DE2: utilisation des ressources énergétiques disponibles. D où tirer l énergie?

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1 DE2: utilisation des ressources énergétiques disponibles. D où tirer l énergie?

2 I. Les ressources d énergie L énergie ne peut se créer. Toutefois, elle est parfois sous une forme que l on peut convertir facilement en énergie utile (principalement électrique). On parle alors de ressource d énergie. Les ressources énergétiques utilisées actuellement => faire à la maison avec les documents.

3 Nature de la ressource énergétique Durée de formation Durée estimée d exploitation des réserves* Ressource renouvelable à l échelle des temps humains (oui ou non) Charbon Pétrole plusieurs millions d années! Gaz naturel Uranium Soleil Température interne de la Terre Nucléosynthèse stellaire : formation en un milliard d années environ formée depuis la naissance de la Terre *Durée estimée, elle dépend des nouveaux gisements découverts, de l évolution des technologies et de la consommation.

4 1) En utilisant les résultats et la courbe de King Hubbert, validez ou invalidez les durées estimées d exploitation annoncées par le dossier de Roger Ballian. (mettre en commun des documents) 2) Remplir le tableau ci-dessus. N.B : la Terre disparaitra en même temps que le Soleil dans 4 milliards d années. 3) Pourquoi ne peut-on pas proposer la solution suivante : «laissons de côté, quelque temps, ces ressources fossiles (pétrole, gaz et charbon) pour qu elles puissent se former à nouveau»? (interpréter une information) 4) Qu appelle-t-on ressource renouvelable? (réflexion) 5) Compléter le tableau ci-dessous en précisant la ressource énergétique utilisée et l énergie utile récupérée. (rappels) 6) Citer des ressources renouvelables produites directement ou indirectement par le rayonnement solaire.(culture générale ou recherche d informations)

5 Ressource d énergie Appareils Energie utile Panneau solaire photovoltaïque Panneau solaire thermique Moteur chaudière à gaz Centrale thermique Puits géothermiques Centrale nucléaire

6 2. Des idées pour l avenir De nombreux projets visant à trouver de nouvelles manières d obtenir de l énergie sont en cours. A l aide de la page: 1) Expliquer les différents projets en cours. 2) Utilisent-ils tous des ressources renouvelables? Si non, expliquer quel peut être l intérêt d effectuer des recherches sur des ressources non renouvelables.

7 A RETENIR : Les ressources renouvelables comprennent : Le soleil (source de rayonnement) Le vent (dérivé de l énergie solaire) La géothermie (énergie interne de la Terre) La biomasse : ensemble des matières organiques d'origine végétale (algues incluses), animale ou fongique pouvant devenir source d'énergie Avantages : Ces ressources se renouvellent rapidement à l échelle humaine. L exploitation de ces ressources est moins source de pollution que les ressources non renouvelables. Inconvénients : La production d énergie ne peut souvent pas se faire en continu (le solaire ne marche que le jour, l éolien que lorsqu il y a du vent, etc) La puissance fournie par ces ressources est bien inférieure à la puissance fournie par une centrale nucléaire.

8 III. Les ressources non renouvelables 1. Généralités A RETENIR : Les ressources non renouvelables comprennent : Les ressources fossiles : charbon, gaz naturel et pétrole Les ressources fissiles : uranium qui subira une fission nucléaire. Avantages : Production d énergie en continu. Grande puissance pour les centrales nucléaires. Inconvénients : Les ressources non renouvelables ne sont présentes qu en quantité limitée. L utilisation de ces ressources est plus polluantes : - émission de gaz à effet de serre pour les ressources fossiles - problème de déchets radioactifs pour les ressources fissiles

9 2. Exploitation des ressources fossiles : zoom sur le pétrole Le pétrole brut contient de très nombreuses espèces chimiques, qu il faut séparer. Cette opération a lieu lors du raffinage du pétrole dans une raffinerie. Principe : Le pétrole brut est chauffé : beaucoup de constituants vont s évaporer et monter dans une «tour de distillation». En montant dans la tour, les vapeurs font se refroidir : plus elles montent, plus elles se refroidissent. Une espèce refroidit jusqu à sa température de liquéfaction, où elle va se liquéfier et être récupéré. Chaque espèce ayant une température de liquéfaction différente, elles vont se liquéfier à des hauteurs différentes : le pétrole brut est séparé en ses différents constituants.

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11 3. Exploitation des ressources fissiles Rappel : représentation symbolique d un noyau On représente le noyau de l élément X ainsi : A X Z Avec : A «nombre de nucléons (ou nombre de masse)» => représente le nombre de NUCLEONS Z «numéro atomique»=> représente le nombre de PROTONS Remarque : Dans un noyau, il y a donc : N = (A-Z) neutrons 1) L Uranium est un élément chimique. Qu est ce qu un élément chimique? 2) Quelle est la différence entre un noyau d uranium 238 U et l uranium ? Comment appelle-t-on de tels noyaux? 235 U 92 3) Justifier l intérêt énergétique de l énergie nucléaire face aux autres ressources comme le charbon à l aide des documents 238

12 ENSEMBLE DE DOCUMENTS Document 1 : Comparaisons de différentes formes d énergie Extrait du dossier«les multiples visages de l'énergie» (Physique fondamentale et énergétique) De Roger Balian Académie des Sciences - Service de Physique Théorique, CEA de Saclay Afin d'apprécier les problèmes de réserves énergétiques et de nuisances, il importe de noter qu'actuellement, à l'échelle mondiale, l'énergie (hors aliments) provient pour 40% du pétrole, pour 26% du charbon, pour 24% du gaz, pour 7% du nucléaire, pour 3% de l'hydraulique, le reste étant négligeable. Ces proportions montrent l'importance de la distinction entre énergies épuisables et renouvelables. Les énergies renouvelables proviennent pour la plupart, directement ou non, du rayonnement solaire : énergies solaire, hydraulique, éolienne, biomasse (aliments d'une part, combustibles comme le bois, les déchets végétaux ou l'alcool d'autre part). Malgré leur pérennité, ces énergies sont très diluées ; la puissance maximale qu'elles sont susceptibles de fournir ne peut suffire à subvenir qu'à une partie de nos besoins. Certes, la Terre reçoit du Soleil un flux de 1,4 kw par m2 de surface apparente, ce qui représente en une heure l'énergie que les hommes consomment en un an. Compte tenu de la forme sphérique de la terre, de la réflexion et de l'absorption par l'atmosphère, la puissance qui atteint le sol, 160 W.m-2 en moyenne, reste importante. Mais les rendements des divers processus basés sur l'énergie solaire sont faibles. L'énergie éolienne nécessite énormément d'espace à puissance donnée. Les rendements des piles photovoltaïques atteint 10%, mais il faudrait 300 m2 de panneaux par européen pour assurer en moyenne ses besoins en énergie, et leur fabrication nécessite pour l'instant une technologie dispendieuse. C'est dans le domaine du chauffage domestique que l'énergie solaire semble dans l'immédiat le mieux utilisable, grâce à des capteurs sur les toits produisant de l'eau chaude. Quant à l'énergie hydraulique, celle qui parmi les énergies renouvelables occupe (après l'énergie solaire directe) le moins de surface sur terre pour une puissance donnée, elle ne peut plus se développer que dans certains pays où il subsiste encore des sites adéquats pour l'installation de barrages. En France, l'équipement hydroélectrique approche de la saturation et fournit moins de 15% de notre consommation électrique. La géothermie occupe une place particulière parmi les énergies renouvelables, car elle est issue non du Soleil mais de l'intérieur de la Terre, dont la température reste élevée en raison de sa radioactivité. Elle aussi ne peut fournir qu'une puissance limitée car elle est en général diluée, son flux étant de 1 W par m2. De plus, il existe une grande variété de gisements dont l'exploitation pose des problèmes spécifiques ; certains sont épuisables... Les autres énergies, fossiles, reposent sur l'exploitation de minéraux formés durant l'histoire de la Terre et n'existant qu'en quantités limitées. Au rythme de consommation actuel, les réserves mondiales reconnues ne peuvent couvrir qu'un demi-siècle pour le pétrole, un siècle pour le gaz et l' uranium, quelques siècles pour le charbon. On peut certes espérer que des technologies futures permettront d'exploiter des gisements déjà connus mais actuellement inutilisables car le pétrole y est trop dilué pour qu'on puisse l'extraire de la roche-réservoir. Mais, outre la hausse des coûts de production, ne serait-il pas plus judicieux de réserver le pétrole aux usages, actuels ou futurs, de la pétrochimie pour laquelle il est irremplaçable plutôt que de le brûler? En n'utilisant que des technologies actuellement maîtrisées, la seule solution pour préserver à l'usage des générations futures les ressources en énergie électrique paraît être la construction desurgénérateurs, grâce auxquels l'énergie électrique extraite du nucléaire serait multipliée par 100. Ceci permettrait de couvrir la consommation annuelle d'électricité mondiale à l'aide seulement du dix millième des réserves d'uranium. Un jour peut-être, la fusion fournira une source d'énergie calorifique et électrique inépuisable grâce au deutérium contenu dans l'eau de mer. On peut aussi espérer que l'on parviendra à couvrir au moins une partie des besoins en chaleur et en électricité à l'aide du solaire. Mais le problème reste entier pour le transport automobile, où il faudra trouver rapidement de nouvelles technologies n'ayant pas recours aux carburants fossiles.

13 Document 2 : Enrichissement de l uranium et fabrication du combustible extrait de L'enrichissement : d'un uranium à l'autre L'uranium naturel contient 99,3 % d'uranium 238 (U238) et 0,7 % d'uranium 235 (U235). La plupart des réacteurs nucléaires (90 % des réacteurs en fonctionnement dans le monde) utilisent comme combustible un uranium contenant entre 3 et 5 % d'uranium 235. Il convient donc d'augmenter la concentration en U235 de l'uranium naturel. Pour cela, on commence par le transformer en gaz, l'hexafluorure d'uranium (UF6) : c'est la conversion. Puis, on augmente la proportion d'u235 : c'est l'enrichissement. Pour réaliser cette opération, il existe principalement deux procédés industriels : la diffusion gazeuse et la centrifugation. Ils exploitent tous deux la petite différence de masse existant entre les molécules d'hexafluorure d'uranium 235 et celles d'hexafluorure d'uranium 238 (l'u235 est plus léger que l'u238). La diffusion gazeuse consiste à faire passer le gaz à travers des membranes poreuses. Les molécules les plus légères (U235) franchissent plus rapidement la barrière que les molécules d'u238. En répétant l'opération plus de fois, on obtient de l'hexafluorure d'uranium avec la bonne concentration en U235. La centrifugation utilise des centrifugeuses tournant à très grande vitesse dans lesquelles on introduit de l'uf6. Les molécules les plus lourdes (U238) sont projetées à la périphérie, alors que les plus légères (U235) migrent vers le centre. Le gaz enrichi en U235, plus léger, monte et est récupéré à l'extrémité haute de la centrifugeuse.

14 La fabrication du combustible Après enrichissement, l'hexafluorure d'uranium (UF6) est transformé en oxyde d'uranium, qui se présente sous la forme d'une poudre noire. Celle-ci est ensuite comprimée en petites pastilles qui cuisent dans un four à C pour acquérir la densité requise. Une pastille pèse 7 grammes et libère autant d'énergie qu'une tonne de charbon! Les pastilles sont ensuite introduites dans de longs tubes métalliques (ou gaines) de 4 mètres de long. Une fois bouchée à ses deux extrémités, on obtient un "crayon" qui contient environ 300 pastilles. Les crayons sont regroupés dans une structure métallique de section carrée pour constituer un assemblage de combustible. Chaque assemblage comporte environ 250 crayons. Le combustible est enfin prêt à rejoindre le cœur d'un réacteur!

15 Document 3 : graphique de la quantité d énergie extraite en fonction du temps écoulé d après Green-IT «Quels rôles pour les DSI et les professionnels des NTIC? Le Pic de Hubbert King Hubbert, géophysicien a étudié les capacités des réserves de matières premières, notamment le pétrole et le charbon. En étudiant la production de différents gisements de pétrole, il s est aperçu que les volumes extraits suivaient une courbe en forme de cloche (proche d une courbe mathématique appelée courbe de Gauss). Ce qui est vrai pour le pétrole, l est également pour le gaz ou le charbon.

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