ÉNERGIE ET ENVIRONNEMENT. Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

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1 ÉNERGIE ET ENVIRONNEMENT Marcel Lacroix Université de Sherbrooke

2 TROIS GRANDS PROBLÈMES ENVIRONNEMENTAUX 1. Pluies acides et smog 2. Détérioration de la couche d ozone 3. Réchauffement planétaire M. Lacroix Énergie et environnement 2

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4 PLUIES ACIDES ET SMOG M. Lacroix Énergie et environnement 4

5 CONSTAT 1. Il y a près d un milliard de véhicules à combustion dans le monde! 2. Amérique: 4% de la population mondiale et 50% de tous les véhicules! 3. Véhicules: principaux responsables du smog. M. Lacroix Énergie et environnement 5

6 PLUIES ACIDES: ORIGINE Combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) contiennent souvent du soufre et de l azote qui sont oxydés lors de la réaction de combustion. L azote atmosphérique est aussi être oxydé à haute température. fuel + ao + b(3.76n ) S cco 2 + dh 2 O + en 2 + fco + gno x + hso x + suies + cendres + chaleur M. Lacroix Énergie et environnement 6

7 PLUIES ACIDES: ORIGINE 1. Acide sulfurique SO SO H + H 2 2 O O H H 2. Acide nitrique 2 2 SO SO 3 4 ; H 2 SO O 2 H 2 SO (Oxyde d azote: couleur brune, toxique) 4 NO O 2 NO2; HNO 3 M. Lacroix Énergie et environnement 7

8 SUBSTANCE ph Acide batterie 0 Acide estomac 1.5 Jus de citron 2 Vinaigre 3 Tomates 4 Café noir 5 Lait 6.5 Eau pure 7 Sang 7.5 Bicarbonate 9 Lait magnésie 10 ph PLUIES ACIDES: ÉCHELLE ph = log H + mole litres Pluie acide: ph<5.6 Exemple: Pasadena, Californie 1982: pluie dont le ph ~ 2.5! M. Lacroix Énergie et environnement 8

9 SMOG: ORIGINE CO O + + O NO 3 x + ( hydrocarbures) + ( hydrocarbures) + ( soleil) ( polluants) O + O 3 ; Oxygène monoatomique et ozone: toxiques et hautement réactifs M. Lacroix Énergie et environnement 9

10 SMOG + MÉTÉO M O = CHAUDRON M. Lacroix Énergie et environnement 10

11 PLUIES ACIDES: CONSÉQUENCES SUR LA FORÊT M. Lacroix Énergie et environnement 11

12 PLUIES ACIDES: CONSÉQUENCES SUR LES LACS ph Effet 6 Mort du plancton 5.5 Mort des truites 4.5 Algues seulement 3.5 Lac mort M. Lacroix Énergie et environnement 12

13 PLUIES ACIDES: CONSÉQUENCES SUR LES CONSTRUCTIONS M. Lacroix Énergie et environnement 13

14 PLUIES ACIDES ET SMOG: CONSÉQUENCES SUR LA SANTÉ 1. Maladies pulmonaires: asthme, bronchite et emphysème. 2. Exemple: Londres, 1952: 4000 décès en 5 jours! 3. Précipitation acides libèrent les métaux lourds des roches (plomb, cadmium et mercure) qui s accumulent ensuite dans l eau. M. Lacroix Énergie et environnement 14

15 PLUIES ACIDES ET SMOG: COMMENT Y ATTÉNUER LES EFFETS? (EN AMONT) 1. Utiliser des combustibles plus propres et dont le PCI est plus grand. 2. Accroître le rendement énergétique des machines thermiques. 3. Favoriser les formes d énergie renouvelable. M. Lacroix Énergie et environnement 15

16 PLUIES ACIDES ET SMOG: COMMENT Y ATTÉNUER LES EFFETS? (EN AVAL) 1. Pots catalytiques (véhicules): CO et NO x convertis en CO 2, N 2 et O Scrubbers (centrales au charbon): gaz rejetés barbotés dans de la chaux pour fixer les SO x dans le gypse. M. Lacroix Énergie et environnement 16

17 DÉTÉRIORATION DE LA COUCHE D OZONED M. Lacroix Énergie et environnement 17

18 COUCHE D OZONE: D C EST C QUOI? Molécule d ozone M. Lacroix Énergie et environnement 18

19 COUCHE D OZONE: D POURQUOI S EN S PRÉOCCUPER? La couche d ozone troposphérique est la crème solaire de la planète terre. Elle protège la vie des rayons ultraviolets nocifs. Sans cette couche de 3mm d épaisseur (à 100 kpa), la planète terre deviendrait aussi stérile que la planète mars. Le phytoplancton à la surface des océans disparaîtrait, suivi du zooplancton, puis de la vie marine et enfin de la vie terrestre. M. Lacroix Énergie et environnement 19

20 CHLOROFLUOROCARBONES (CFC) Molécule inventée dans les années 1920 pour remplacer l ammoniac et le dioxyde de soufre dans les systèmes de réfrigération. Avantage: molécule stable et inoffensive. Utilisée aussi dans les aérosols, les mousses isolantes, les solvants, les détergents, les parfums, etc. M. Lacroix Énergie et environnement 20

21 UTILISATION DES CFC Leur production atteint un sommet dans les années 70 M. Lacroix Énergie et environnement 21

22 PLANÈTE VÉNUSV 1974: Deux chimistes américains, Rowland et Molina, étudient la chimie de l atmosphère de la planète Vénus M. Lacroix Énergie et environnement 22

23 et mettent en évidence la réaction chimique suivante entre les molécules d ozone et les atomes de chlore M. Lacroix Énergie et environnement 23

24 En transposant leurs résultats à la planète terre, ils découvrent alors qu au rythme où l on produit les CFC, nous nous dirigeons vers une catastrophe planétaire 24

25 L opinion publique est alertée et, pressés, les chefs d état doivent réagir. La production de CFC sera finalement interdite M. Lacroix Énergie et environnement 25

26 Image radar de la couche d ozone au dessus de l antarctique (NASA) Le trou dans la couche d ozone semble, pour l instant, se stabiliser M. Lacroix Énergie et environnement 26

27 Prix Nobel de chimie 1995 M. Lacroix Énergie et environnement 27

28 RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE M. Lacroix Énergie et environnement 28

29 RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE On peut voir le smog, constater l effet des pluies acides mais comment appréhende-t-on le réchauffement planétaire? Ce problème est insidieux. Il dépasse nos sens et notre échelle de temps. M. Lacroix Énergie et environnement 29

30 EFFET DE SERRE: C EST C QUOI? Le verre est transparent au rayonnement visible mais opaque au rayonnement infrarouge. Résultat: accumulation de chaleur dans la serre. de dt v. c. = E in E out M. Lacroix Énergie et environnement 30

31 EFFET DE SERRE BÉNÉFIQUE: B EXEMPLE DE LA PLANÈTE TERRE Grâce à l effet de serre, la température moyenne sur terre est 15 0 C. Sans cet effet, la température moyenne s établirait à ~ C! M. Lacroix Énergie et environnement 31

32 EFFET DE SERRE SUR TERRE: GAZ RESPONSABLES 1. Eau: H 2 O (10000 à ppm). 2. Gaz carbonique: CO 2 (350 ppm). 3. Méthane: CH Oxydes nitriques. 5. Ozone. 6. CFC. 7. Autres molécules asymétriques M. Lacroix Énergie et environnement 32

33 EFFET DE SERRE MALÉFIQUE: EXEMPLE DE LA PLANÈTE VENUS À la surface, la température est C et la pression 90bars! M. Lacroix Énergie et environnement 33

34 Image radar de la sonde Magellan M. Lacroix Énergie et environnement 34

35 LA CONCENTRATION DE CO 2 SUR TERRE AUGMENTE-T-ELLE? ELLE? Au cours des ~ dernières années, la concentration de CO 2 dans l atmosphère mesurée s est maintenue autour de 280 ppm et puis elle s est mise à croître au début du 19ème siècle. M. Lacroix Énergie et environnement 35

36 À QUOI ATTRIBUE-T-ON L AUGMENTATION DE CO 2 SUR TERRE? 1. Concentration de CO 2 dans l atmosphère: elle s est mise à croître pendant la révolution industrielle, époque où la consommation intensive de combustibles fossiles a commencé. 2. Population mondiale: elle a triplé au 20ème siècle. M. Lacroix Énergie et environnement 36

37 À QUOI ATTRIBUE-T-ON L AUGMENTATION DE CO 2 SUR TERRE? 3. Activité industrielle: elle est aujourd hui 50 fois plus intense que ce qu elle était en 1900 et on prévoit qu elle décuplera au cours du 21ème siècle. 4. Agriculture intensive et déforestation accélérée. M. Lacroix Énergie et environnement 37

38 30 Key Energy Trends (IEA): Émissions passées de gaz carbonique M. Lacroix Énergie et environnement 38

39 30 Key Energy Trends (IEA): Émissions prévues de gaz carbonique M. Lacroix Énergie et environnement 39

40 Y-A-T IL UNE RELATION ENTRE L AUGMENTATION DE CO 2 DANS L ATMOSPHÈRE ET LE RÉCHAUFFEMENT DE LA PLANÈTE? Le rapport deutérium/hydrogène dans l eau des échantillons de glace prélevés aux pôles croît avec la température. Et la concentration en CO 2 des bulles d air emprisonnées dans ces mêmes échantillons croît. Datation jusqu à années. M. Lacroix Énergie et environnement 40

41 CORRÉLATION ENTRE CONCENTRATION DE CO 2 ET TEMPÉRATURE MOYENNE? M. Lacroix Énergie et environnement 41

42 PEUT-ON ALORS CONCLURE QUE LE RÉCHAUFFEMENT PLANÉTAIRE EST DÛ À L ACTIVITÉ HUMAINE? Personne ne nie le fait que l augmentation l de la concentration de CO 2 dans l atmosphl atmosphère coïncide à la période p d utilisation d intensive de combustibles fossiles. En déduire d duire que le réchauffement r de la planète est dûd au CO 2 généré par l activitl activité humaine fait toutefois l objet l de vifs débatsd bats M. Lacroix Énergie et environnement 42

43 QUELS SONT LES SIGNES TANGIBLES DU RÉCHAUFFEMENT R PLANÉTAIRE? 1. Augmentation constante de la température moyenne de la planète au cours des 200 dernières années. 2. Montée du niveau des océans: 15 cm au cours du dernier siècle (expansion thermique). 3. Courants atmosphérique et marin perturbés. M. Lacroix Énergie et environnement 43

44 QUELS SONT LES SIGNES TANGIBLES DU RÉCHAUFFEMENT R PLANÉTAIRE? 4. Canicules et sécheresses plus fréquentes et prolongées. 5. Désertification accélérée. 6. Récession des glaciers et des calottes glaciaires. 7. Population croissante d insectes porteurs de maladies tropicales: malaria, dengue, fièvre jaune et maladie du sommeil. M. Lacroix Énergie et environnement 44

45 EFFET DE RÉTROACTIONR Système: le climat. Résultat: le réchauffement planétaire. Rétroaction positive: accentuation du résultat (indésirable). Rétroaction négative: atténuation du résultat (souhaitable). M. Lacroix Énergie et environnement 45

46 RÉTROACTION POSITIVE Augmentation de la température engendrée par de l effet de serre. Fusion des calottes polaires. Rétrécissement de la surface réfléchissante du rayonnement solaire. Davantage de chaleur absorbée. Accentuation du réchauffement planétaire. M. Lacroix Énergie et environnement 46

47 RÉTROACTION POSITIVE Augmentation de la concentration de CO 2 dans l atmosphère. Réchauffement planétaire. Évaporation d eau accrue: gaz à effet de serre. Eau plus chaude: CO 2 libéré par océans. Accentuation du réchauffement planétaire. M. Lacroix Énergie et environnement 47

48 Dissolution du CO 2 dans l eau l (101kPa) 2 Vol. gaz / Vol. eau 1,6 1,2 0,8 0, Degrés C M. Lacroix Énergie et environnement 48

49 RÉTROACTION NÉGATIVEN Réchauffement planétaire engendré par l augmentation de la concentration de CO 2. Évaporation d eau accrue: davantage de nuages dans le ciel. Rayonnement solaire réfléchi par les nuages: moins de chaleur absorbée. Réchauffement planétaire atténué et même renversé. M. Lacroix Énergie et environnement 49

50 RÉTROACTION NÉGATIVEN Augmentation de la concentration de CO 2. Accélération de la croissance des plantes qui s alimentent de CO 2. Consommation accrue de CO 2 par les plantes. Effet de serre se résorbe. M. Lacroix Énergie et environnement 50

51 BILAN GLOBAL DE CO 2 : FRAGILE CO 2 OCÉANS CO 2 ATMOSPHÈRE CO 2 SOL PHOTOSYNTHÈSE DÉCOMPOSITION PLANTES ORGANISMES MORTS ANIMAUX M. Lacroix 51

52 QUE PEUT-ON FAIRE? 1. Remplacer les combustibles fossiles dont le PCI est faible (ex:charbon, 24MJ/kg) par ceux dont le PCI est plus grand (ex:gaz naturel, 55MJ/kg). 2. Accroître le rendement énergétique par unité de CO 2 émise. 3. Passer des formes d énergie non renouvelable aux formes d énergie renouvelable. M. Lacroix Énergie et environnement 52

53 ACCORD DE KYOTO: UN PREMIER PAS DANS LA BONNE DIRECTION 16 février 2005 M. Lacroix Énergie et environnement 53