Résumé du thème : LE DÉFI ENERGETIQUE I- ÉNERGIE :Les formes d énergie et la consommation énergétique 1. Énergie et puissance L énergieest une grandeur physique qui s exprime en joules (J) dans le système international et en kilowattheure (kwh) dans la vie quotidienne. Besoins énergétiques : La consommation mondiale annuele d énergie est de l ordre de 10 14 kwh tandis que cele d une famile française est de l ordre de 10 2 kwh. La puissance Pd un appareil est le rapport del énergie Equ il consomme avec la durée t de fonctionnement P = E t et E= Pxt avec P en watts (W), E en joule (J) si t en seconde (s) Remarque : E en wattheure (W.h) si t en heure (h) Pour un appareil de puissance donnée, plus sa durée de fonctionnement est longue, plus il consomme d énergie. 2. Ressource énergétiques a) Durées caractéristiques La distinction entre ressources énergétiques renouvelables ou non renouvelables est liée à la comparaison de deux durées caractéristiques : La durée de formation ou de reconstitution de la ressource, La durée d exploitation de cette ressource. b) Les ressources énergétiques renouvelables :leur durée d exploitation est supérieure à leur durée de reconstitution (cas particulier: la durée d exploitation de l énergie solaire est quasi-illimitée à notre échelle). c) Les ressources d énergie non renouvelablesont unedurée d exploitation inférieure à leur durée de reconstitution. Ressource (énergie primaire) combustibles fossiles «combustible» nucléaire Origine décomposition de matière organique atomes d'uranium fissile 235U Durée de formation ou reconstitution plusieurs millions d'années formés il y a plus de 10 milliards d'années Durée d'exploitation des réserves actuelles environ 40 ans pour le pétrole, 60 ans pour le gaz naturel et 200 ans pour le charbon environ 100 ans solaire rayonnement du Soleil renouvelé en continu jusqu'à l'extinction du Soleil éolien mouvements des masses d'air renouvelé en continu jusqu'à l'extinction du Soleil hydraulique mouvements de l'eau (chutes, courants, marées..) renouvelé en continu (cycle de l'eau) géothermie chaleur du sol renouvelé en continu biomasse (bois énergie, biocarburants, etc.) matière organique selon l'espèce, de quelques mois à quelques dizaines d'années jusqu'à ce que les réservoirs soient vides jusqu'au refroidissement complet de la Terre selon les conditions d'exploitation
3. Ressources énergétiques non renouvelables fossiles Les ressources fossiles sont issues d u une lente décomposition de la matière vivante (plusieurs dizaines de milions d années), ce sont: : Le charbon, la tourbe, le pétrole, le gaz naturel (on envisage d exploiter le gaz de schiste) Lepétrole brut est un mélange de très nombreuses espèces chimiques, il n est pas utilisable directement. Il doit préalablement être distillé (technique de séparation des cons nstituants d un mélange homogène). Au laboratoire, on utilise le montage ci-dessous : thermomètre Colonne de distillation (de Vigreux) ballon mélange Chauffe-ballon eau eau Réfrigérant droit Erlenmeyer distillat Support élévateur 4. Ressources énergétiques non renouvelables fissiles La principale ressource fissile est l ura ranium sous la forme de son isotope fissile d u uranium 235 de symbole 235 92U. Rappel :On note le noyau d un atome de symbole X: Z = nombre de protons = numéro atomique A = nombre de nucléons On en déduit N le nombre de neutrons : N = 235 92 = 143 Deux noyaux sont isotopes s ils ont le même numéro atomique mais des nombres de nucléons différents. Exemple : 235 92U et 238 92U. 235 92 U est dit fissilecar il peut se scin inder en deux lorsqu il entre en colision avec un neutron. Il ne représenteque 0,7% de l uranium extr trait. 5. Ressources énergétiques renouvelables Ce sont le vent, les réserves d eau des barrages hydroélectriques, la biomasse(le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale (algues incluses), animale ou fongique pouvant devenir source d'énergie par combustion (ex : bois ), 6. Exploitation des ressources énergétiques L exploitationde toute ressource d éne nergie pose des problèmes: a) Pour les ressources fossiles : coût énergétique élevé du raffinage du pétrole brut et pollution. b) Pour les ressources fissiles : difficulté du traitement et du stockage des déchets radioactifs. c) Pour les ressources renouvelables : coût énergétique élevé pour la fabrication des éoliennes et des panneaux photovoltaïques. 7. Le Soleil, source de rayonnement Le Soleil est le siège de réactions nuclé cléaires qui libèrent de l énergie par rayonnem ment. Le rayonnement solaire apporte de l én nergie à la Terre par transfert thermique et à la matière vivante grâce au processus de la photosynthèse(qui transforme l énergie lumineuse en énergie chimique). A X Z
II -CONVERSION, TRANSPORT ET STOCKAGE DE L ENERGIE 1. Conversions d énergie L énergie ne se crée pas, ele existe sous de multiples formes et est convertie d une forme à l autre. Ces conversions d énergie sont modélisées par une chaîne énergétique (voir séance 11). 2. Les transformations utilisées dans les centrales thermiques électriques a) La combustion : une transformation chimique Une combustion est la transformation chimique entre un Combustible et un Comburant qui est généralement le dioxygène de l air. Le combustible peut être du gaz naturel, du fioul ou du charbon, Sacombustion produit du dioxyde de carbone et de l eau mais également quand ele n est pas parfaitement maitrisée, des polluants comme le monoxyde de carbone, des oxydes de soufre, des oxyde d azote b) La fission et la fusion : des transformations nucléaires La fission C est une réaction nucléaire au cours de laquele, sous l impact d un neutron, unnoyau lourd se scinde en deux noyaux plus légers. De l énergie est alors libérée. Dans les réacteurs nucléaires, on utilise la fission du noyau d'uranium 235 ; plusieurs réactions sont possibles, comme : U n Sr Xe 2 n 235 1 94 140 1 92 0 38 54 0 235 1 85 148 1 92 U 0 n 35Br 57La 3 0n U n Kr Ba 2 n 235 1 97 137 1 92 0 36 56 0 Ces équations vérifient deux lois de conservations, lesquelles? Conservations des nucléons (somme des A) et de la charge électrique (somme des Z) L'énergie libérée par cette réaction est considérable : la fission de 17 g d'uranium enrichi fournit la même quantité d'énergie que la combustion d'1 t de pétrole! La fusion nucléaire Lors d une réaction de fusion nucléaire, deux noyaux légers s agglomèrent en un noyau plus lourd et plus stable: Par exemple, la fusion d'un noyau d'hélium 4 et d'un noyau de lithium 7 forme un noyau de bore 11 Equation de cette réaction de fusion : He Li B 4 7 11 2 3 5 Pour une même quantité de matière, une réaction de fusion libère une quantité d énergie beaucoup plus grande qu une réaction de fissionmais elle est difficile à maîtriser (projet ITER).
3. Transport et stockage de l énergie L électricité est le moyen le plus facile de transporter de l énergie. Cependant, ce transport ne se fait pas sans pertes d énergie sous forme de chaleur (effet Joule) tout au long des lignes. Pour stocker de l énergie, on peut utiliser différents moyens : a) Les barrages, qui constituent une réserve d énergie sous forme mécanique: la libération de cette eau permettra de produire de l'électricité aux périodes de forte demande. Cette technique permet de réguler et équilibrer les réseaux électriques. b) Les piles, qui stockent de l énergie chimique, qui une fois consommée ne peut être reconstituée, ou les piles à combustibles, alimentées en continu par les réactifs (dihydrogène et dioxygène). c) Les accumulateurs, dispositifs permettant de convertir de l énergie chimique et énergie électrique et vice versa. 4. Problèmes liés à l exploitation des ressources a) Les déchets nucléaires Les noyaux produits par la réaction de fission (dans les centrales donc) sont généralement radioactifs : ils se désintègrent spontanément en libérant de l'énergie sous forme d'un rayonnement. C'est là que réside le danger, car ces rayonnements peuvent être extrêmement dangereux pour les êtres vivants. La désintégration radioactive est un phénomène aléatoire, spontané, inéluctable, et indépendant des paramètres extérieurs : on ne peut ni le stopper, ni l'accélérer, seulement isoler les noyaux radioactifs jusqu'à ce qu'ils soient tous désintégrés Chaque élément radioactif est caractérisé par sa courbe de décroissance radioactive, qui représente l'évolution du nombre de noyaux restant dans l'échantillon (N) en fonction du temps (t). Cette courbe a toujours la même allure, c'est une courbe exponentielle décroissante (courbe P) : L'activité de l'échantillon représente le nombre de désintégrations par seconde. Elle est proportionnelle au nombre de noyaux radioactifs dans l'échantillon. Le temps de demi-vie, noté 1 2 t parfois appelé période radioactive, est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux présents initialement se soient désintégrés. On constate sur la courbe ci-dessus qu'au bout de 2 t 1 le nombre de noyau a encore diminué de moitié, et ainsi de suite. Le temps de 2 demi-vie ne dépend que de la nature du noyau : ainsi le temps de demi-vie du polonium 212 est de 0,3 μs (microseconde) alors que celui du thorium 232 est de 14 milliards d'années! Ce paramètre est essentiel pour décider des conditions et lieux de stockage des déchets radioactifs produits par les centrales nucléaires.
b) 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, ce sont lavapeur d eau, le dioxyde de carbone et le méthane. En agissant de manière analogue aux vitres d une serre, les GESréchauffent l atmosphère. L utilisation importante de combustibles fossiles depuis le début de l ère industriele 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.