ESAIP GRASSE 1ere année
Introduction Energies fossiles = Charbon, pétrole, gaz issues de la matière organique ( végétale ou animale) Ces énergies contiennent du carbone dont la combustion fournit de l énergie. Elles sont présentes en quantité limitée et non renouvelable.
Gisements de pétrole, de charbon et gaz naturel dans le monde
Le pétrole formation est un processus complexe et au rendement très faible. Il est formé du plancton qui s'est déposé au fond des mers.
Le pétrole Dans le premier 1000 mètres, ce sont toujours les bactéries qui agissent. Le processus dominant dans cette zone est la dégradation biochimique qui transforme les matières organiques en un hydrocarbure qu'on appelle kérogène, une sorte de pétrole embryonnaire. Sous les 1000 mètres, la dégradation biochimique est remplacée par une transformation contrôlée par l'augmentation de la température; c'est la dégradation thermique. L'enfouissement conduit, d'une part à une transformation progressive du sédiment en roche et, d'autre part, à cette dégradation thermique des kérogènes. A 2000 mètres par exemple, une partie des kérogènes se transforme en huile, un peu plus de 10% ici, une plus petite partie en gaz, et la plus grande partie poursuit sa transformation. Entre 2000 et 3000 mètres, c'est là que le kérogène produit le plus d'huile. Sous les 3000 mètres, la production d'huile devient insignifiante. Par contre, à partir de 2500 mètres, la production de gaz s'accélère et devient importante. Il s'agit d'un gaz qu'on qualifie de thermogénique, puisqu'il est le produit de la dégradation thermique des kérogènes. A 3500 mètres, on ne produit plus d'huile, mais beaucoup de gaz. La dégradation thermique conduit progressivement à des phénomènes de carbonatisation qui transforment les kérogènes non transformés en huile ou en gaz en résidus de carbone. Si l'enfouissement dépasse les 4000 mètres, tout est cuit et les pétroles, huile et gaz, sont détruits.
Le pétrole Avantages Disponible un peu partout dans le monde Son transport est facile et peu couteux Chimie du pétrole est riche Inconvénients Difficulté de trouver de nouveaux gisements Problème de pollution lors de catastrophe au cours de son acheminement Libère du CO2 Forme d énergie liquide la plus concentrée disponible actuellement
Le charbon Energie fossile formée à partir des végétaux engloutis par les eaux lors de bouleversements géologiques importants. Il contient des matières organiques et du carbone. C'est un excellent combustible très difficile à enflammer et qui libère beaucoup de chaleur.
Les catégories de charbon Tourbe (65 % de C) légère, brune médiocre combustible Pouvoir calorifique (pc) = 12,5 MJ/kg Lignite (70-75% de C) brun noire et terne à débris ligneux bien reconnaissable pc=20 MJ/Kg Houille ou charbon (85%de C) noir mat ou brillant bon combustible 32 MJ/Kg Anthracite (95 % de C) noir brillant pc>40mj/kg
Le charbon Avantages Seule forme énergie fossile à l état solide Disponible dans de nombreux pays Gisements connus très importants Permet de produire du gaze de houille et grand nombre de produits chimiques Inconvénients Non renouvelable et couteuse à extraire Très polluante( à cause des impuretés libérés aux cours de la combustion) Libération de beaucoup de CO2
Gaz naturel Souvent proche des gisements ou des lieux de production on trouve des usines de gaz. Ce dernier est déshydraté puis séparé en plusieurs éléments: Les hydrocarbures C2 et C4 sont vendus sous le nom de gaz de pétrole liquéfié (GPL). Le CO2 est le plus souvent rejeté dans l'atmosphère. Le gaz acide est vendu à l'industrie chimique. L'hélium est séparé et commercialisé. Dans certain cas, il représente une addition très importante. Les condensats* et les GPL, qui ont une très grande valeur marchande, sont exploités prioritairement. * L'extraction provoque la condensation des hydrocarbures C 5 à C 8
Le gaz naturel Avantages Disponible sur tous les continents Inconvénients Dangereux (explosion dans certaines conditions) Extraction qui nécessite peu d énergie Indétectable par les sens humains ( incolore inodore) Traitement du gaz est pratiquement nul Combustible le moins polluant ( le moins de CO2) Transport facile ( gazoducs)
Les unités 1 baril = 159 L de pétrole 1 TEP = 1 tonne équivalent pétrole = 7,33 barils 1 TEP =42 GJ 1 français consomme 4,2 TEP par an soit environ 5000 L de pétrole
Enthalpie de formation En chimie, on utilise la notion d enthalpie de formation qui permet de déterminer à l aide d un minimum de données les chaleurs de réaction. Comme à partir des corps simples on peut, «créer» tous les autres corps complexes. Les corps simples serviront de référence, on leur donne une enthalpie de 0 dans les conditions de référence (25 C, 1atm). Tous les corps simples existent sous différents états : par exemple l oxygène existe sous forme O2 mais aussi monoatomique O ou triatomique O3 (ozone). C est la forme la plus stable qui sert de référence, pour l oxygène la forme diatomique O2. Pour le carbone C qui peut se trouver sous forme solide (graphite ou diamant) ou sous forme gazeuse, la forme graphite sert de référence. En déterminant la chaleur à pression constante de la réaction conduisant à la formation d un corps complexe à partir de corps simples, on peut obtenir l'enthalpie de référence du produit HP0=-Q c. Elle est appelée enthalpie de formation du corps complexe formé.
Enthalpie de formation Pour déterminer les enthalpies de formation, les chimistes se servent des énergies de liaison. Pour ce qui nous concerne les valeurs ci-dessous suffisent Liaison C-H C-C C=C C-O H-H O-H O=O C=O Graphite -> C gaz Energie Kj/mol 415 345 609 357 432 462 493 803 718 Par exemple : pour la réaction H2 + ½ O2 H2O, on doit briser une liaison H-H, ½liaison O=O et on recrée 2 liaisons O-H. Donc :Q c=-(432+ ½ 493)+ 2.462= 245,5 kj /mole On peut faire de même avec le gaz carbonique : H f0co2 =-393,5kJ/mole Ou pour le méthane : H f0ch4 =-74,9kJ/mole
Enthalpie de formation Pour la réaction C+O2 CO2, on doit transformer le graphite (qui sert de référence pour l enthalpie de formation) en gaz, briser une liaison O=O et créer deux liaisons C=O. Ce sont des doubles liaisons car le carbone est tétravalent (4 électrons à mettre en commun) et l oxygène est divalent). Donc : Q'c = -(493 + 718) + 2.803 = 395kJ / mole Calculer la chaleur de combustion du méthane dans l air : CH4+2(O2+3,77N2) CO2+2H2O+7,54N2 Réponse : Q c= H f0ch4 - H f0co2-2 H f0h2o =-74,9+393,5+2.241,8=802,2kJ/mole
Pouvoir calorifique Le pouvoir calorifique massique PC (KJ/Kg)est la chaleur de réaction de la combustion complète rapportée à l unité de quantité de combustible : PC= Qc/mc On rencontre aussi le pouvoir calorifique molaire (en kilojoule par mole, kj/mol) ou le pouvoir calorifique volumique (en kilojoule par litre, kj/l). Combustible MJ/Kg KJ/L KJ/mol Bois 15 Charbon 15-27 Essence 47,3 35 475 4200 Butane 49,51 2800 Dihydrogène 141,79 12,75 286
Exploration Prospection géologique repérage de zones sédimentaires à partir de photos aériennes, images satellites, prélèvement d échantillons de roche analysés en labo (5% du budget) Prospection géophysique analyse des ondes sismiques de réflexion gravimétrie (15% du budget) Forage d exploration dure 2 à 6mois (60% du budget) En moyenne sur 5 forages d exploration, 1 seul amène à la mise en exploitation
Exploitation Pour le charbon essentiellement en mines à ciel ouvert ou sous-terre Pour le pétrole : l'extraction primaire (40% des gisements) : c'est la plus simple, le fluide jaillit de lui-même expulsé par la pression présente dans le réservoir. On peut récupérer de 5 à 40% du pétrole selon cette technique l'extraction secondaire (58% des gisements) : la pression du fluide diminuant au fur et à mesure, lorsque les hydrocarbures ne sortent pas/plus d'eux mêmes, on réalise des injections soit d'eau (c'est souvent le cas en mer), soit du gaz coproduit lorsque sa quantité est trop faible pour être revendu, soit de CO2. On atteint ainsi une extraction de l'ordre de 25 à 35% l'extraction tertiaire (2% des gisements) : on diminue la viscosité du fluide par diverses techniques Ainsi le taux moyen de récupération du pétrole à l'heure actuelle est d'environ 35%.
Les gaz de schiste
Centrale thermique à flamme
Les gaz émis Nom Causes Effets CO2 Combustion respiration Effet de serre CO NOx SO2 Chaudière mal réglée, moteur à essence et à gazole Secteur du transport Centrales thermiques à flamme ( 3% des émissions de NOx) combustion du charbon et du fioul Centrales thermiques à flamme ( 7% des émission de SO2) combustion charbon et fioul Maladie cardio vasculaire, intoxication mortelle si aération insuffisante Effet de serre Pluie acides Pollution photochimique ( ozone) Pluies acides Irritation respiratoire
Emission de CO2