Partie 4 : le défi énergétique

Chapitre 2 : L'utilisation des ressources énergétiques disponibles

I - Ressources énergétiques disponibles sur Terre

1 - Ressources énergétiques renouvelables

Définition : une ressource énergétique renouvelable a une vitesse de consommation inférieure à sa vitesse de formation à l’échelle humaine. (dizaine d’année)

Avantages : Ne représente pas de dangers pour l’environnement. Non épuisable. Inconvénients : Exploitation grâce à une technologie spécifique et coûteuse. Disponibilité variable dans le temps et l’espace (répond difficilement au pic de consommation d’électricité, difficile d’accès pour la géothermie, exploitable que dans certaines zones géographiques : mer, montagne, zone ventée…) - Les paysages sont dénaturés

2 - Ressources énergétiques non renouvelables

Définition : une ressource énergétique non renouvelable a une vitesse de consommation supérieure à sa vitesse de formation à l’échelle humaine. (dizaine d’année)

Avantages : Energie disponible en continu (répond au pic de demande en électricité) Des réseaux de distribution bien établis. Inconvénients : Ressource fossiles : -coût du raffinage du pétrole brut. -pollution due aux marées noires. -pollution due à la combustion des carburants (CO2 : effet de serre, SO2 : pluies acides, NOx : formation d’ozone nocif à basse altitude) Ressources fissiles : -pollution due à l’exploitation des mines d’uranium. -traitement et stockage des déchets radioactifs.

3 – Distillation du pétrole Tep : tonne équivalent pétrole (1tep : énergie libérée par la combustion d’une tonne de pétrole / 1 tep = 42.109 J ou 100kWh = 0,086 tep

II – Utilisation des ressources énergétiques pour la production d'électricité

Biomasse, géothermie Chaudière turbine

1- Production d'électricité à partir d'un alternateur

a)- Le phénomène d'induction Le mouvement d'un aimant à proximité de la face d'une bobine engendre une tension alternative aux bornes de la bobine. 

b)- Principe de l'alternateur - Qu'observe-t-on sur l'oscilloscope ? Quelle est la nature de la tension qui apparaît sur l'oscilloscope ? Qu'est-ce qui peut modifier les caractéristiques de cette tension ? La fréquence et la valeur de la tension maximale dépendent de la vitesse de rotation de l'aimant.

Un alternateur est constitué de deux éléments : un aimant tournant ( rotor) une bobine conductrice (stator) Dans une centrale électrique l'aimant est un électroaimant

C) - La turbine - Dans toutes les centrales électriques l'énergie électrique est produite par la rotation du rotor qui est relié à une turbine. - La rotation de la turbine nécessite une source d'énergie qui diffère suivant le type de centrale.

Le rotor est relié à une turbine qui tourne centrale éolienne centrale hydrolique centrale thermique

d)- Les centrales thermiques

Centrales thermiques à combustible fossile Utilisation de combustible fossile (charbon, pétrole ou gaz naturel) L'énergie chimique stockée dans les liaisons chimiques produit de l'énergie thermique qui produit de la vapeur d'eau. Cette énergie est libérée grâce à une transformation chimique : la réaction de combustion. Ex : C + O2 CO2 + H2O Centrales thermiques à combustible fissile Utilisation d'uranium 235. L'énergie nucléaire provient de la réaction de fission du noyau d'uranium.

2- Production d'électricité à partir d'un rayonnement lumineux

- L'effet photovoltaïque résulte de la propriété de certains matériaux semi-conducteur, de convertir l'énergie rayonnante captée en énergie électrique. - Une cellule photovoltaïque délivre une tension continue. Les panneaux ne permettent pas d'emmagasiner l'électricité, on les associe à des accumulateurs qui se chargent lorsque les panneaux sont éclairés.

III – La fission nucléaire

1- Modèle de l’atome Un noyau central (10-15 m soit 100 000 fois plus petit que l’atome) Des électrons répartis en couches autour du noyau Du vide (la structure de la matière est essentiellement lacunaire)

De protons De neutrons particules chargées positivement 2- Le noyau d'un atome De protons particules chargées positivement De neutrons Particules électriquement neutres. Ces particules (protons et neutrons) sont appelées des nucléons.

A est aussi appelé nombre de masse. A correspond au nombre de nucléons d ’un noyau A est aussi appelé nombre de masse. Z correspond au nombre de charges positives d’un atome ou le nombre de protons. Z est aussi appelé numéro atomique. Le noyau d’un élément chimique X s’écrira : AZX

3- Les isotopes Les isotopes ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans leur noyau. Des isotopes auront des z identiques mais des A différents.

a)- Le combustible fissile : 4- La fission nucléaire a)- Le combustible fissile : Seul l’isotope 235 de l’uranium est fissile ( 235 92 U) Le minerai naturel ne contient que 0,7% d’isotope 235. Son utilisation en tant que ressource énergétique nécessite son enrichissement isotopique, technique que seuls certains pays maîtrisent.

b)- la réaction de fission nucléaire L'atome cible est l'uranium 235 qui peut être divisé par l'impact de particules. Les particules projectiles sont des neutrons. L’atome éclate en deux noyaux plus légers. La fission libère une très grande énergie qui correspond à la perte de masse observée lors d’une réaction nucléaire. E= mc2

Remarque : Chaque fission libère un nombre de neutrons supérieur au nombre de neutrons absorbés. Ces neutrons provoquent à leur tour d'autres réactions de fission avec d'autres noyaux d'uranium 235 : c'est des réactions en chaîne. La réaction en chaîne est contrôlée grâce à des barres de contrôle en carbone qui sont enfoncées dans le réacteur pour absorber les neutrons produits.

IV – Les sources d'énergie et la conversion d'énergie

1- Chaînes énergétiques Une chaîne énergétique indique la succession des conversions. Une forme d’énergie est stockée dans un réservoir et un convertisseur d’énergie transforme une énergie en une ou plusieurs autres formes.

a)- Centrale thermique Energie chimique ou nucléaire Centrale thermique Energie électrique Energie exploitée Energie thermique Pertes

Turbine Alternateur Chaudière Eau vapeur sous pression Energie chimique (fossile) Energie nucléaire (fissile) Chaudière Energie thermique Eau vapeur sous pression Energie thermique : pertes d’énergie thermique libérée dans l’environnement Turbine Energie électrique Alternateur Energie Mécanique cinétique

b)- Centrale hydraulique Central hydraulique Energie potentielle Energie électrique Energie thermique Pertes

: pertes d’énergie thermique libérée dans l’environnement Energie potentielle (stockée dans l’eau du barrage) Conduite forcée Energie cinétique turbine Energie mécanique cinétique Alternateur : pertes d’énergie thermique libérée dans l’environnement Energie électrique

2- Le calcul de rendement Il est impossible de transformer intégralement la chaleur en énergie mécanique ou électrique, il y a toujours des pertes dissipées dans l’environnement. Le rendement permet de déterminer l’énergie utile obtenue. rendement = énergie utile obtenue / énergie utilisée

a)- Centrale thermique: Dans les centrales thermiques, l'énergie chimique stockée dans les liaisons chimiques produit de l'énergie thermique qui est transformée en énergie mécanique avec un rendement de 45%.

b)- Centrale éolienne et hydraulique Dans les centrales hydraulique ou éolienne, la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique est de 90%. EX 7 p.203