L énergie : un défi majeur. Evolution de la demande énergétique mondiale.

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1 Niveau : première L Thème : Le défi énergétique Sous-thème : Utilisation des ressources énergétiques disponibles L énergie : un défi majeur. Evolution de la demande énergétique mondiale. Durée du thème : 8 h Notions et Contenus : Ressources énergétiques et durées caractéristiques associées Ressources non renouvelables : fossiles et fissiles Ressources renouvelables Problématiques d utilisation des ressources Place de la séance dans la séquence : Séance 1 (1h1/2) : Introduction à l énergie. Séance 2 (2h) : L énergie : un défi majeur. Document 1 : Evolution de la demande énergétique mondiale. Document 2 : Des sources d énergie toujours d actualité. Séance 3 (1h) : L effet de serre. Séance 4 : Séance 5 : Séance 6 : Prérequis Connaître les besoins en énergie dus aux activités humaines Objectifs Objectifs Spécifiques Objectif transversal Exploiter des informations pour prendre conscience des besoins en énergie au niveau planétaire Mettre en relation les informations Connaissances Connaître l évolution de la demande énergétique mondiale Compétences attendues Capacités disciplinaires Capacités expérimentales Capacités transversales Lire et interpréter des graphiques Analyser, Raisonner aucune S informer : extraire des informations utiles. S informer : confronter l information extraite à ses connaissances. Communiquer : rendre compte de la démarche suivie. Obstacles prévisibles Lecture de graphiques Réinvestissement Au cours de l exploitation du document 2

2 INTRODUCTION Aujourd hui, l'énergie reste consommée de façon très inégale à la surface de la Terre. Pourtant, se nourrir, s éclairer, se chauffer, se déplacer, travailler sont autant d activités essentielles à la vie et pour lesquelles l homme consomme considérablement d énergie. La croissance spectaculaire de la population mondiale au cours du dernier siècle, le développement de l industrie et de l urbanisation font, qu aujourd hui, la demande en énergie est en forte expansion. L Agence Internationale de l Energie (A.I.E) estime que la demande mondiale en énergie primaire pourrait augmenter de 40% entre 2007 et 2030, ceci étant essentiellement dû à l émergence de pays en voie de développement tels que les pays d Asie ou du Moyen-Orient. Et c est la production d électricité qui est particulièrement sollicitée. Or, pour produire de l électricité, il est nécessaire de disposer de sources d énergies variées. Leurs réserves et leurs utilisations ne sont pas sans poser de problèmes. Assurer l approvisionnement en énergie de la planète, tout en respectant l environnement, est donc l un des grands enjeux des prochaines décennies.

3 DOCUMENT 1 : POPULATION ET CONSOMMATION D ENERGIE DANS LE MONDE Graphique n 1 : Répartition de la population mondiale en 2007 (source INED) Graphique n 2 : Consommation d énergie dans le monde en 2007 (source AIE) DOCUMENT 2 : CROISSANCE ECONOMIQUE ET CONSOMMATION D ENERGIE (Source Médiathèque Site edf.com, février 2011

4 DOCUMENT 3 : DEMANDE TOTALE D ENERGIE PRIMAIRE DANS LE MONDE ( ) In Questions Internationales n 45, septembre-octobre 2010 La Documentation Française Atelier de cartographie de Sciences Po, site consulté en mars 2011 COMPRENDRE Compétences travaillées. S informer / Saisir des informations à partir d un document En utilisant les documents 1, 2 et 3, effectuer une analyse de la consommation d énergie dans le monde à l heure actuelle et pour les prochaines décennies. Quel problème majeur est suggéré par cette analyse? Exploiter des informations Organiser l information Confronter l information à ses connaissances Construire une analyse, communiquer

5 Niveau : première L Thème : Le défi énergétique Sous-thème : Utilisation des ressources énergétiques disponibles L énergie : un défi majeur. Des sources d énergie toujours d actualité. Durée du thème : 8 h Notions et Contenus : Ressources énergétiques et durées caractéristiques associées Ressources non renouvelables : fossiles et fissiles Ressources renouvelables Problématiques d utilisation des ressources Place de la séance dans la séquence : Séance 1 (1h1/2) : Introduction à l énergie. Séance 2 (2h) : L énergie : un défi majeur. Document 1 : Evolution de la demande énergétique mondiale. Document 2 : Des sources d énergie toujours d actualité. Séance 3 (1h) : L effet de serre. Séance 4 : Séance 5 : Séance 6 : Prérequis Connaître les besoins en énergie dus aux activités humaines Objectifs Objectifs Spécifiques Objectif transversal Exploiter des informations pour prendre conscience des enjeux relatifs à l énergie Mettre en relation les informations Compétences attendues Connaissances Capacités disciplinaires Capacités expérimentales Associer des durées caractéristiques à différentes ressources énergétiques Distinguer des ressources d énergie renouvelables et non renouvelables Identifier des problématiques d utilisation de ces ressources Lire et interpréter des graphiques Analyser, Raisonner aucune Obstacles prévisibles Capacités transversales Maitrise du vocabulaire scientifique S informer : extraire des informations utiles. S informer : confronter l information extraite à ses connaissances. Communiquer : rendre compte de la démarche suivie, débattre Réinvestissement

6 DOCUMENT 1 : LES SOURCES D ÉNERGIE NON RENOUVELABLES LE PETROLE: Le pétrole est un mélange d'hydrocarbures (molécules formées d'atomes de carbone et d'hydrogène) et de molécules, appelées résines et asphaltènes, contenant également d'autres atomes, principalement du soufre, de l'azote et de l'oxygène. Certains de ces constituants sont, à température et à pression ambiantes, gazeux (méthane, propane, etc.), liquides (hexane, heptane, octane, benzène etc.) et parfois solides (paraffines, asphaltes, etc.). Le pétrole contient des millions de molécules différentes qu'il va falloir fractionner et transformer chimiquement pour obtenir des produits utilisables. [ ]Facile à pomper, à stocker, à transporter et à utiliser, [ ] le pétrole est devenu, à partir des années 50, la première source d'énergie dans le monde. Sa forte densité énergétique en fait la matière première des carburants qui alimentent les transports (voitures, camions, avions, etc.). Il résulte de la dégradation thermique de matières organiques contenues dans certaines roches : les "roches mères" du pétrole. Ce sont des restes fossilisés de végétaux aquatiques ou terrestres et de bactéries s'accumulant au fond des océans, des lacs ou dans les deltas. Appelés "kérogène", ces résidus organiques sont préservés dans des environnements où les eaux sont dépourvues d'oxygène, se mêlant ainsi aux sédiments minéraux pour former la roche mère. Pendant des dizaines de millions d'années, de nouveaux sédiments vont continuer à s'accumuler, entraînant la roche mère à de grandes profondeurs. Généralement entre 2500 et 5000 m et sous l'action des hautes températures qui y règnent, le kérogène se transforme (craquage thermique) en pétrole liquide accompagné de gaz. A plus de 5000 m, le pétrole "craque" à son tour et se transforme en gaz. Des chiffres clés pour le pétrole: Près de 25 % des réserves mondiales se trouvent en Arabie Saoudite, soit 279,6 milliards de barils de pétrole. 78 % des réserves sont détenues par l'opep (organisation des pays exportateurs de pétrole) milliers de tonnes c'est la consommation de pétrole en France en 2008 pour une production de 975 milliers de tonnes. États-Unis c'est le premier pays consommateur de pétrole avec 7 milliards de barils par an. L'Europe consomme 4,8 milliards de baril par an et la Chine 2,5. Les réserves de pétrole pourront-elles suivre? D'après certains experts, face à une demande mondiale en hausse constante, la pénurie pourrait progressivement s'installer. En un peu plus d'un siècle, nous aurions déjà consommé la moitié des réserves de pétrole découvertes, lentement accumulées dans le sous-sol pendant des centaines de millions d'années. La seconde moitié serait consommée infiniment plus vite que la première, du fait d'une demande énergétique mondiale beaucoup plus forte. Un scénario alarmiste à tempérer compte tenu des progrès continus des technologies : une partie de ce qui n'était pas récupérable ou exploitable hier l'est aujourd'hui et une partie de ce qui ne l'est pas aujourd'hui, le sera demain. S'il faut s'attendre à une baisse de la production avant la moitié de ce siècle, cela ne signifiera pas pour autant la fin brutale du pétrole. Le pétrole sera encore produit et consommé bien au-delà de la fin du siècle. 16 % de la population mondiale se partage 70 % de la consommation mondiale de pétrole. En moyenne, 4 barils de pétrole sont consommés par habitant et par an dans le monde : 11 par Français, 20 par Américain, 1,5 par Chinois. Concernant le pétrole conventionnel, on a consommé jusqu'à aujourd'hui autour de 1000 milliards de barils de pétrole. Il resterait à produire (réserves existantes + réserves restant à découvrir) : - un peu plus de milliards de barils de pétrole d'après l'aspo (Association for the Study of Peak Oil), - plus de milliards de barils (valeur moyenne) d'après l'usgs (United States Geological Survey).

7 LE GAZ: Le constituant principal des gisements de gaz naturel est le méthane. Le méthane est un hydrocarbure composé d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène. Les qualités du gaz sont principalement liées à son bon rendement énergétique et à ses avantages environnementaux : sa combustion n'émet pas de poussières, peu de dioxyde de soufre (SO 2 ), peu d'oxyde d'azote (NO 2 ) et moins de dioxyde de carbone (CO 2 ) que d'autres énergies fossiles.. Son transport comporte des contraintes qui influent sur le développement de son commerce international. Le transport par gazoduc : [ ] est quatre ou cinq fois plus coûteux que le transport du pétrole par pipe-line. Le gaz naturel doit être comprimé tous les 120 à 150 km par des stations de compression. Le transport par méthanier : [ ] On y a recours en cas de longues distances ou de difficultés liées aux conditions géopolitiques ou géographiques des pays traversés. Cela nécessite de liquéfier le gaz naturel le temps de son transport. Il est alors appelé GNL (gaz naturel liquéfié) et voyage par mer avant d'être à nouveau gazéifié dans le pays acheteur. Des chiffres clés pour le gaz: 26,7 % soit plus d'un quart des réserves gazières mondiales sont situées en Russie, 15,2 % sont en Iran et 14,7 % au Qatar. Le coût du transport du gaz est 5 fois supérieur à celui du pétrole C, c'est la température à laquelle le gaz est refroidi pour passer de l'état gazeux à l'état liquide, ce qui divise son volume par 600. Arrivé à destination, le liquide est réchauffé et redevient gazeux. On connaît surtout son usage domestique pour le chauffage et la cuisson. Mais l'utilisation du gaz naturel se développe dans d'autres domaines, comme les centrales électriques ou le transport, en raison de ses qualités favorables au respect de l'environnement. La part du gaz naturel dans la consommation mondiale d'énergie croît régulièrement, notamment en Europe depuis 30 ans. LE CHARBON : La formation du charbon dans le sous-sol remonte à l'ère primaire dite "carbonifère", il y a 200 à 300 millions d'années. Recouverte de marécages, la terre connaît alors un climat chaud et humide. Des débris végétaux fermentent sous des sédiments, se superposent dans une atmosphère riche en gaz carbonique et se transforment en substances solides combustibles à haute teneur en carbone : la houille, le lignite et la tourbe. On appelle charbon ces roches sédimentaires contenant au moins 50 % de carbone. Le charbon sert essentiellement à fabriquer de l'électricité dans les centrales thermiques. Mais en France, l'électricité étant majoritairement d'origine nucléaire, le charbon n'intervient qu'à hauteur de 5 %. En Allemagne, il représente 50 % de la production d'électricité, et pourrait encore s'accroître avec l'arrêt programmé des centrales nucléaires. Le charbon est aussi utilisé de manière importante dans la sidérurgie. Chiffres clés pour le charbon : 28,9 % des réserves de charbon sont situées aux Etats-Unis, suivi de la Russie (19 %) et de la Chine (13,9 %). 4,8 % c'est le taux de croissance annuelle moyen de la production mondiale de charbon entre 2000 et Des progrès importants ont été réalisés afin de diminuer les émissions de polluants des procédés utilisant du charbon (notamment de production d'électricité). - Les réserves sont abondantes (200 années au rythme de production actuel) et bien réparties géographiquement. - Son utilisation est renchérie par la nécessité de respecter les normes environnementales. - Le niveau élevé de CO 2 émis lors de sa combustion le place derrière le pétrole, le gaz et le nucléaire dans le cadre de la lutte contre le changement climatique. - Son transport est coûteux et le risque humain associé à l'exploitation souterraine le pénalise fortement.

8 L URANIUM : La préparation du combustible utilisé dans les centrales : L uranium est un métal relativement répandu dans l écorce terrestre. Comme la plupart des métaux, il ne s extrait pas directement sous sa forme pure parce qu à l état naturel il se trouve, dans des roches, combiné à d autres éléments chimiques. Les roches les plus riches en uranium sont les minerais uranifères (c est-à-dire contenant de l uranium), telles, par exemple, l uraninite et la pechblende. Le cycle du combustible nucléaire commence donc par l extraction du minerai uranifère dans des mines à ciel ouvert ou en galeries souterraines. Les principaux gisements connus se trouvent en Australie, aux États-Unis, au Canada, en Afrique du Sud et en Russie. La teneur du minerai en uranium est en général assez faible. [ ] Il est donc indispensable de concentrer l uranium de ces minerais, ce qui se fait le plus souvent sur place. Les roches sont d abord concassées et finement broyées, puis l uranium est extrait par diverses opérations chimiques. Le concentré fabriqué a l aspect d une pâte jaune appelée yellow cake. Il contient environ 75% d oxyde d uranium, soit 750 kg par tonne. Le concentré d uranium ne peut pas être utilisé tel quel dans les réacteurs nucléaires. L oxyde d uranium doit d abord être débarrassé des impuretés par différentes étapes de purification (raffinage). Très pur, il est ensuite converti en tétrafluorure d uranium (UF 4 ) constitué de quatre atomes de fluor et d un atome d uranium. Pour alimenter les REP (réacteurs des centrales nucléaires à eau pressurisée), il faut disposer d un combustible dont la proportion d uranium 235 se situe entre 3 et 5 %, car seul cet isotope de l uranium peut subir la fission nucléaire libératrice d énergie. Or, dans 100 kg d uranium naturel, il y a 99,3 kg d uranium 238 et 0,7 kg d uranium 235, soit 0,7 % seulement d uranium 235 fissile. L opération consistant à augmenter la proportion d uranium 235 est appelée enrichissement. L enrichissement est une opération difficile [..] Les déchets générés : Toute activité humaine génère des déchets. La croissance démographique et industrielle s accompagne d un accroissement du volume de déchets à traiter, conditionner, recycler ou stocker lorsque le recyclage n est pas possible. L industrie nucléaire n échappe pas à la règle. Cependant, ces déchets ne constituent qu une part minime des déchets produits par la société. À titre de comparaison, la quantité annuelle de déchets industriels produits en France, par habitant, est de kg (dont 100 kg de déchets toxiques) contre 1 kg environ de déchets nucléaires. Dans ce kilo, seuls 10 g sont des déchets de haute activité. La quantité n est cependant pas le seul aspect à prendre en compte ; la toxicité est aussi très importante. C est pourquoi les recherches sur le traitement et le stockage de ces déchets font l objet de nombreuses études. Les déchets nucléaires sont produits à toutes les étapes du cycle du combustible nucléaire : extraction minière, enrichissement de l uranium, fabrication des assemblages, exploitation des réacteurs, retraitement. Ils sont aussi engendrés lors du démantèlement des installations nucléaires. S y ajoutent les déchets radioactifs produits par les centres de recherche (CEA ), ainsi que les industries et hôpitaux utilisant des éléments radioactifs. Site

9 DOCUMENT 2 : L EAU, LE SOLEIL ET LE VENT L'énergie solaire comprend 2 filières : la filière photovoltaïque pour produire de l'électricité et la filière thermique pour produire de la chaleur. Le principe : Principe des panneaux photovoltaïques : les rayons lumineux percutent les cellules photovoltaïques constituées de matériau semi-conducteur (en général le silicium). La lumière crée un déplacement d'électrons dans le matériau et donc la production d'un courant électrique. L'électricité est alors directement utilisée pour des besoins domestiques, stockée dans des batteries ou injectée sur le réseau électrique de distribution public. Il faut 10m 2 de panneaux pour obtenir une puissance de 1 kw. Principe des capteurs solaires : Le flux solaire est directement converti en chaleur pour le chauffage de l'eau ou des habitations, par l'intermédiaire de capteurs solaires thermiques. Le capteur absorbe le rayonnement solaire et le transforme en chaleur transmise à un fluide (eau + antigel ou air) caloporteur. La chaleur ainsi captée est ensuite transférée vers un réservoir de stockage. Production et utilisation : L'électricité produite par le solaire photovoltaïque n'est pour le moment pas compétitive avec l'électricité produite dans les centrales actuelles. De ce fait les seules applications actuelles concernent des sites isolés pour la fourniture de puissances relativement réduites. En France, plus de foyers bénéficient de l'électricité photovoltaïque, et plus de foyers éloignés du réseau n'ont accès à l'électricité que par le biais de cette technologie. Les contraintes : Le coût d'installation des panneaux et capteurs, leur encombrement et leur rendement relativement limité freinent encore le développement de l'énergie solaire. Dans l'avenir des progrès sont escomptés dans le domaine des cellules photovoltaïques, qui devraient permettre la poursuite de la baisse des coûts. Par ailleurs, il faut prévoir des systèmes de stockage car l'énergie solaire n'existe plus la nuit. Un large développement de l'utilisation des cellules photovoltaïques demandera donc des progrès dans le domaine du stockage d'électricité pour pallier l'intermittence de la fourniture d'énergie. Site : Consulté en mars 2011 L'énergie hydraulique est une énergie renouvelable, issue de la force motrice de l'eau. Elle est essentiellement produite dans des centrales hydroélectriques et sert à fabriquer de l'électricité. Le principe : Une centrale hydraulique est composée de 3 parties : le barrage qui retient l'eau, la centrale qui produit l'électricité et les lignes électriques qui évacuent et transportent l'énergie électrique. La quantité d'énergie hydraulique, et donc d'électricité, produite par la centrale dépend du débit de la rivière et de la hauteur de la chute de l'eau. Production et utilisation : Les centrales hydrauliques françaises fournissent près de 8 % de l'électricité du pays, grâce à l'exploitation de 450 barrages. Les contraintes : La construction de nouvelles centrales se heurte à de nombreux obstacles de nature économique, mais aussi d'acceptation sociale; La protection des cours d'eau exclut souvent tout nouvel aménagement. La faible pluviométrie certaines années (2005 en Europe) peut freiner significativement la production hydraulique.

10 L'énergie éolienne est produite grâce à la force exercée par le vent sur les pales d'une hélice. Cette hélice est montée sur un mât de 50 à 110 mètres de haut, et le diamètre du cercle balayé par les 3 pales varie de 40 à 120 mètres. Le principe : Le vent fait tourner les pales, entre 10 et 25 tours par minute. L'énergie mécanique produite est transformée par un générateur en énergie électrique, dont la quantité dépend de la surface balayée. La production : L'énergie éolienne alimente aujourd'hui la consommation électrique de 10 millions de personnes en Europe et permet d'éviter la production de 24 millions de tonnes de gaz carbonique par an. L'offshore (en mer) offre des perspectives intéressantes pour le développement de l'éolien malgré des coûts plus élevés, et ce, pour bénéficier de vents plus forts et réguliers, ainsi que pour éviter l'impact visuel et sonore des constructions à terre. Les contraintes : Avant l'installation d'une éolienne ou d'un parc, une étude d'impact de plusieurs années est nécessaire. Pour présenter un intérêt, une éolienne doit être implantée dans un endroit où les vents sont suffisamment puissants (mais pas trop non plus) et réguliers. Comme le solaire, l'énergie éolienne présente l'inconvénient d'être intermittente. Ce qui a pour conséquence soit de limiter sa contribution à une part assez faible, soit de devoir lui adjoindre un système de stockage coûteux. Comme pour d'autres énergies, la proximité des villes est essentielle pour limiter les coûts d'acheminement de l'électricité produite. La modification du paysage liée à l'implantation d'éoliennes fait également débat. La géothermie utilise la température plus élevée du sous-sol de la Terre pour produire de la chaleur ou de l'électricité. Le principe : La géothermie basse température est la plus facile d'accès : elle représente une énergie d'appoint pour le chauffage des bâtiments, en étant le plus souvent associée à des pompes à chaleur. Pour produire de l'électricité, on utilise la géothermie à haute énergie, qui exploite des sources hydrothermales très chaudes (en Islande notamment) ou des forages très profonds, dans lesquels on injecte de l'eau sous pression dans la roche. Grâce à la vapeur qui jaillit, on obtient une pression suffisante pour alimenter une turbine et générer de l'électricité. Atouts et handicaps : Parmi les énergies renouvelables, la géothermie présente l'avantage de ne pas dépendre des conditions atmosphériques (soleil, pluie, vent) : c'est donc une source d'énergie quasi-continue. Les coûts d'investissement sont élevés ; on ne peut pas avoir recours à la géothermie partout; les conditions géologiques doivent s'y prêter.

11 On appelle "biomasse" l'ensemble de la matière végétale qui constitue une importante réserve d'énergie captée par photosynthèse à partir du soleil. L'utilisation de la biomasse à des fins énergétiques permet de diversifier les sources d'énergie, de gagner en autonomie par rapport aux énergies fossiles et de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Aujourd'hui, pour la production d'énergie, on utilise des produits végétaux "nobles" (betterave, blé, colza, etc.) mais aussi des déchets végétaux (paille) ou animaux (lisiers). Biomasse et effet de serre : La photosynthèse transforme une partie de l'énergie solaire en biomasse végétale tout en absorbant du CO 2. Lorsque l'on brûle celle-ci, on libère de l'énergie et à nouveau du CO 2 (le bilan total CO 2 est nul). Types de biomasse : On distingue : la biomasse lignocellulosique (bois, paille, cultures dédiées), la biomasse alcooligène (betterave, blé, maïs, etc), les oléagineux (colza, soja, tournesol, etc). Quelles sont les utilisations de la biomasse? La biomasse est très utilisée dans les pays en voie de développement, la plupart du temps en dehors des circuits commerciaux. Elle est essentiellement employée sous la forme traditionnelle de bois pour le chauffage ou la cuisson des aliments. Face aux enjeux liés à la croissance du trafic automobile (réduction des émissions de gaz à effet de serre, raréfaction de la ressource pétrole), la valorisation de la biomasse sous forme de carburants (biocarburants) a un avenir prometteur.

12 DOCUMENT 3 : RELATION ENTRE PRODUCTION D ELECTRICITE ET EMISSION DE CO 2 Site :

13 COMPRENDRE Compétences travaillées. S informer / Utiliser les documents à votre disposition et vos connaissances personnelles pour mettre en évidence les atouts et les défauts que présente l utilisation de chaque ressource énergétique. Les résultats peuvent être présentés dans un tableau. Distinguer les sources d énergie renouvelables et non renouvelables. Saisir des informations à partir d un document Extraire d un document les informations utiles Exploiter des informations Organiser l information Confronter l information à ses connaissances Montrer que pour satisfaire les besoins mondiaux en énergie, une mixité énergétique est souhaitable. Présenter vos conclusions à l ensemble du groupe On peut imaginer l organisation d un débat