MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

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1 MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

2 L énergie : un concept abstrait Intervenants Bénédicte de Bonneval Gabriel Soum Fernand Padilla

3 I- INTRODUCTION Définitions Activité : le ventilateur électrique Unités d énergie Plan II- ENERGIES D ORIGINE NON RENOUVELABLE Energies fossiles (centrales thermiques) Energie nucléaire (centrales nucléaires) III- ENERGIES D ORIGINE RENOUVELABLE Energie mécanique (hydraulique, éolienne, marémotrice) Energie solaire (panneaux photovoltaïques ou thermiques, four solaire) Energie thermique (de la Terre) Energie biochimique (biocarburants) V- CONCLUSION

4 I - Introduction Définitions Nom féminin singulier * vitalité, force physique (se sentir plein d'énergie, laver et frotter avec énergie) * force morale, fermeté, vigueur (galvaniser les énergies du peuple, se battre avec l'énergie du désespoir) * vigueur, efficacité dans l'expression (parler avec énergie) *grandeur, dont l'unité est le joule, qui caractérise un système et qui exprime sa capacité à modifier l'état d'autres systèmes en interaction avec lui * chacun des modes que peut présenter un tel système (énergie cinétique, énergie mécanique, énergie thermique) Expressions : sources d'énergie ensemble des matières premières ou des phénomènes naturels utilisés pour produire de l'énergie Ministère de l'ecologie, du Développement durable et de l'energie Définition : l'énergie caractérise la capacité par un système à fournir du travail, à mettre en mouvement, à éclairer, à élever la température ou à communiquer.

5 I - Introduction Définitions Une source d énergie est un système (un objet) capable de fournir de l énergie à un autre système (ou objet). Ces objets possèdent de l énergie grâce à : -Leur composition chimique (énergies fossile, nucléaire, chimique, biochimique ou bioénergie) - Leur mouvement ou leur position (énergie mécanique) -Leur température (énergie solaire ou géothermique) Une source d énergie est dite primaire si elle est disponible dans la nature : elle fournit une énergie primaire (sources dues aux astres : soleil, terre et lune) Une source d énergie est dite secondaire si elle est due à une transformation : elle fournit une énergie secondaire qui, à partir de nouvelles conversions, aboutit à une énergie dite finale en vue de son utilisation. Toutes ces transformations forment une chaîne énergétique.

6 I - Introduction Chaîne énergétique chaleur Source d énergie Objet de transfert (engrenage, poulie, fluide, ) Objet recevant l énergie (air, utilisateur, ) Type d énergie (cinétique, potentielle, mécanique.)

7 I - Introduction Unités d énergie et de puissance Unité d énergie : Joule TJ GJ 1 MJ 1 kj 1 J J 10 9 J 10 6 J 10 3 J 45 L d essence barre chocolatée (239 kcal) 1 Joule (J) est l'énergie requise pour soulever une petite pomme (102 g) d un mètre à la surface de la Terre Autres unités : 1kcal = 4,18 kj l'énergie requise pour réchauffer un kilogramme d eau d un degré Celsius 1 TEP = 41,187 GJ (tonne d équivalent pétrole)

8 Sources d énergie (conversion) Energies non renouvelables Énergie nucléaire Energies renouvelables EnR = Energies d origine renouvelable «Les sources primaires non renouvelables sont celles qui disparaîtront un jour.. énergies fossiles : charbon, pétrole, gaz.. énergie nucléaire obtenue par :. fission nucléaire de l'uranium utilisé dans toutes les centrales.. fusion nucléaire (Deutérium et Tritium) non exploitée à l'échelle industrielle.»

9 Energies d origine non renouvelable Centrales nucléaires En France : 19 centrales (58 réacteurs nucléaires) produisent 75 % de l énergie électrique

10 Source primaire : le combustible -constitué d uranium enrichi placé dan un tube appelé crayon -le bombardement de ses atomes par des neutrons lents (2 km.s -1 ) provoque la fission des atomes et la production de neutrons rapides (20000 km.s -1 ) Les neutrons rapides sont ralentis par un modérateur (graphite) Pour éviter l emballement du réacteur on place des barres de contrôle cadmium ) entre les crayons de combustible (argent, La fission provoque une libération d «énergie thermique» récupérée par un fluide appelé caloporteur qui sort du cœur du réacteur à une température comprise entre 300 et 550 C.

11 L eau chauffée par le caloporteur dans un générateur de vapeur est portée à ébullition pour produire de la vapeur qui entraîne un jeu de turbines couplées à un alternateur produisant de l électricité. À la sortie de la turbine, la vapeur est refroidie par l eau d une rivière proche et dans une tour de refroidissement avant d être réinjectée dans le réacteur. Réacteurs à Eau Pressurisée : 80 % en Europe La chaîne énergétique

12 Avantages Inconvénients Source d énergie concentrée 1g U ~ 1 tonne charbon Puissance Entre 900 et 1500 MW Ressources limitées ans ou plus Pas de contribution à l effet de serre "Le réacteur nucléaire est la machine la plus complexe, la plus dangereuse et la plus chère que l'homme ait inventée pour faire bouillir de l'eau." Traitement sécurisé des déchets France ~ 1 kg/an/habitant Stockage des déchets Plusieurs centaines d années Coût de construction 2,4-4 milliards Démantèlement des sites en fin d exploitation

13 Centrales thermiques Chaîne énergétique identique à la précédente Source primaire : le charbon ou le gaz -pour chauffer un fluide (dans la majorité des cas, il s agit d eau), - Transformation de l état liquide à l état gazeux (tel que la vapeur par exemple). - La vapeur ainsi obtenue va faire tourner une turbine qui elle même est reliée à un alternateur qui va produire de l énergie électrique. -La vapeur est condensée en aval de la turbine puis réinjectée dans le circuit Les centrales thermiques en France ont des puissances pouvant varier de 100 MW à 700 MW Avantages : pratiquement aucun malgré le faible nombre de centrales en France (en cas de surconsommation) Inconvénients : combustible cher qui se raréfie et surtout pollution au CO 2

14 Energies d origine renouvelable Les énergies d origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine Energie solaire (Cycle de l eau ) Panneaux photovoltaïques Panneau thermique Four solaire Energie mécanique Hydraulique Eolienne Marémotrice (Hydrolienne) (Osmotique) Bioénergie Corps humain Biomasse Photosynthèse Biocarburants Energie thermique Géothermie (des mers)

15 Energie mécanique Hydraulique 2 ème source de production électrique en France elle représente 15 % Le barrage de Sainte-Croix du Verdon : une centrale hydroélectrique qui produit 142 millions de kwh par an.

16 Energie mécanique Eolienne L énergie éolienne est l énergie cinétique de l air en mouvement (vent). Elle peut : -Produire de l électricité -Mettre en mouvement (navire à voile, char à voile, pompage de l eau, la meule d un moulin, ). France : 3 ème position après l Allemagne et l Espagne

17 Energie mécanique Eolienne Avantages aucun rejet (pas d'effet de serre ou de pluies acides) aucun déchet (toxique ou radioactif) Pas de carburant coût compétitif (18000 à euros) installation démontée rapidement et lieux dans leur état initial. Inconvénients Bruit Dégradation aspect visuel Pollution lumineuse due au flash (5s) Objet mortel pour les oiseaux interférences avec les radars météorologiques Régulation par les centrales thermiques dues à l intermittence et l imprévisibilité du vent

18 Energie mécanique Marémotrice Les marées hydrographiques sont le résultat des attractions combinées de la lune et du soleil. Une usine marémotrice est une usine hydroélectrique comprenant un barrage séparant la mer de un ou plusieurs bassins entre lesquels on crée une différence de niveau des eaux utilisée, pour mouvoir une ou des turbines générant de l électricité. L'énergie marémotrice a une double origine : - énergie potentielle (en exploitant les variations du niveau de la mer) exemple : La Rance - énergie cinétique (en exploitant les courants de marée) ou

19 Energie mécanique Marémotrice Les centrales sont surtout positionnées en Bretagne et dans la baie du Mont Saint Michel Avantages totalement prédictible (à l inverse des autres énergies renouvelables). propre, naturelle et renouvelable. source d'énergie inépuisable et non soumise aux aléas climatiques sans danger sur l'environnement. Inconvénients Peu de sites dans le monde (conditions hydrodynamiques particulières) La composition des sols doit permettre à l'usine de rester en équilibre. (sol granitique, roche dure et non friable). Abandon des installations d exploitation de l énergie potentielle (perturbation des équilibres écologiques des sites d implantation). Recherches sur l énergie marémotrice cinétique. corrosion des matériaux de l usine par l eau de mer

20 Energies d origine renouvelable Les énergies d origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine Energie solaire (Cycle de l eau) Panneaux photovoltaïques Panneau thermique Four solaire Energie mécanique Hydraulique Eolienne Marémotrice (Hydrolienne) (Osmotique) Bioénergie Corps humain Biomasse Photosynthèse Biocarburants Energie thermique Géothermie (des mers)

21 Energie solaire Naine jaune composée d hydrogène (74 % en masse et 92 % en volume) et d hélium (24 % en masse et 7,8 % en volume) Réactions de fusion nucléaire Températures : au centre (15,1 MK) et à la surface (5750 K) Apport d énergie thermique et d énergie photovoltaïque tirée du rayonnement Age : 4,57 milliards d années durée de vie : 7,6 milliards d années

22 Energie solaire Effet photovoltaïque Ensoleillement dans le monde Obtention d un courant électrique à partir du rayonnement électromagnétique grâce à l effet photoélectrique Les modules solaires photovoltaïques sont constitués de Si (monocristallins, polycristallins ou amorphes) Production : -En Europe 20 % de l énergie électrique -En France 4 ème place (produit 10 fois moins que l Allemagne)

23 Energie solaire Energie solaire thermique Transformation de l énergie du rayonnement solaire en énergie thermique : -Capture de l énergie des rayons solaires grâce à un corps noir (chauffe eau solaire) -Concentration du rayonnement solaire en un point (four solaire) Chauffe eau solaire Le grand four solaire d'odeillo (Pyrénées-Orientales) kw -Capteurs sont simples, rustiques et durables Production en France : -50 % des besoins annuels en eau chaude

24 Energies d origine renouvelable Les énergies d origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine Energie solaire (Cycle de l eau) Panneaux photovoltaïques Panneau thermique Four solaire Energie mécanique Hydraulique Eolienne Marémotrice (Hydrolienne) (Osmotique) Bioénergie Corps humain Biomasse Photosynthèse Biocarburants Energie thermique Géothermie (des mers)

25 Energie thermique Géothermie La géothermie, est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes de la Terre et la technique qui vise à l'exploiter. Géothermie de surface à basse température: 5-10 C, Géothermie profonde C, jusqu'à m de profondeur, Géothermie très profonde à haute et très haute température, jusqu'à m, Géothermie volcanique de type geyser. Pour arriver à puiser l énergie géothermique on fait circuler un fluide dans les profondeurs de la Terre ; il se réchauffe et on transforme cette énergie en électricité ou on l utilise directement. Le forage permet d'atteindre une température de l'eau entre 30 C et 100 C dans des gisements situés entre et m de profondeur. En France, un réseau de chauffage urbain situé en région parisienne utilise la géothermie basse énergie. Production en France : 4150 GWh/an (Bretagne, Ile de France et Alsace) 5 ème rang mondial

26 Energies d origine renouvelable Les énergies d origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont la consommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine Energie solaire (Cycle de l eau ) Panneaux photovoltaïques Panneau thermique Four solaire Energie mécanique Hydraulique Eolienne Marémotrice (Hydrolienne) (Osmotique) Bioénergie Corps humain Biomasse Photosynthèse Biocarburants Energie thermique Géothermie (des mers)

27 Bioénergie Corps humain, biomasse, photosynthèse ou biocarburants La biomasse est l ensemble des matières organiques d origine végétale et animale pouvant devenir source d énergie par combustion, après méthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformation chimiques (biocarburants)

28 Bioénergie biocarburants Il en existe trois grands types : - issus des plantes contenant de l'huile comme le colza ou le tournesol (Diester ou biodiesel) - obtenus à partir d'alcool produit avec des plantes contenant du sucre ou de l'amidon (bioéthanol). - produits, sous forme gazeuse, par fermentation sans oxygène de déchets alimentaires, végétaux (biogaz). Il existe trois générations de biocarburants : 1 ère génération : les biocarburants issus exclusivement des cultures alimentaires ; 2 ème génération : les biocarburants issus majoritairement des arbres et arbustes (bois, feuilles, paille, etc.) ; 3 ème génération : les biocarburants issus des algues dits algocarburants. En 2009 : - 92,8 milliards de litres produits dans le monde (30 % des litres d essence) - la moitié de la canne à sucre au Brésil est dédiée aux biocarburants, 30% du maïs aux Etats-Unis et 60% du colza en Europe. 1 ère énergie renouvelable en France

29 III - Ressources et consommation CONSOMMATION D ÉNERGIE EN FRANCE par an entre 1980 et 2000 Année Énergie consommée en Mtep Nombre de millions d habitants Énergie consommée par habitant en tep/hab , , ,9 par secteur d utilisation par type d appareil dans un foyer

30 III - Ressources et consommation Réserves mondiales d énergie et production annuelle 2011 Réserves mondiales (en Gtep) Production annuelle (en Gtep) Nombre d'années de production à ce rythme Pétrole 234 4,0 58 Gaz naturel 187 3,3 57 Charbon 564 3, Uranium 30 0, Hydraulique 2,7 0,79 - Énergie éolienne 8,8 0,104 - Solaire ,016 - Biomasse 70 0,074 - Total conventionnel ,9 83 -Immensité des réserves potentielles de l'énergie solaire -Prépondérance des ressources énergétiques en charbon - Faiblesse des réserves d'uranium (énergie nucléaire).

31 Conclusion Sortir de l impasse est nécessaire! On peut sortir de cette voie sans issue énergétique, et sans revenir à la bougie, ni en bouleversant tout d un coup! Cette démarche est possible en 40 ans Pour y arriver, nous devons agir dans trois directions : moins consommer : c est la «sobriété énergétique» mieux consommer : c est l «efficacité énergétique» développer les énergies renouvelables et abandonner les énergies fossiles & fissiles.