels to the surface is through convection, which is the transfer of heat (energy) from one fluid to another.  In this interesting experiment, you will be able to see convection in action!

You will need:
 - One plastic or glass container with cold water
 - One cup with hot water (smaller than the cold water container)
 - Food colouring
 - One eye dropper (optional)

1. Put a few drops of food colouring in the container with cold water.  Let the dye sink without mixing or disturbing the liquid.
2. Place the cup with hot water below the container with cold water.
3. Give it a few seconds and see convection in action.  The food colouring will start bubbling up to the surface and eventually, the heat (colour) will spread through the container.


Climate Action: Spread the Heat

The best way to create action around Geothermal energy is to encourage help those around you discover the opportunities and benefits this energy has.  As most of us do not have the opportunity to dig in geothermal sites, we can use examples around our house to illustrate the way heat moves through convection to explain the concept to our family and friends.

 - A fridge door open is letting cold air into the environment and taking warm air from it.
 - Help find air leaks within your house or school. Places where the air from outside is coming in and affecting the temperature of that room.  A good place to start is by inspecting the edges of the windows and doors.

Knowledge shared is power to make the world a better place.


This Science Spotlight was written based on Majorowicz, Jacek A., Stephen E. Grasby. (2020). "Heat transition for major communities supported by geothermal energy development of the Alberta Basin, Canada" Geothermics, vol. 88 iss. 3. 10.1016/j.geothermics.2020.101883.




Histoire de la genèse : L'énergie géothermique

Qu'est-ce que c'est ?

Au plus profond de notre planète, à environ 2 900 kilomètres de profondeur, se trouve une boule très chaude et dense composée principalement de deux métaux, le fer et le nickel. Sa température varie entre 4 400 °C et 6 000 °C et son rayon est à peu près de la taille de notre Lune, soit 3 485 kilomètres.  Nous appelons cette boule le noyau de la Terre.

L'énergie produite par la chaleur au sein du noyau est appelée énergie géothermique.  Le mot "géothermique" est dérivé de deux racines grecques : γῆ - gê, qui signifie "Terre", et θερμός - thermós, qui signifie "chaud". En termes simples, l'énergie géothermique est la chaleur produite par notre planète Terre.


Pourquoi le noyau est-il si chaud ?

Les principales raisons des températures élevées dans le noyau de la Terre sont les suivantes :
Accrétion - Notre planète a été formée par un processus connu en science planétaire sous le nom d'accrétion.  Ce processus implique que de nombreux petits objets stellaires entrent en collision les uns avec les autres, formant un plus gros objet, dans ce cas, la planète Terre.  Ce processus génère de grandes quantités de chaleur et le noyau de notre planète conserve des températures élevées datant de cette époque. 
Friction - La friction causée par les différents matériaux qui se déplacent dans le noyau. Essayez de créer vous-même une friction en frottant vos mains l'une contre l'autre. Plus vous les frottez, plus vos mains se réchauffent.
Décroissance radioactive - Il s'agit de la décroissance radioactive, ou de la façon dont certains éléments chimiques changent avec le temps, de trois éléments principaux : Thorium, Uranium et Potassium. C'est un processus naturel qui se produit dans toute matière. Dans l'univers ce phénomène se produit parce que les atomes perdent de l'énergie avec le temps, et une partie de cette énergie est de la chaleur, qui contribue à la température du noyau.


Du noyau à la maison

Si la chaleur est à l'intérieur de la Terre, comment pouvons-nous l'utiliser ?

Heureusement pour nous, la chaleur du noyau de la Terre ne reste pas là.  Elle s'écoule vers la surface de la planète par conduction, un processus par lequel la chaleur passe d'un endroit plus chaud à un endroit plus froid. La chaleur du noyau s'écoule d'une concentration élevée de chaleur vers une concentration plus faible de chaleur, ou du noyau de la Terre vers sa surface. Par exemple, pensez à une casserole sur une cuisinière - la cuisinière devient chaude, et cette chaleur commence à se déplacer vers la surface de la casserole.


Pourquoi la géothermie est-elle un bon substitut aux combustibles fossiles ?

L'énergie géothermique présente trois caractéristiques qui la rendent intéressante pour remplacer les combustibles fossiles :
1. Elle peut produire de l'énergie à un rythme constant, quelles que soient les conditions météorologiques ou l'heure de la journée. Cela en fait un excellent complément aux énergies solaire et éolienne.
2. Elle est constamment renouvelée par la chaleur du noyau terrestre et son extraction ne produit pratiquement pas d'émissions de dioxyde de carbone (CO2).
3. C'est une source de chaleur précieuse dans les pays aux hivers rigoureux, comme le Canada.


Impact sur nos communautés - Étude de la province de l'Alberta

Dans une étude menée par le Dr Jacek A. Majorowicz et le Dr Stephen E. Grasby, ces derniers ont conclu que " le chauffage des locaux étant la demande énergétique dominante au Canada, les ménages individuels représentant environ 80 % de la consommation d'énergie, la transition vers le chauffage géothermique en Alberta serait la meilleure option pour les municipalités ".

Les niveaux élevés d'utilisation de l'énergie décrits par les docteurs Majorowicz et Grasby, combinés à l'accessibilité des sources géothermiques dans la province de l'Alberta, ont permis de réaliser des économies potentielles sur les émissions de CO2 de soixante tonnes métriques (MT = 1000 kilogrammes) par an. Ce potentiel d'économies en fait un autre outil pour continuer à augmenter la production d'électricité qui correspond aux besoins de notre population croissante au fil du temps.


L'Alberta remplit-elle les conditions pour utiliser l'énergie géothermique ?

Il y a trois aspects clés à prendre en compte lorsqu'on envisage de mettre en place des centrales géothermiques à grande échelle n'importe où dans le monde :
 - La température de la roche aux endroits et aux profondeurs de forage souhaités.
 - La disponibilité d'un fluide (la plupart du temps de l'eau) pour transporter la chaleur vers la surface.
 - Les roches entourant le fluide sont suffisamment perméables (poreuses) pour laisser passer le fluide.
Dans leur étude, les docteurs Majorowics et Grasby concluent que le bassin de l'Alberta, une section inférieure de la Terre par rapport à ses environs, est l'endroit le plus probable pour satisfaire ces conditions géothermiques requises en utilisant des centrales géothermiques ou des pompes à chaleur.


Centrales géothermiques

Il s'agit de sites de production d'énergie à grande échelle qui impliquent un forage dans le sol, pas au point d'atteindre le noyau de la Terre, mais souvent à des profondeurs de plus d'un kilomètre.  La plupart des centrales géothermiques sont constituées de deux puits, l'un servant à pomper le fluide chaud hors du sol, et l'autre à pomper le fluide refroidi dans le sol pour le réchauffer à nouveau.  


Pompes à chaleur

Il s'agit de petites installations géothermiques qui peuvent remplacer les systèmes de chauffage traditionnels, tels que les fours et les chaudières, et les systèmes de refroidissement, tels que les climatiseurs, dans nos maisons et nos écoles.

Les besoins en énergie augmentent et continueront à le faire car ils contribuent à améliorer la vie des gens.  Pour faciliter la transition des combustibles fossiles et satisfaire les besoins énergétiques futurs, nous devrions commencer à nous intéresser à l'énergie inexploitée qui se trouve à nos pieds.


Essayez ça chez vous : Transfert de chaleur par convection

La convection, qui est le transfert de chaleur (énergie) d'un fluide à un autre, est l'un des moyens par lesquels la chaleur du noyau terrestre se déplace vers la surface.  Dans cette expérience intéressante, vous pourrez voir la convection en action !

Vous aurez besoin de :
Un récipient en plastique ou en verre contenant de l'eau froide
Une tasse avec de l'eau chaude (plus petite que le récipient d'eau froide)
- Un colorant alimentaire
- Un compte-gouttes (facultatif)

Marche à suivre :
1-Mettez quelques gouttes de colorant alimentaire dans le récipient contenant de l'eau froide.  Laissez le colorant couler sans mélanger ou déranger le liquide.
2-Placez la tasse contenant l'eau chaude sous le récipient contenant l'eau froide.
3-Donnez-lui quelques secondes et voyez la convection en action.  Le colorant alimentaire commencera à faire des bulles à la surface et finalement, la chaleur (la couleur) se répandra dans le récipient.



Action pour le climat : Diffuser la chaleur

La meilleure façon de créer une action autour de l'énergie géothermique est d'encourager les personnes de votre entourage à découvrir les possibilités et les avantages de cette énergie.  Comme la plupart d'entre nous n'ont pas l'occasion de creuser dans des sites géothermiques, nous pouvons utiliser des exemples autour de notre maison pour illustrer la façon dont la chaleur se déplace par convection afin d'expliquer le concept à notre famille et à nos amis.

 - Une porte de réfrigérateur ouverte laisse entrer de l'air froid dans l'environnement et en retire de l'air chaud.
 - Aidez à trouver les fuites d'air dans votre maison ou votre école. Il s'agit d'endroits où l'air extérieur entre et affecte la température de la pièce.  Un bon point de départ consiste à inspecter les bords des fenêtres et des portes.

Le partage des connaissances permet de rendre le monde meilleur.



Ce guide « Pleins feux sur la science » a été écrit sur la base de Majorowicz, Jacek A., Stephen E. Grasby. (2020). ” Heat transition for major communities supported by geothermal energy development of the Alberta Basin, Canada ” Geothermics, vol. 88 iss. 3. 10.1016/j.geothermics.2020.101883.