ENERGIE : CONVERSION, GESTION ET UTILISATION

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1 ENERGIE : CONVERSION, GESTION ET UTILISATION Dans le chapitre précédent, nous avons pu voir que face à la demande toujours croissante en énergie, l Homme dispose de plusieurs ressources énergétiques. Comment ces ressources sont-elles converties en énergie? Comment alors optimiser la gestion et l utilisation de l énergie? Nous allons, ici, tenter de répondre à ces questions en identifiant les différentes formes d énergie qui peuvent intervenir au cours de l exploitation d une ressource. Puis, dans un second temps, nous essayerons de comprendre la nécessité de stocker, transporter l énergie produite sans omettre tous les inconvénients liés à l utilisation d énergie. I. Utilisation des ressources énergétiques disponibles. 1. Les combustibles fossiles. Document 1 : Conversion d énergie dans une centrale thermique à flamme 1. Quel est le rôle principal de ce type de centrale? % de la production mondiale d énergie se fait par ce type de centrale. Quelle ressource peut-on utiliser dans cette centrale et quel type de réaction subit-elle? Etablir la réaction chimique associée à cette réaction. 3. Préciser deux inconvénients de ce type de centrale. 4. Quel fluide fait tourner la turbine et quels sont les deux changements d état qu il subit? M.Meyniel 1/10

2 5. Compléter la chaîne énergétique mise en jeu dans cette centrale thermique à flamme Pourquoi les centrales thermiques sont-elles construites en bord de rivière ou de mer? 7. La chaudière brûle 50 tonnes de fioul par heure. Quelle masse m de fioul est consommée en une seconde? 8. La puissance reçue par cette centrale (issue combustible) est de 560 MW. A la sortie, la puissance disponible est de 250 MW. Déterminer le rendement de cette centrale. Commenter. Rq : * Les ressources renouvelables (hydraulique, géothermie, biomasse, éolien, solaire) représentent uniquement 10 % de la consommation énergétique mondiale (dont 9 % pour la biomasse et 3 % pour l hydraulique). 2. L énergie nucléaire. 80 % de la production électrique en France provient de l. Documents 2 : Réactions nucléaires et Centrale nucléaire Réaction A : Réaction B : n + 92 U 38 Sr + Xe 2 1 H H 2 He + Sr n 38 + γ 1. Quel type de réaction se produit dans le réacteur d une centrale nucléaire? Associer la bonne réaction A ou B en justifiant par rapport au numéro atomique Z. M.Meyniel 2/10

3 2. Qu engendrent ces réactions et que se passe-t-il alors dans le circuit primaire puis dans le circuit secondaire? 3. Que permet alors la vapeur du circuit secondaire? A quoi sert l alternateur? 4. Compléter la chaîne énergétique mise en jeu dans cette centrale nucléaire Peut-on parler de centrale thermique? 6. Préciser la composition de l uranium 235 qui réagit dans la réaction A et dire ce que représente la particule 1 0 n? 7. D après la réaction A : - qualifier le noyau d uranium 235? - quelle est la conséquence de la libération de 2 (ou 3) neutrons? Faire un schéma. 8. Comment se prémunir, dans une centrale, contre les risques d explosion liés à une trop grande libération de chaleur mis en évidence avec la notion de réaction en chaîne? M.Meyniel 3/10

4 9. Dans la nature, on trouve principalement de l uranium 238, pourtant inutile dans une centrale nucléaire. Donner sa représentation symbolique et préciser sa relation avec l uranium 235 et leur différence. 10. Comment qualifier la réaction B? Où se produit-elle? gramme d uranium 235 libère une énergie de 7, J alors qu 1 gramme de tritium ( ) libère J. Déterminer le rapport de l énergie libérée par chacune de ces réactions nucléaires et commenter. Répondre aux questions de l annexe 1 (pages 9 et 10) sur une feuille à part hormis pour la dernière question. Inconvénients de l énergie nucléaire provenant des réactions de fission : Rq : * Dans le Soleil, il se produit aussi des réactions nucléaires mais elles sont dites de fusion : des noyaux légers s additionnent pour donner des noyaux plus lourds en libérant de l énergie lors de l association. Ce type de réaction présente le double avantage de : - libérer plus d énergie que la réaction de fission, - de ne pas former de produits radioactifs. C est pourquoi l Homme effectue des recherches sur ce mécanisme (programme ITER dont les premiers résultats exploitables sont attendus pour 2020) afin de le maîtriser pour produire toujours plus d énergie avec le moins d inconvénients possible. M.Meyniel 4/10

5 II. Optimisation de la gestion et de l utilisation de l énergie. 1. Transporter l énergie. Document 3 : Pourquoi et comment transporter l énergie? D après Production mondiale de pétrole en 2008 (en millions de barils/jour) Consommation mondiale de pétrole en 2008 (en millions de barils/jour) Arabie saoudite 10,782 Etats-Unis 19,498 Russie 9,79 Chine 7,831 Etats-Unis 8,514 Japon 4,785 Iran 4,174 Inde 2,962 Chine 3,973 Russie 2,916 Canada 3,35 Allemagne 2,569 Mexique 3,186 Brésil 2,485 Emirats Arabes Unis 3,046 Arabie saoudite 2,376 Koweït 2,741 Canada 2,261 Venezuela 2,643 Corée du Sud 2,175 Norvège 2,466 Mexique 2,128 Brésil 2,402 France 1,986 Irak 2,385 Iran 1,741 Algérie 2,18 Royaume-Uni 1,71 Nigéria 2,169 Italie 1,639 Production mondiale de gaz (en milliards de m 3 ) Consommation mondiale de gaz (en milliards de m 3 ) Etats-Unis 582,2 Etats-Unis 657,2 Russie 601,7 Russie 420,2 Canada 175,2 Iran 117,6 Iran 116,3 Canada 100,0 Norvège 99,2 Royaume uni 93,9 Algérie 86,5 japon 93,7 Arabie Saoudite 78,1 Allemagne 82,0 Qatar 76,6 Chine 80,7 Chine 76,1 Arabie saoudite 78,1 Indonésie 69,7 Italie 77,7 Royaume-Uni 69,6 Mexique 67,2 Pays-Bas 67,5 Ukraine 59,7 Turkménistan 66,1 Emirats Arabe Unis 58,1 Malaisie 62,5 Ouzbékistan 48,7 Ouzbékistan 62,2 France 44,2 1. En comparant ces différents tableaux, expliquer la nécessité de transporter de l énergie. 2. Donner les différents modes de transport utilisés pour le gaz et le pétrole. M.Meyniel 5/10

6 3. A l intérieur d un pays, quel mode simple de transfert d énergie présentant un minimum de pertes est privilégié? Rq : * On préfère le transport d énergie par l électricité pour plusieurs raisons : - la production d électricité est permise par toutes les ressources (solaires, éolien, centrale à combustion, centrale nucléaire, centrale hydraulique...) et elle s impose alors dans tous les usages : informatique, audiovisuel, télécommunications, appareils médicaux, voitures électriques, train, - son transport est propre et sans bruit, - l utilisation de lignes à électriques à très haute tension permet de limiter les pertes d énergie sous forme de chaleur (effet Joule). * Sur le réseau électrique, consommation et production doivent être égales à chaque instant pour éviter les «délestages» ou arrêts d approvisionnement en électricité. 2. Stocker l énergie. Documents 4 : Comment stocker l énergie? Ci-contre, de gauche à droite un ressort d horlogerie, un tramway à air comprimé, un barrage : 1. Pourquoi est-il indispensable de stocker l énergie? Peut-on le faire sous sa forme électrique? 2. Dans chacune des photographies, indiquer sous quelle forme est stockée l énergie? 3. Quel est l avantage des centrales hydroélectriques par rapport aux centrales thermiques? 4. Sous quelle forme est stockée l énergie dans un véhicule automobile à moteur thermique? M.Meyniel 6/10

7 Autres exemples de stockages de l énergie : A. La pile à combustible. Une pile à combustible consomme du dihydrogène (H 2) et du dioxygène (O 2) présents dans deux compartiments différents. Mis en contact, ces gaz réagissent pour libérer de l énergie électrique et thermique en ne rejetant que de l eau (H 2O)! Le dihydrogène n existe pas à l état brut dans la nature, il doit être produit industriellement en apportant de l énergie. Il peut ensuite être stocké (stockage chimique) avant d alimenter la pile à combustible d une voiture par exemple. 1 g d essence fournit la même énergie que 0,343 g de dihydrogène. Energie chimique, électrique, formation de H 2 Energie chimique pile à combustible Energie électrique En quoi le dihydrogène peut-il être considéré comme un système de stockage de l énergie? B. L accumulateur électrochimique. L accumulateur électrochimique, comme une pile ou un générateur, transforme de l énergie chimique en énergie électrique par une transformation chimique. A la différence d une pile, il est en outre rechargeable par électrolyse. Le stockage de l énergie se fait donc sous forme chimique. Energie chimique pile électrolyse Energie électrique Dans un accumulateur, lors de quelle phase de fonctionnement est stockée l énergie? 3. L effet de serre. Document 5 : D après Bordas 1 ère L Edition 2007 Collection Lizeaux Baude Les impacts environnementaux des énergies : l effet de serre L effet de serre est un phénomène naturel lié à la présence dans l atmosphère de gaz qui permettent à la Terre de garder une température moyenne de 15 C. Sans lui, cette température serait de -18 C, ce qui n aurait pas permis le développement de la vie. La plus grande partie du rayonnement solaire traverse l atmosphère pour réchauffer la surface du globe, puis la Terre, à son tour, réémet cette énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre (GES) piègent une partie de ce rayonnement et le renvoient vers la surface de la Terre. En agissant de manière analogue aux vitres d une serre, les GES réchauffent l atmosphère. L utilisation importante de combustibles fossiles depuis le début de l ère industrielle a engendré une forte augmentation des rejets de dioxyde de carbone dans l atmosphère. Ces rejets ont eu pour conséquence d amplifier l effet de serre. L augmentation de cet effet de serre provoque : une élévation de la température de la planète, une évaporation plus importante de l eau de mer, une fonte accélérée des glaciers, qui conduit à une augmentation du niveau de la mer et à une inondation des régions côtières. Animation : M.Meyniel 7/10

8 1. Quel est le principe de fonctionnement d une serre? 2. Quelle est la conséquence principale de l effet de serre pour la planète? Qu en découle-t-il? 3. Peut-on faire une analogie entre la Terre et une serre? 4. Quels sont les principaux gaz à effet de serre? D où proviennent-ils? 5. Comment diminuer l effet de serre dû aux activités humaines? Rq : Une prise de conscience est donc nécessaire et des mesures sont déjà mises en place (pots catalytiques des voitures, surveillance qualité de l air, limitation de la vitesse des automobiles et de l activité industrielle l été, incitations financières avec la mise en place de bonus pour des équipements de type A ) Compétences exigibles - Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les transformations d énergie en termes de conversion. - Identifier les formes d énergie intervenant dans une centrale thermique à combustion fossile ou nucléaire. - Interpréter l équation d une nucléaire en utilisant la notation symbolique du noyau. - A partir d exemples donnés d équation de réactions nucléaires, distinguer fission et fusion. - Exploiter les informations d un document pour comparer : les énergies mises en jeu dans des réactions nucléaires et dans des réactions chimiques / l utilisation de différentes ressources énergétiques. - Rechercher et exploiter des informations pour comprendre : la nécessité de stocker et de transporter l énergie / l utilisation de l électricité comme mode de transfert de l énergie / la problématique de la gestion des déchets radioactifs. - Analyser une courbe de décroissance radioactive. - Faire preuve d esprit critique : discuter des avantages et des inconvénients de l exploitation d une ressource énergétique, y compris en terme d empreinte environnementale. M.Meyniel 8/10

9 Annexe 1 : Quels déchets pour les centrales thermiques nucléaires? Document 1 : La radioactivité et la radioactivité expliquée pour tous ; Yves Heuillard ( ) Dans la nature, la plupart des noyaux des atomes (constituant la matière) sont stables. Les autres sont instables : ils présentent un excès de particules (protons ou neutrons ou les deux) qui les conduit à se transformer (par désintégration) en d autres noyaux (stables ou non). On dit alors qu ils sont radioactifs car, en se transformant, ils émettent des rayonnements dont la nature et les propriétés sont variables (rayonnements alpha, beta, gamma). Certains corps radioactifs émettent un rayonnement d une nature voisine des rayons X utilisés en radiologie, ce sont des rayons gamma, appelés aussi photons gamma. Ils sont très pénétrants c est-à-dire qu il faut des épaisseurs de béton de plusieurs mètres pour les arrêter. D autres émettent des électrons qui ne parcourent que quelques centimètres dans l air ; ce sont les rayons bêta, on dit aussi particules bêta. D autres enfin émettent un groupe de deux neutrons et deux protons (on appelle ça un hélion) ; ce sont les rayons alpha, appelés aussi particules alpha. Ils sont arrêtés par une simple feuille de papier. Certains corps radioactifs, par exemple du minerai d uranium, émettent plusieurs types de rayonnement à la fois. La radioactivité n a pas été inventée par l homme. Elle fait partie de l environnement naturel, aussi bien dans l écorce terrestre que dans l air, le corps humain, ou les aliments. Depuis sa découverte par Henri Becquerel, à la fin du XIX ème siècle, ses propriétés sont utilisées dans de nombreuses applications industrielles, militaires, médicales, de recherche Le niveau de radioactivité, appelé activité, se mesure en becquerel (de symbole Bq). Il correspond au nombre d atomes qui se désintègrent par unité de temps (la seconde). Document 2 : Niveau d'activité et durée de vie La durée de vie des radionucléides (durée pendant laquelle les noyaux instables émettent des rayonnements), est très variable, d un noyau à l autre. On appelle période radioactive (ou demi-vie) le temps au bout duquel une matière radioactive perd naturellement la moitié de sa radioactivité. Ainsi au bout de 10 périodes radioactives, la radioactivité d un produit est divisée par Document 3 : Quelques exemples d activités Radioélément Période Activité par gramme de radioélément (Bq) Iode jours 4,6 millions de milliards de Bq Césium ans milliards de Bq Plutonium ans 23 milliards de Bq Uranium 238 4,5 milliards d'années Bq Le tableau ci-dessus donne des exemples d'activités pour 1 gramme de matière (iode 131, césium 137, plutonium 239 et uranium 238). M.Meyniel 9/10

10 Document 4 : Gestion des déchets radioactifs Cycle du combustible nucléaire En France, après 3 à 5 ans de stockage dans une piscine, le temps de laisser décroitre l activité des produits de fission, le combustible usé d une centrale nucléaire contient environ 95% d uranium réutilisable s il est retraité. Les déchets ultimes sont les produits restants, non retraitables et hautement dangereux. La vitrification des déchets : Des recherches sont en cours pour le stockage des déchets ultimes dans des couches argileuses profondes. Le principal problème est de garantir une totale étanchéité sur une durée extrêmement longue (plusieurs centaines voire milliers d années). Actuellement, ces déchets sont vitrifiés et stockés e France en surface dans des conteneurs (ou, jusqu en 2010 exportés pour être stockés en Russie). Certains pays retraitent leurs déchets en France (usine de la Hague) qui les récupèrent pour les stocker. Classification des déchets radioactifs français et leur devenir : La majeure partie (95%) de la radioactivité totale des déchets radioactifs est liée à la production d électricité, même si ces déchets représentent un faible volume. Très faible activité < 100 Bq/g Faible activité < 10 5 Bq/g Moyenne Activité < 10 6 Bq/g Haute activité > 10 6 Bq/g Demi-vie très courte Demi-vie courte Demi-vie longue T < 100 jours T < 31 ans T > 31 ans gérés sur place par décroissance radioactive stockés sur place stockés sur place centre de stockage à faible profondeur (15 à 200m) à l étude centre de stockage profond (500 m) à l étude centre de stockage profond (500m) à l étude. Des clefs pour comprendre : 1- Définir l activité d un échantillon et préciser son unité. 2- Quelles protections permettent d éviter les dommages dus aux composés radioactifs? 3- Qu est-ce que la demi-vie d un noyau radioactif? 4- Soit N 0 est le nombre de noyaux radioactifs initial. Combien reste-t-il de noyaux au bout d une durée égale à une période? deux périodes? trois périodes? Application : 5- Le nuage radioactif rejeté les 25 et 26 avril 1986 par le réacteur 4 de la centrale de Tchernobyl, en Ukraine, avoisinait une activité de Bq. Il contenait notamment de l iode 131. Calculer la valeur de l activité du nuage radioactif au bout de 8 jours? de 24 jours? 6- Le traitement de déchets radioactifs élimine-t-ils toujours tous les déchets? 7- Quelles sont les deux caractéristiques des déchets radioactifs qu il importe de prendre en compte pour leur gestion? 8- Discuter les problèmes posés par la gestion des déchets radioactifs. 9- En conclusion, résumer les inconvénients des réactions de fission sur votre cours. M.Meyniel 10/10