LES ENERGIES DU FUTUR CRAINTES & CONTRAINTES

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1 LES ENERGIES DU FUTUR CRAINTES & CONTRAINTES 01/02/05 IEP D. NAHON 1

2 Les Energies d aujourd hui et du Futur «Craintes et Contraintes» L énergie facteur de développement Les ressources naturelles fossiles non renouvelables : 1. Le charbon, le pétrole, le gaz naturel 2. L uranium et la fission nucléaire. Les ressources renouvelables 1. La fusion nucléaire 2. Le solaire 3. La biomasse ou le renouveau de l énergie verte. 01/02/05 IEP D. NAHON 2

3 L Energie facteur de développement 01/02/05 IEP D. NAHON 3

4 Les Energies fossiles Le charbon - le pétrole - le gaz naturel Bassins sédimentaires paraliques ou limniques Du carbonifère au Permien (Paléozoïque) Du Crétacé à la fin du Tertiaire (Mésozo ïque au Cénozoïque) 01/02/05 IEP D. NAHON 4

5 Le Charbon «Dessin des continents à différentes époques» 01/02/05 IEP D. NAHON 5

6 01/02/05 IEP D. NAHON 6

7 Le Charbon Substances organiques Lignites, houilles, anthracites (débris de végétaux) Sables Grés Cailloux, galets Conglomérats Cendres volcaniques Tufs Enfouissement Diagenèse Rapide pression lithosphérique (conditions anoxiques, température croissante bactéries,anaérobies) 01/02/05 IEP D. NAHON 7

8 Pétrole & Gaz : hydrocarbures Leur Origine : Matières organiques sapropéliques (sapropel : plancton, pollens, microalgues) (Kérogène) Gaz, liquides, semi-solides(bitumes, asphaltes) (Fluides) Originalité : La mobilité 01/02/05 IEP D. NAHON 8

9 Pétrole & Gaz : hydrocarbures Enfouissement rapide et maturation anaérobie Roches mères argileuses sapropéliques (2 à 10% de matières organiques) Migration vers roches poreuses (roche réservoir ou magasin) Piégeage dans structure géologique propice : Roche Réservoir coincée par roches couvertures imperméables Exemple de roches réservoirs : craie, calcaire récifal, grès, calcaire fracturé. Exemple de roches couvertures : argile, évaporite (roche saline ou hyaline). 01/02/05 IEP D. NAHON 9

10 Pétrole & Gaz : hydrocarbures Gaz Méthane (CH 4 ) Alcane, éthane, propane, butane Hydrogène sulfuré (H 2 S) Azote (N 2 ) Gaz Carbonique (CO 2 ) 01/02/05 IEP D. NAHON 10

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15 Consommation et Réserves Ressources Energétiques Primaires Conventionnelles Réserves prouvées Réserves estimées Réserves spéculatives additionnelles Total Pétrole ~ 140 Gt 120 ~ 140 Gt 280 Gt Gaz ~ 140 Gtep ~ 340 Gtep ~ 480 Gtep Charbon ~ 600 Gtep ~ 1930 Gtep * ~ 2290 Gtep * Chiffres très variables selon les sources 01/02/05 IEP D. NAHON 15

16 Consommation et Réserves Ressources Energétiques Primaires Non Conventionnelles Réserves prouvées et Additionnelles Huiles Lourdes 90 Gtep Bitumes Schistes bitumeux 100 Gtep 130 Gtep Hydrates de méthane Entre 1000 et Gtep 01/02/05 IEP D. NAHON 16

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21 Consommation et Réserves 2% 1% 37% Charbon Pétrole Gaz naturel 1900 (Autres Bois, hydriques) 60% 18% 20% % 37% Charbon Pétrole Gaz Naturel Autres (nucléaire, biomasse, hydrique) 01/02/05 IEP D. NAHON 21

22 01/02/05 IEP D. NAHON 22

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27 01/02/05 IEP D. NAHON 27

28 LES PARTICULES CONSTITUENT LA MATIÈRE 01/02/05 IEP D. NAHON 28

29 L ÉNERGIE NUCLÉAIRE 1- LE CONCEPT 01/02/05 IEP D. NAHON 29

30 01/02/05 IEP D. NAHON 30

31 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Atome se mesurant en angströms (Å) Noyau et son cortège d électrons Électriquement neutre : autant de protons (+) que d électrons (-) Nombre de Protons = Nombre de neutrons Isotopes : Sauf exceptions ; nombre de neutrons différents Balance qui pèse les noyaux d atomes = spectrométrie de masse 01/02/05 IEP D. NAHON 31

32 01/02/05 IEP D. NAHON 32

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35 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Isotopes de l oxygène 16 O : 99,76% de l oxygène 17 O : 0,04% 18 O : 0,20% 01/02/05 IEP D. NAHON 35

36 Les particules sont de 2 types QUARKS : GROUPES PAR 3 => Protons Neutrons LEPTONS : Electrons Neutrinos 01/02/05 IEP D. NAHON 36

37 Les particules sont regroupées en 3 familles Seule la 1ère famille constitue la matière ordinaire Les 3 familles étaient présentes juste après le «Big Bang» 01/02/05 IEP D. NAHON 37

38 Les 4 forces de l Univers La force gravitationnelle( graviton) La force nucléaire faible( boson) La force nucléaire forte(gluons) La force électromagnétique(photons) 01/02/05 IEP D. NAHON 38

39 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Magnesium 12 Mg Aluminium 13 Al Propriétés très différentes Silicium 14 Si 01/02/05 IEP D. NAHON 39

40 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Atome sodium Na perd un électron Na + = anion Atome chlore Cl gagne un électron Cl - = cation Na + <-> Cl - NaCl : Chlorure de sodium électriquement neutre 01/02/05 IEP D. NAHON 40

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42 L Énergie Nucléaire 1- Le concept L énergie se mesure en calories ou en joules 1 calorie = 4,186 joules Correspondance entre électron volts et joules 1ev = 1,6 x joules 01/02/05 IEP D. NAHON 42

43 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Réaction libère de l énergie exothermique Réaction consomme de l énergie endothermique 01/02/05 IEP D. NAHON 43

44 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Eléments chimiques classés du plus léger H1 au plus lourd l Uranium 238 (cortège électronique croissant) 01/02/05 IEP D. NAHON 44

45 L Énergie Nucléaire 1- Le concept Certains noyaux lourds sont instables Désintégration en noyaux plus stables = Fission nucléaire 01/02/05 IEP D. NAHON 45

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47 L Énergie Nucléaire 2- Le minerai d Uranium 2,7 ppm = 2,7 grammes par tonne de roche Trois isotopes : U 238 ~ 99,3% U 235 ~ 0,7% U 234 ~ 0,005% Granites - gneiss - schistes Roches détritiques (grès - conglomérats argiles) 01/02/05 IEP D. NAHON 47

48 L Énergie Nucléaire 2- Le minerai d Uranium Désintégration progressive Noyau (père) original instable noyau (fils) stable 01/02/05 IEP D. NAHON 48

49 L Énergie Nucléaire 2- Le minerai d Uranium Période d un élément radioactif = temps au bout duquel la moitié des atomes radioactifs se sont désintégrés (demi-vie) 01/02/05 IEP D. NAHON 49

50 L Énergie Nucléaire 2- Le minerai d Uranium Thorium Th Thorium 232 : période de 13,9 milliards d années Uranium U Uranium 238 : période est de 4,5 milliards d années Thorium 3 à 4 fois plus abondant que l Uranium 01/02/05 IEP D. NAHON 50

51 L Énergie Nucléaire 3- La Fission Choc d un neutron sur un atome Rebondit et dévié Capture dans le Noyau (nouvel isotope) (noyau fertile) Brise le noyau en 2 fragments (fission) 01/02/05 IEP D. NAHON 51

52 L Énergie Nucléaire 3- La Fission Neutron lent : Fission du noyau Uranium 235 (noyau fissile) : Capture dans noyau Uranium 238 (noyau fertile) pour donner Plutonium 239 instable (noyau fissile) 01/02/05 IEP D. NAHON 52

53 L Énergie Nucléaire 4- Fission et Réactions en chaînes Fission du noyau d Uranium 235 en deux et libération de 2 ou 3 neutrons très rapides. Ces neutrons à leur tour engendrent d autres fissions d Uranium 235 = Réaction en chaîne = Principe de la production d énergie nucléaire 01/02/05 IEP D. NAHON 53

54 L Énergie Nucléaire 4- Fission et Réactions en chaînes Chaque fission de l Uranium 235 libère ~ 200 Mev 01/02/05 IEP D. NAHON 54

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56 L Énergie Nucléaire 5- Réacteurs nucléaires et production d énergie Enrichissement de l Uranium 235 Jusqu à 3-4 % pour utilisation civile Jusqu à 90% pour utilisation militaire 01/02/05 IEP D. NAHON 56

57 L Énergie Nucléaire 5- Réacteurs nucléaires et production d énergie Bombardement par neutrons lents Uranium 235 (~4%) (fissile) Uranium 238 (~96%) (fertile) Production de Plutonium 239 et autres (Pu 240, 241, 242) Si neutrons lents Plutonium 239 (fissile) Plutonium 240, 242 (fertile) Si neutrons rapides : tous les noyaux sont fissiles. 01/02/05 IEP D. NAHON 57

58 L Énergie Nucléaire 5- Réacteurs nucléaires et production d énergie 2 types de réacteurs à neutrons lents à neutrons rapides 01/02/05 IEP D. NAHON 58

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60 L Énergie Nucléaire 5- Réacteurs nucléaires et production d énergie Pour 2 noyaux d uranium 235 qui fissionnent On a 1 noyau d Uranium 238 qui se transforme en Plutonium /02/05 IEP D. NAHON 60

61 L Énergie Nucléaire 5- Réacteurs nucléaires et production d énergie Plutonium (5 à 6%) + MOX Uranium (94 à 95%) Pour 1 tonne d Uranium Mega Watts / jours 01/02/05 IEP D. NAHON 61

62 L Énergie Nucléaire 6- Les Réserves et Consommations Réserves prouvées : 4 millions de tonnes Réserves spéculatives : 9 millions de tonnes pour des prix d exploitation < 130 $ US par kilo Consommation mondiale : tonnes / an 01/02/05 IEP D. NAHON 62

63 L Énergie Nucléaire 6- Les Réserves et Consommations Enrichissement U235 coûte cher 150 tonnes Uranium naturel 27,2 tonnes enrichies à 3,2% U235 = 30% du coût du combustible = 7% du coût du kilowatt / heure 01/02/05 IEP D. NAHON 63

64 L Énergie Nucléaire 7- Les Dangers 1 réacteur nucléaire produit ~ 20 tonnes de déchets par an ~ 500 réacteurs nucléaires dans le monde 01/02/05 IEP D. NAHON 64

65 L Énergie Nucléaire 7- Les Dangers Three Miles Island 1979 Tchernobyl /02/05 IEP D. NAHON 65

66 L ENERGIE ATOMIQUE «Ne prévoyant pas que l énergie atomique devienne avant longtemps un grand bienfait, je dois dire que pour l instant, c est une menace.» Albert Einstein, /02/05 IEP D. NAHON 66

67 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies 01/02/05 IEP D. NAHON 67

68 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies NOTRE GALAXIE (VOIE LACTÉE) : Taille ~ années lumières Constituée ~ de 100 milliards d étoiles À la périphérie notre système solaire 01/02/05 IEP D. NAHON 68

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70 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies LE SYSTÈME SOLAIRE TOURNE AUTOUR DU CENTRE DE NOTRE GALAXIE : À 250 kilomètres / seconde Tour complet en 250 millions d années 01/02/05 IEP D. NAHON 70

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72 01/02/05 IEP D. NAHON 72

73 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies Masses initiales des condensations de matière: Étoiles Planètes Force de gravitation predomine à ces condensations 01/02/05 IEP D. NAHON 73

74 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies Majorité des étoiles répartie dans un ensemble entre étoiles bleues et étoiles rouges. Les bleues = les plus chaudes et les plus lumineuses Les rouges = les plus âgées. 01/02/05 IEP D. NAHON 74

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76 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies Soleil masse kilogrammes La plus petite des étoiles : 1/100 e du soleil La plus grosse des étoiles : 100 masses solaires. 01/02/05 IEP D. NAHON 76

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78 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 1- Les étoiles dans les galaxies Au cœur d une étoile : Gaz ionisé (plasma) T ~ dizaine de millions de degrés Fusion de noyaux produisant des photons qui mettent plusieurs millions d années pour atteindre la surface de l étoile. En surface : T ~ quelques milliers à dizaines de milliers de degrés 01/02/05 IEP D. NAHON 78

79 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 2. Le Soleil : une étoile singulière Rayon : kilomètres (110 x la Terre) Masse : ~ kilogrammes ( x la Terre) Composition : H (92,1%) et He (7,8%) 01/02/05 IEP D. NAHON 79

80 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 2. Le Soleil : une étoile singulière Cœur : t ~ 15,5 millions de degrés Celsius Densité 158 tonnes / m 3 Siège de réactions de fusion d H He Réactions de fusion consomment 600 millions de tonnes d H par seconde et continueront pendant 5 milliards d années. 01/02/05 IEP D. NAHON 80

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83 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 2. Le Soleil : une étoile singulière Eruptions solaires liées à l activité solaire qui croît et décroît tous les onze ans. 01/02/05 IEP D. NAHON 83

84 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 2. Le Soleil : une étoile singulière Rayonnement émis parcourent la distance à la Terre en 8 minutes (150 millions de kilomètres) Particules émises plus lentes Vent solaire 01/02/05 IEP D. NAHON 84

85 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 3- Le mécanisme de fusion et le projet ITER Utiliser des températures élevées ~ 100 millions de degrés C (10 fois celle du cœur du soleil) Gaz ionisé Fusion de noyaux d hydrogène H 1 proton H 1 proton + 1 neutron = deutérium H 1 proton + 2 neutrons = tritium 01/02/05 IEP D. NAHON 85

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87 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 3- Le mécanisme de fusion et le projet ITER Fusion entre deuterium et tritium H 1 proton Avec libération d énergie colossale 14 mev (neutrons à grandes vitesses) Principe Intenational Thermonuclear Experimental Reactor ITER 01/02/05 IEP D. NAHON 87

88 LA FUSION : L ÉNERGIE DES ETOILES? 3- Le mécanisme de fusion et le projet ITER Difficultés ITER Production en continue de tritium 1 gr mélange deutrium - tritium produit autant d énergie électrique que 8 tonnes de charbon Par fission de lithium Contraindre deuterium et tritium Parois du Tokamak 01/02/05 IEP D. NAHON 88

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90 01/02/05 IEP D. NAHON 90

91 ENERGIE SOLAIRE 1. Chauffer l Eau Chauffe-eau solaire 1m 2 capteurs sert 10m 2 habitation 01/02/05 IEP D. NAHON 91

92 ENERGIE SOLAIRE 2. Transformer énergie lumineuse -> électricité Photopiles ou piles photovoltaïques Centrales thermo-dynamiques Assemblages cellules photovoltaïques = matériaux semi-conducteurs (silicium polycristallin ou amorphe de 1/2 mm épaisseur) 01/02/05 IEP D. NAHON 92

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94 ENERGIE SOLAIRE 2. Transformer énergie lumineuse -> électricité Photons / silicium / électron 1 à 3 watts par cellule Centrale thermo-ionique à tour (1000 watts par m 2 ) à miroir orientable (héliostats) 01/02/05 IEP D. NAHON 94

95 ENERGIE SOLAIRE 3. Cheminée solaire Verrière plane 42 kilomètres carrés Cheminée béton 1000 m haut 200 Mwatts / an 01/02/05 IEP D. NAHON 95

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