Sciences physiques L énergie Sources, formes, renouvelable et pollution C.F.A du bâtiment Ermont 1
Activité Nous avons tous des connaissances sur l énergie, et nous allons commencer ce dossier en mettant en commun nos idées : chacun votre tour, vous allez proposer un mot qui soit en rapport avec l énergie. Et bien sûr, nous dresserons au tableau la liste des mots proposés par le groupe en deux ou trois tours. Enfin, nous classerons les mots proposés. J ai une idée précise de ce que je veux aborder avec vous dans ce dossier, vous vous en doutez en groupe, saurez-vous trouver au moins un mot pour chaque aspect que je dois aborder avec vous? Le défi est lancé, faites chauffer vos méninges! 2
Formes et sources d énergie Il ne faut pas confondre forme d énergie et source d énergie : La forme d énergie, c est la façon dont cette énergie se manifeste : de la chaleur, du mouvement, de l électricité, etc. La source d énergie, c est la source! C'est-à-dire le plus souvent, la matière qui va servir pour fournir l énergie : du bois, des aliments, des hydrocarbures, etc. Mais aussi la lumière, le vent, etc. Une forme peut avoir différentes sources. Par exemple, on peut fournir de l énergie thermique (de la chaleur) de plein de façons différentes : en se mettant au soleil, en utilisant la combustion du bois, ou du charbon, ou encore de tout autre combustible, en utilisant la radioactivité, etc. Les différentes formes que peut prendre l énergie (Illustration : Wikipedia) 3
Énergie renouvelable et pollution Ce que l on appelle énergie renouvelable, c est une source d énergie qui est inépuisable, ou pour être plus précis, une source d énergie qui peut être considérée comme inépuisable à l'échelle de temps humaine. On peut citer parmi les énergies renouvelables : L énergie solaire Solaire thermique pour chauffer et solaire photovoltaïque pour fabriquer de l électricité. L énergie éolienne Utilisation de la force du vent. L énergie hydraulique Utilisation de la force de l eau quand elle perd de l altitude, ou quand elle subit des marées. L énergie géothermique Utilisation de la chaleur du sol, qui croît avec la profondeur, ou qui parfois remonte à la surface. L énergie biologique Utilisation du bois ou de l énergie produite par des micro-organismes (algues ou bactéries). (Illustration Wikipedia) Les autres énergies ne sont non-renouvelables : leur stock sur Terre est limité, et tôt ou tard, elles finiront par être trop peu disponibles pour être exploitables. C est le cas du charbon, des hydrocarbures (pétroles et gaz naturels), de l uranium etc. 4
Quand on considère les problèmes énergétiques, la pollution intervient à plusieurs niveaux : Lors de la captation de la source Lors de l utilisation de la source. De plus, toutes les pollutions ne se valent pas : Certaines sont légères, d autres chimiquement importantes, voire radioactives. Certaines sont localisées, d autres s étendent sur des territoires immenses. Certaines sont temporaires, d autres peuvent durer des siècles ou millénaires. Toutes en revanche ont des implications négatives et durables sur les populations : espace de vie, alimentation et santé sont en danger. Attention : Renouvelable ne veut pas nécessairement dire non-polluant, même si elles améliorent souvent beaucoup la situation. Il faut tenir compte de la fabrication et du recyclage des matériaux, comme pour les capteurs solaires par exemple. Et puis certaines biomasses produisent une pollution au gaz (CO 2 ) qu il faudrait éviter. Attention encore : Le stockage des déchets reste une pollution. Pire : c est une pollution qui s accumule Seul un recyclage des déchets est non-polluant, ou moins polluant. 5
Les formes d énergie Voici quelques formes d énergie, celles qui sont classiques dans la vie de tous les jours : Mécanique (vitesse, altitude, rotation, torsion) Thermique (réchauffement, combustion, éclairage ) Chimique (nourriture, ) Nucléaire (émissions radioactives) Électrique (moteurs électriques, foudre, ) Rayonnante (rayons solaires, éclairage par LED, ) On remarquera que bien souvent, même si pas toujours, l énergie est utilisée immédiatement ou stockée sous la forme d électricité ou de chaleur, que l on peut utiliser plus tard. 6
Les sources d énergie Dans cette partie du dossier, nous allons laisser de côté la facette alimentaire de l énergie Consommation mondiale 2013 Nucléaire 4% Hydroélectrique 6% Autres 3% Bio-énergie 9% Charbon 27% Gaz 21% Pétrole 30% 7
Le charbon Le charbon est une roche formée par de la matière organique (des résidus d êtres vivants) accumulée sur des millions d années. C est donc une énergie fossile non-renouvelable. Son extraction dans les mines est polluante, son utilisation également, puisque en le brûlant, sont relâchés dans l atmosphère aussi bien des poussières que des gaz à effet de serre. Le charbon couvre environ 30% des besoins énergétiques de la planète (25 % il y a 5 ans). Les réserves terrestres en charbon exploitables sont estimées à 100 ou 150 ans. 8
Le pétrole Le pétrole est formé également par de la matière organique (des résidus d êtres vivants) accumulée sur des millions d années. C est donc une énergie fossile non-renouvelable. Son extraction dans les nappes est polluante, son utilisation également, puisque en le brûlant, sont relâchés dans l atmosphère des gaz à effet de serre, par exemple. Le pétrole couvre environ 30% des besoins énergétiques de la planète. Le pétrole est très utilisés pour les moyens de transports, c est là qu il est le plus dur à remplacer. Les réserves terrestres en pétrole exploitables sont estimées à 50 ans. 9
Le gaz naturel Le gaz naturel est formé avec et de la même manière que le pétrole. C est donc une énergie fossile non-renouvelable. Son extraction dans les nappes est polluante, son utilisation également, puisque en le brûlant, sont relâchés dans l atmosphère des gaz à effet de serre, par exemple. Le gaz naturel couvre environ 20% des besoins énergétiques de la planète. Les réserves terrestres en pétrole exploitables sont estimées à 50 ou 100 ans. Important dans le bâtiment (chauffage, eau-chaude, alimentation), on peut lui trouver des alternatives renouvelables, et moins polluantes. 10
L énergie nucléaire La production d énergie nucléaire utilise des minerais radioactifs (principalement ceux qui contiennent de l uranium) contenus dans la croute terrestre. C est donc bien une énergie non-renouvelable. Son extraction dans les mines est polluante. Son utilisation produit des déchets radioactifs très problématiques, qu on ne sait pas traiter réellement, et qui présenteront pour l environnement comme pour l humanité un danger pendant des siècles, voire des millénaires. Pourtant, cette énergie ne couvre que 4% des besoins énergétiques de la planète (en France, c est 5 fois plus environ). Les réserves terrestres en uranium exploitables sont estimées à moins de 100 ans. 11
L énergie hydraulique L énergie hydraulique consiste à utiliser le courant des eaux terrestres (cours d eau, marées) pour produire de l électricité (hydro-électrique), et parfois de l énergie mécanique. C est une énergie renouvelable. L énergie hydrolique couvre environ 6% des besoins énergétiques de la planète. Dans l absolu, cette énergie est non- polluante, mais il faut tenir compte des pollutions liées aux infrastructures. Par exemple, un barrage nécessite d inonder de vastes territoires (problème environnemental et humain) et d utiliser des grandes quantités de béton. On peut développer encore cette énergie, mais comme le suggère le point précédent, pas tant que cela, et pas sans problème environnemental et humain. 12
La bio-énergie La bio-énergie est l énergie obtenue par l exploitation de ressources organiques : Le bois pour la combustion Des algues, bactéries et champignons pour produire chimiquement de l énergie à partir des déchets organiques ou de cultures dédiées : bio-gaz, bio-carburant. C est dans le monde la première énergie renouvelable (la seconde en France), avec presque 10 % de la production totale. Elle est globalement positive en terme de pollution, produisant très peu de gaz à effet de serre. En revanche, elle pose de gros problème d occupation des zones cultivables, et peut amener à des tensions légitimes là où la nourriture vient à manquer. Il faudrait donc privilégier l utilisation des déchets organiques plutôt que les cultures dédiées. 13
L énergie solaire L énergie solaire est l énergie obtenue par l exploitation de la lumière rayonnée par le soleil. On l utilise de deux façons : En la transformant en énergie thermique (on chauffe de la matière) : c est l énergie solaire thermique. En la transformant en énergie électrique : c est l énergie photovoltaique. C est une énergie renouvelable en croissance, mais la production atteint à peine 1 % de la production totale actuellement. Elle est globalement très positive en terme de pollution, produisant très peu de déchets, essentiellement les matériaux des panneaux capteurs (non encore tous recyclables). Elle permet de produire de l électricité aussi bien en centrale (ferme solaire) qu en individuel, et s adapte très bien aux lieux isolés. Son principal défaut jusqu à présent était de ne pas permettre une régulation de la production (arrêt de la production la nuit par exemple), mais les récentes centrales ont trouvé une solution qui règle ce problème (centrales aux sels de sodium par exemple), et c est une vraie avancée. 14
L énergie éolienne L énergie éolienne est l énergie obtenue par l exploitation du vent pour faire de l électricité. C est une énergie renouvelable en croissance, mais la production atteint à peine 2 % de la production totale actuellement. Elle est globalement très positive en terme de pollution, produisant très peu de déchets, essentiellement les matériaux des éoliennes (non encore tous recyclables). Elle permet de produire de l électricité aussi bien en centrale (ferme) qu en individuel, et s adapte donc aux lieux isolés. Son principal défaut : la production reste discontinue et aléatoire. Ce ne peut être qu une énergie d appoint. L aspect esthétique et le bruit sont également deux freins à son adoption. 15
L énergie géothermique L énergie géithermique est l énergie obtenue par l exploitation de la chaleur contenue dans le sol et qui augmente avec la profondeur. C est une énergie renouvelable en croissance, mais encore peu développée. Elle est globalement très positive en terme de pollution, produisant très peu de déchets, essentiellement les matériaux de captage (non encore tous recyclables). Elle permet de produire de la chaleur quand il fait froid, aussi bien en centrale qu en individuel, et parfois aussi de la fraîcheur quand il fait chaud. 16
Synthèse L énergie est ce qui permet à un système d effectuer un travail au sens physique : une action mécanique (mise en mouvement, déformation, ) un rayonnement électromagnétique (émission de lumière par exemple) un apport de chaleur L unité scientifique officielle de l énergie est le Joule (J). Le Joule étant une toute petite unité relativement à nos préoccupations, dans la pratique, il nous arrive souvent d utiliser le Watt-heure (Wh), voire le kwh. Pour rappel : 1 Wh = 3600 J, et donc 1 kwh = 3 600 000 J L énergie peut se présenter sous différentes formes, par exemple: Mécanique (vitesse, élévation d altitude, ) Thermique (réchauffement, combustion, ) Chimique (nourriture, ) Nucléaire (émissions radioactives) Électrique (foudre, ) Rayonnante (rayons solaires, éclairage, ) Les bienfaits de l énergie thermique (et rayonnante). 17
Les sources d énergie sont diverses, et font l objet de nombreux débats car l enjeu de l énergie est crucial pour les générations à venir. Citons parmi les sources : la nourriture, pour les êtres vivants l énergie solaire l énergie éolienne l énergie hydro-électrique l énergie géothermique le bois le charbon les hydrocarbures certains éléments radioactifs Les débats portent sur le caractère polluant ou non de certaines énergies, sur leur caractère plus ou moins renouvelable, sur leur dangerosité, leur coût ainsi que sur leur exploitation et partage. Un point très important sur lequel tout le monde est d accord : il faut économiser l énergie. Pour cela, plusieurs axes d amélioration existent : Ne plus gaspiller d énergie pour quelque chose d inutile ou d évitable (veille des appareils électriques par exemple). Remplacer les sources d énergies non renouvelables ou polluantes par d autres sources qui améliorent la situation. Améliorer les rendements des systèmes qui utilisent de l énergie (chaudières, appareils, véhicules, ). Éviter les déperditions. Dans le bâtiment, c est devenu une préoccupation majeure, et ça le sera de plus en plus : nous apportons donc un soin particulier désormais à concevoir des bâtiments bien isolés. 18