ÉNERGIES NON RENOUVELABLES

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1 ÉNERGIES FOSSILES ÉNERGIE FISSILE ÉNERGIES FOSSILES Les énergies fossiles proviennent, comme leur nom l indique, de la fossilisation de grandes quantités de matière organique, provenant de la décomposition de végétaux et d animaux ayant vécu lors de la préhistoire. Au cours des ères géologiques, selon un processus s étalant sur plusieurs millions d années, la fossilisation a créé des gisements de charbon, de pétrole, ou de gaz naturel, qui se sont accumulés dans le sous-sol terrestre, à plus ou moins grande profondeur. Chimiquement, les énergies fossiles appartiennent à la famille des hydrocarbures (= constitués d hydrogène et de carbone). Le carbone, puisé dans l atmosphère par les plantes, via la photosynthèse, s est concentré en grande quantité dans ces énergies fossiles. Les hydrocarbures se sont formés au sein de roches-mères. En fonction de la profondeur, des conditions de température et de pression régnant au sein de la roche, la décomposition de la matière organique a abouti à des hydrocarbures solides (charbon), liquides (pétrole, huile de schiste), ou gazeux (gaz de schiste). Les stocks souterrains, qui ont mis des milliers d années à se former, ne peuvent donc pas se renouveler à l échelle humaine. Au contraire, ils s épuisent à mesure de leur exploitation. Exploitation Les énergies fossiles sont des énergies de stock. Elles représentent un concentré d énergie, stockée sous forme d énergie chimique. Pour libérer l énergie, il suffit d une réaction chimique, la combustion, pour transformer l énergie chimique en chaleur. Cette énergie thermique pourra être utilisée directement (chauffage), ou convertie en une autre forme d énergie (électricité). Conventionnels et non conventionnels L extraction de ces combustibles fossiles est plus ou moins aisée. Au fil des ères géologiques, les hydrocarbures ont eu tendance à migrer, en remontant vers la surface, et se sont accumulés dans des réservoirs, à partir desquels on les exploite aujourd hui. Ils sont dans ce cas faciles à extraire, et sont dits conventionnels. Cependant, lorsque la roche-mère est peu perméable, ils restent piégés dans la roche à des profondeurs importantes. On les appelle alors «hydrocarbures de roche-mère», ce qui désigne : le pétrole ou huile de schiste le gaz de schiste le gaz de houille 1/6

2 Du fait de la profondeur, ils sont moins accessibles, et leur extraction nécessite des techniques spécifiques, ils sont dits non conventionnels. Les gisements en off-shore profond ou en conditions polaires (pétrole, hydrates de gaz), et les sables bitumeux font aussi partie des hydrocarbures non-conventionnels. L extraction des non-conventionnels est d une part plus coûteuse, les moyens d extraction et de transformation pour les rendre utilisables étant plus complexes, et, d autre part, présentent plus de risques pour l environnement (exploitation du pétrole en arctique, techniques actuelles de fracturation hydraulique). Le charbon : formation Le charbon est une roche organique sédimentaire, qui s est formée sur plusieurs millions d années, lors de la période géologique du Carbonifère (de 350 à 290 millions d années). Le charbon résulte de l enfouissement et de la sédimentation de grandes quantités de bois et de débris végétaux, accumulés dans les marais et les tourbières. Les gisements de charbon peuvent se situer près de la surface du sol, ou être enfouis à des kilomètres de profondeur. Les larges couches de charbon ont pu se constituer grâce à l apparition, à cette époque, de vastes forêts luxuriantes, composées notamment de grandes fougères arborescentes et d arbres à écorces ligneuses d une part, et d immenses marécages d autre part. Les qualités de charbon qui se forment dépendent des conditions de température et de pression, croissantes avec la profondeur, ainsi que de la durée de maturation. Elles conduisent, par carbonisation, à la formation de charbons de plus en plus riches en carbone, au pouvoir calorifique de plus en plus élevé. La tourbe (50% à 55% de carbone) se forme en premier, puis se transforme en lignite, d un aspect terreux, brun, ne contenant que 55 à 75% de carbone. Au cours des millions d années qui suivent, sous l effet de la température et de la pression, le lignite se transforme en houille (75 à 90% de carbone), puis enfin en anthracite (plus de 95%), plus dure, de couleur noire et brillante. L anthracite se forme à plus de 10 km de profondeur. A l origine de la 1ère révolution industrielle, le charbon reste aujourd hui, au niveau mondial, la première source d énergie utilisée pour produire de l électricité (près de 40% de l électricité produite). Le pétrole : formation Le pétrole (du latin petra et oleum, soit «huile de roche») est une huile minérale naturelle utilisée comme source d énergie. Sa formation résulte de la décomposition extrêmement lente de débris végétaux et animaux (plancton), à l abri de l air, il y a des millions d années. A raison de quelques mètres par million d années, la roche-mère contenant la matière sédimentée s est enfouie progressivement, jusqu à atteindre des profondeurs de 4000 m. Plus elle s enfonce, plus la température et la pression augmentent. Le pétrole et le gaz naturel se sont formés sous l action de bactéries d abord, puis sous l effet de ces températures croissantes. En fonction des conditions géologiques, d autres composants se mélangent aux hydrocarbures, tels que soufre, azote, oxygène, sous forme solide, liquide ou gazeuse. C est pour cette raison que l apparence du pétrole brut (pétrole à l état naturel) varie d un liquide clair à un produit quasi solide et noir. Selon les gisements, les pétroles bruts sont plus ou moins liquides, plus ou moins denses (léger, lourd), plus ou moins purs (soufre). 2/6

3 Le gaz naturel : formation La formation du gaz naturel résulte de la décomposition extrêmement lente de débris végétaux et animaux microscopiques (le plancton), il y a des millions d années. Ces organismes se sont déposés au fond des mers, puis se sont mêlés aux sédiments (argile, vase) qui les ont recouverts, à l abri de l air, ce qui a constitué la roche-mère. Recouverte par de nouveaux dépôts, la roche-mère s est enfoncée dans la terre de plus en plus profondément. Sous l action des bactéries, puis des températures croissantes, la métamorphose s est poursuivie jusqu à la transformation en hydrocarbures liquides ou gazeux. Sous l effet de la pression régnant à ces profondeurs, les hydrocarbures ont été expulsés de la roche-mère, et sont remontés vers la surface, à travers des roches à plus forte porosité et perméabilité, appelées roches-réservoirs (grès, sables, calcaires). Lorsque cette migration a été arrêtée par la rencontre d une couche imperméable surmontant la roche-réservoir, les hydrocarbures ont été piégés et se sont accumulés, formant un gisement. Le gaz et le pétrole se sont ainsi formés au cours du même processus. C est pourquoi on peut les trouver associés dans les mêmes gisements. Le gaz naturel : exploitation Tous les gaz naturels n ont pas la même composition ni le même pouvoir calorifique, et, en fonction des conditions géologiques de leur formation, ils sont différents d un gisement à l autre. De fait, tous les gisements ne sont pas exploitables de la même façon : il faut savoir que les hydrocarbures ne s accumulent pas dans une poche vide du sous-sol, mais plutôt à l image de l eau dans du sable ou dans une éponge. De ce fait, il y a deux conditions qui rendent un gisement exploitable : la porosité et la perméabilité de la roche dans laquelle ils se sont accumulés. Il faut que la roche-réservoir soit poreuse, qu il s y soit créé des vides dans lesquels les hydrocarbures peuvent s accumuler. C est donc la porosité qui détermine le volume de réserves contenues dans la roche-réservoir. Il faut aussi, pour que le gaz puisse être extrait, que les pores de la roche communiquent entre eux, autrement dit qu elle soit perméable. La perméabilité définit la possibilité d exploitation. Ainsi par exemple, le gaz de schiste, aussi appelé gaz de roche-mère, est piégé dans les porosités de la roche où il s est formé, le schiste étant à la fois la roche-mère et la roche-réservoir. Cette roche étant poreuse, mais peu perméable, l extraction de ce gaz est plus difficile : elle nécessite une fissuration artificielle de la roche, pour en augmenter la perméabilité, afin d augmenter le taux de récupération du gaz. 3/6

4 Impacts environnementaux Le gaz naturel est principalement constitué de méthane (CH4), pour 70 à 95%. Pour un même dégagement d énergie, sa combustion émet 30% de CO2 de moins que la combustion du fioul, et 45% de moins que celle du charbon. Cela s explique par la faible teneur en carbone du méthane, à la différence des hydrocarbures plus lourds. De plus, sa combustion émet nettement moins d oxydes d azote (Nox) et de dioxyde de soufre (SO2) que la combustion du fioul et du charbon. Elle ne produit pas de résidus solides tels que cendres ou poussières. Bien que le méthane soit aussi un gaz à effet de serre, la contribution de l industrie gazière aux émissions de CH4 est très faible, du fait de la modernisation des réseaux de distribution, qui limite les fuites dues aux canalisations vétustes. Pour ces raisons, le gaz naturel est la plus propre des énergies fossiles. ÉNERGIE FISSILE L énergie nucléaire (du latin nucleus = noyau) est l énergie libérée par la transformation de certains noyaux atomiques radioactifs, lors de deux types de réaction nucléaire, la fusion et la fission des atomes. On appelle énergie fissile l énergie qui résulte de la fission du noyau atomique (essentiellement du noyau d uranium, qui est le seul isotope fissile naturel, les autres étant produits artificiellement). L uranium est une ressource non renouvelable. Les noyaux radioactifs lourds, tels l uranium et le thorium, proviennent des supernovae (explosions d étoiles), dont les débris se sont incorporés à la Terre lors de sa formation. 4/6

5 De l atome à l énergie nucléaire Il y a environ cent ans que l homme sait maîtriser et exploiter l énergie très puissante de l atome. Il y a deux façons de libérer l énergie nucléaire contenue dans les atomes radioactifs. On produit une réaction nucléaire : en cassant des noyaux atomiques lourds (uranium, plutonium), c est la fission en fusionnant des noyaux légers (hydrogène et hélium par exemple), c est la fusion La fission spontanée est extrêmement rare. Le réacteur nucléaire permet de la provoquer, et de la multiplier en entretenant une réaction en chaîne : la fission d un atome entraîne la fission des atomes voisins, ce qui dégage une énorme quantité d énergie. La fission de 1 gramme d uranium 235 produit autant d énergie thermique que la combustion de 1,6 tonne de fuel ou de 2,8 tonnes de charbon. La fusion, c est ce qui se passe naturellement dans les étoiles, et notamment dans le Soleil. Elle lui permet d atteindre plusieurs millions de degrés. Le projet de recherche ITER, en cours actuellement, vise à développer l utilisation des réactions de fusion pour produire de l électricité. Cette technologie ne sera vraisemblablement pas maîtrisée avant 50 à 100 ans. La radioactivité La radioactivité est naturelle. Elle a été découverte par Henri Becquerel en 1896 (d où le nom donné à l unité de mesure de l activité radioactive, le becquerel, noté Bq). C est un phénomène physique, au cours duquel certains noyaux atomiques instables, dits radioactifs, se désintègrent, ce qui dégage une énergie de rayonnement très importante. Ces atomes radioactifs sont présents dans les roches de l écorce terrestre depuis la formation de la Terre. Leur désintégration procure l énergie thermique au noyau terrestre, elle est aussi à l origine de la lave en fusion sous la croûte terrestre, des volcans, ou de l énergie géothermique. La radioactivité naturelle est aussi générée en permanence par le rayonnement cosmique, à faible dose. 5/6

6 Ressources Bien que l uranium soit très abondant dans la nature, l exploitation des gisements n est pas toujours économiquement rentable, ni socialement et/ou écologiquement acceptable. Le minerai d uranium est extrait de mines souterraines ou à ciel ouvert. La teneur du minerai en uranium est très variable, il contient de 0,1 à 20% d uranium par tonne. Une mine d uranium produit de nombreux déchets, car le minerai est traité sur place, afin d en dégager l uranium. Elle produit des rejets atmosphériques (gaz radon très toxique), ainsi que des rejets liquides et solides qui peuvent contaminer l environnement (eaux souterraines) et présenter un risque pour les populations. Une fois séparé du minerai, l uranium à l état naturel ne contient que très peu d uranium fissile : il se compose à 99,3% d uranium stable (U 238) et à 0,7% d uranium fissile (U 235). Pour être utilisé dans les réacteurs de type REP, ceux actuellement utilisés en France, l uranium naturel doit enfin être enrichi, pour porter le taux d uranium 235 à 4 ou 5%. Les réserves connues sont d environ 70 ans, à consommation constante, et sur la base des réacteurs actuels. Avec les réacteurs de 4ème génération (surgénération), qui permettront d extraire beaucoup plus d énergie de l uranium (uranium 238), ou d exploiter le thorium, les réserves seraient suffisantes pour des milliers d années. Mais il faut prévoir 40 ans de développements technologiques avant que cette technologie ne soit vraiment prête 6/6