L’ENERGIE Qu’est-ce que l’énergie ? Où trouve-t-on de l’énergie ?

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1 L’ENERGIE Qu’est-ce que l’énergie ? Où trouve-t-on de l’énergie ?
Quels sont les types d’énergie ? Quelles sont les sources d’énergie? Comment l’énergie est-elle « fabriquée » ? Comment économiser l’énergie ?

2 Qu’est-ce que l’énergie ?
L'énergie, c’est ce qui donne la capacité de produire un mouvement, de changer la température, de modifier la matière… Cette énergie est présente dans la nature sous différentes formes et elle se traduit sous différentes formes. Avant de montrer la définition, demander aux élèves : « A votre avis qu’est-ce que l’énergie ? » Orienter le débat pour arriver au mouvement. Afficher le texte, le lire avec eux. Demander ce qu’ils comprennent puis expliciter pour ceux qui en ont besoin. On parle d’énergie lorsqu’il y a du mouvement, un changement de température ou une modification de matière. Demander des exemples pour le mouvement (mouvement du corps [biomasse], mouvement d’une voiture [pétrole], mouvement d’une voiture radiocommandée [pile], mouvement d’une machine à laver [électricité]), le changement de température (bouilloire ou gazinière [électricité ou gaz]) et la matière (lampe [luminosité]). On ne demande que des énumérations d’éléments.

3 Où trouve-t-on de l’énergie ?
Mouvement du corps Mouvement d’une voiture télécommandée Changement de température Mouvement d’une machine à laver Les ampoules / la lumière Mouvement d’une voiture Demander aux élèves : « En reprenant ce que nous venons de voir, où trouve-t-on de l’énergie ? » Mouvement du corps : La nourriture (biomasse) que nous absorbons crée de l’énergie (lire les étiquettes sur une boite de n’importe quoi) : l’énergie chimique est transformée en énergie mécanique. Mouvement d’une voiture : Le carburant mis dans la voiture est nécessaire pour faire avancer une voiture : l’énergie électrique est transformée en énergie mécanique. Mouvement d’une voiture radio télécommandée : La pile (ou batterie) est nécessaire pour faire avancer la voiture. L’énergie chimique est transformée en énergie électrique qui est transformée en énergie mécanique. Machine à laver : L’électricité est nécessaire pour faire tourner une machine à laver. L’énergie nucléaire est transformée en énergie électrique qui est transformée en énergie mécanique. La casserole d’eau : Pour que l’eau devienne chaude, on allume le gaz sous la casserole. L’énergie électrique est transformée en énergie thermique. La lumière : Les ampoules, les néons ont besoin d’électricité pour s’allumer. L’énergie électrique est transformée en énergie électro-magnétique (énergie lumineuse).

4 Quels types d’énergie ? Energie chimique Energie électrique
Energie mécanique Energie électro-magnétique (lumineuse) Energie nucléaire Energie thermique Demander aux élèves : « A partir de ce que nous venons de voir, pourriez-vous regrouper les énergies et les utilisations d’énergie par type) : remontrer la diapo précédente si besoin. Energie chimique (à l’extérieur du noyau) est une énergie qui nécessite une modification chimique : pile, digestion, Energie électrique est une énergie qui utilise l’électricité : machine à laver, bouilloire, etc. Energie mécanique est une énergie qui est créée par l’entraînement d’une force provoquant un mouvement. Energie électromécanique est la lumière émise par les lampes. Energie nucléaire (à l’intérieur du noyau) est une énergie émise par une réaction chimique : uranium Energie thermique est une énergie qui permet la modification de température d’un élément : casserole d’eau

5 Quelles sources d’énergie ?
Le pétrole Le charbon Les sources d’énergies fossiles Le gaz L’uranium Demander aux élèves : « Quelle énergie produit chaque source d’énergie ? » Le pétrole : énergie électrique Le gaz et le charbon: énergie thermique L’uranium : énergie nucléaire

6 Quelles sources d’énergie ?
Le soleil La chaleur du sous-sol Le vent Les sources d’énergies renouvelables La biomasse L’eau Demander aux élèves : « Quelle énergie produit chaque source d’énergie ? » Le soleil, le vent, l’eau, la biomasse, la chaleur du sous-sol : énergie électrique Le soleil, la chaleur du sous-sol, la biomasse : énergie thermique

7 Comment produire de l’énergie à partir de l’uranium ?
Une centrale nucléaire Toujours poser ces deux questions : A quoi sert cette installation ? Quelle force cette installation utilise-t-elle ? Qu’est-ce qu’une centrale nucléaire ? Installation de production d’électricité utilisant l’énergie dite nucléaire, présente dans les noyaux des atomes. Cette énergie provient de la force forte (une des quatre forces connues, ou interactions, de l’univers, avec la gravité, la force électromagnétique et la force faible). Cette force assure la cohésion des noyaux des atomes. Deux principes existent pour en récupérer une – petite – partie : la destruction, ou fission d’un noyau lourd (uranium, plutonium), ou la fusion d’un élément très léger (hydrogène ou l’un de ses isotopes, le deutérium ou le tritium). La fission est utilisée dans les bombes atomiques (« bombes A ») et dans les centrales nucléaires. La fusion est utilisée dans les bombes à hydrogène (« bombes H »), dites également thermonucléaires. La fusion est aussi à l’origine de la chaleur des étoiles et du Soleil. On cherche à mettre au point son exploitation dans de futures centrales.

8 Comment produire de l’énergie à partir de l’uranium ?
Fonctionnement d’une centrale nucléaire Comment fonctionne une centrale nucléaire ? Une centrale nucléaire classique contient un ou plusieurs réacteurs nucléaires, lieu de production de l’énergie, sous forme initiale de chaleur, et un ensemble de systèmes assurant la conversion de cette chaleur en électricité. Dans le réacteur, une fois la réaction initiée, elle s’autoentretient car les noyaux brisés émettent des neutrons qui brisent les noyaux voisins. C’est la « réaction en chaîne », que l’on maîtrise en descendant des barres de contrôle (en métal) qui absorbent une partie des neutrons. La conversion en électricité de la chaleur produite est réalisée de la même manière (sur le principe) que dans une centrale à charbon ou à pétrole. L’échauffement de l’eau produit de la vapeur qui fait tourner une turbine, laquelle génère de l’électricité. Explication du schéma Schéma de fonctionnement d’une centrale nucléaire à eau pressurisée. À gauche, le réacteur abrite la cuve contenant le combustible nucléaire (uranium enrichi). Le modérateur (de l’eau) circule, maintenu sous pression grâce au pressuriseur. Les réactions nucléaires sont régulées par les barres de contrôle (si on les descend toutes, les réactions s’arrêtent). Dans un échangeur de chaleur, celle-ci est transmise au caloporteur (de l’eau), qui se transforme en vapeur et va faire tourner une turbine, laquelle actionne un générateur d’électricité. L’eau doit ensuite être refroidie, par exemple avec l’eau d’une rivière pour repartir vers l’échangeur.

9 Comment produire de l’énergie à partir de l’uranium ?
Une centrale nucléaire Utilise le minerai d’uranium pour fonctionner Ne rejette pas de gaz polluants dans l’atmosphère mais de la vapeur d’eau - Produit des déchets radioactifs qui posent un problème de stockage.

10 Comment extraire le pétrole ?
Une plateforme pétrolière Toujours poser cette question : A quoi sert cette installation ? Source : Qu’est-ce qu’une plateforme pétrolière ? Une plateforme pétrolière est une unité permettant d’extraire, produire ou stocker le pétrole et/ou le gaz situés en haute mer à des profondeurs parfois très importantes. Elle supporte principalement les dispositifs nécessaires pour la phase de forage ou d'extraction du pétrole. Elle peut également inclure des équipements destinés à assurer un hébergement du personnel d’exploitation. Certaines plateformes permettent de transformer le pétrole extrait pour le rendre plus facile à transporter. Les plateformes fixes sont utilisées en mer peu profonde, pour exploiter des gisements situés à moins de 300 m, tandis que les plateformes flottantes servent surtout pour l'exploitation de champs pétroliers dans les grands fonds.

11 Comment extraire le pétrole ?
Fonctionnement d’une plateforme pétrolière Comment fonctionne une centrale hydraulique ? Une plateforme pétrolière se compose de deux parties :  les « topsides » : constitués de modules préfabriqués, ils correspondent à la partie utile au-dessus de la surface. la « structure porteuse »  : en treillis tubulaire métallique (assemblage de tubes métalliques formant une triangulation), en colonnes de béton ou encore sous la forme de barge flottante dans le cas d’une FPSO (Floating Production Storage and Offloading), elle sert à maintenir la partie utile au-dessus de l'eau. Une unité de traitement sépare et traite les composants récoltés (pétrole, gaz, eau) avant qu’ils soient transportés par pipeline ou par tanker vers une raffinerie.  Pour ceux qui voudront en savoir plus Le derrick est le point culminant d’une plateforme de forage. Cette tour métallique, dans la phase de forage, soutient une très longue tige au bout de laquelle se trouve une mèche de forage, le trépan. Cette tige est rallongée au fur et à mesure que le trépan broie les différentes couches de roche du sous-sol pour atteindre le gisement de pétrole. Les tiges peuvent descendre jusqu’à des profondeurs de 3 ou 4 kilomètres pour atteindre des réservoirs de quelques mètres d’épaisseur seulement. La précision de l’impact est donc exceptionnelle. Lorsqu’il est nécessaire de creuser un autre puits pour récupérer ou injecter des fluides, le derrick est déplacé sur la plateforme et un nouveau forage est entrepris. Il permet aussi de forer à l’horizontale, à l’aide d’une tête de forage rotative permettant d’incliner progressivement la courbe opérée par la tige. Ce type de forage permet d’exploiter ainsi des surfaces de plusieurs kilomètres carrés depuis la plateforme sans avoir à se déplacer à la verticale des gisements. Au-delà de 300 m de profondeur, l'exploitation ne se fait plus avec des plateformes fixes mais avec des installations flottantes.

12 Comment extraire le pétrole ?
Une plateforme pétrolière Extrait le pétrole des sous-sols Ne rejette pas de gaz polluants dans l’atmosphère - Peut provoquer des marées noires (pétrole s’écoule dans la mer).

13 Comment extraire le gaz ?
Une plateforme d’extraction du gaz naturel Toujours poser ces deux questions : A quoi sert cette installation ? Qu’est-ce qu’une plateforme d’extraction de gaz naturel ? Sur le principe c’est la même chose qu’une plateforme pétrolière. Il est simplement récupéré du gaz dans le sol plutôt que du pétrole. Ce gaz est ensuite acheminé dans des oléoducs.

14 Comment extraire le charbon ?
Mine de charbon Triste mine ... la France dit solennellement adieu à ses « gueules noires ». Le 23 avril 2004 est à marquer d’un bloc de houille noire. C’est ce jour que le dernier bloc de charbon français aura été extrait du puits de la Houve, à Creutzwald (Moselle), tournant ainsi la dernière page d’une épopée humaine, industrielle et sociale commencée il y a près de trois siècles […]. L’arrêt des houillères du bassin de Lorraine met un point final à l’histoire du charbon en France. Ce vendredi soir, le dernier bloc de charbon était symboliquement remonté de la mine, […] lors d’une cérémonie d’hommage aux « gueules noires » Groupe scolaire « les frères Chappe » Source Sciences Hachette CM Qui appelle-t-on les gueules noires ? Explique pourquoi ? A quoi servait le charbon ? Pour quelles raisons a-t-on arrêté l’exploitation du charbon ?

15 Comment produire de l’énergie à partir de l’eau ?
Une centrale hydraulique Toujours poser ces deux questions : A quoi sert cette installation ? Quelle force cette installation utilise-t-elle ? Qu’est-ce qu’une centrale hydroélectrique ? L’énergie hydraulique est une énergie renouvelable qui utilise l’énergie cinétique et potentielle de l’eau (rivière, chute d’eau et marée) pour produire de l’énergie mécanique et, surtout, de l’électricité. On parle alors d’hydroélectricité. Fondamentalement, une centrale hydroélectrique est constituée de trois éléments : - un barrage (sauf pour les installations au fil de l’eau) ; - un canal de dérivation ; - les dispositifs de conversion en électricité.

16 Comment produire de l’énergie à partir de l’eau ?
Fonctionnement d’une centrale hydraulique Comment fonctionne une centrale hydraulique ? Le barrage retient une partie de l’eau qui s’écoule et crée un lac de retenue. Ce lac constitue un stock d’eau, c'est donc un moyen de stocker de l’énergie renouvelable. Dans le cas de centrales au fil de l’eau, cette réserve n’existe pas et il n’est pas possible de moduler le débit de l’eau en fonction des besoins. Le débit du cours d'eau ou l’ouverture des vannes du barrage entraîne l’eau dans un canal de dérivation jusqu’aux turbines électriques. Plus le débit et la hauteur de chute d’eau sont importants, plus l’eau transporte d’énergie. Cette eau actionne les turbines qui entraînent à leur tour des alternateurs pour produire du courant électrique. Un transformateur injecte ensuite cette électricité dans le réseau, où elle est transportée par des lignes à haute ou très haute tension. Explication du schéma A : l’eau est retenue par le barrage (B) 1 : La conduite forcée de l’eau : Des vannes sont ouvertes pour acheminer l’eau jusqu’à la centrale par de longs tuyaux (C) 2 : La production d’électricité : L’eau fait tourner la turbine (D) qui entraîne un alternateur (E). L’alternateur produit de l’électricité 3 : Adaptateur de la tension. Un transformateur (F) élève la tension de l’électricité pour le transport dans les lignes hautes tension (G) 1/ La retenue de l'eau Le barrage retient l'écoulement naturel de l'eau. De grandes quantités d'eau s'accumulent et forment un lac de retenue. 2/ La conduite forcée de l'eau Une fois l'eau stockée, des vannes sont ouvertes pour que l'eau s'engouffre dans de longs tuyaux métalliques appelés conduites forcées. Ces tuyaux conduisent l'eau vers la centrale hydraulique, située en contrebas. La plupart des centrales hydrauliques en France sont automatisées. Chaque centrale se met en marche selon un programme pré-défini en fonction des besoins d'électricité. 3/ La production d'électricité À la sortie de la conduite, dans la centrale, la force de l'eau fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la turbine, l'alternateur produit un courant  électrique alternatif. La puissance de la centrale dépend de la hauteur de la chute et du débit de l'eau. Plus ils seront importants, plus cette puissance sera élevée. 4/ L'adaptation de la tension Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension. L'eau turbinée qui a perdu de sa puissance rejoint la rivière par un canal spécial appelé canal de fuite.

17 Comment produire de l’énergie à partir de l’eau ?
Une centrale hydraulique Utilise la force de l’eau, une énergie naturelle Entraîne des surcoûts importants de construction Implique parfois de noyer des vallées entières de terre cultivable - Ne garantit pas le risque 0 de rupture des barrages

18 Comment produire de l’énergie à partir du vent?
Une éolienne Toujours poser ces deux questions : A quoi sert cette installation ? Quelle force cette installation utilise-t-elle ? Qu’est-ce qu’une éolienne ? Une éolienne est composée de 4 parties : Le mât L'hélice La nacelle qui contient l'alternateur producteur d'électricité Les lignes électriques qui évacuent et transportent l'énergie électrique (lorsqu'elle est raccordée au réseau) Descendante du moulin à vent du Moyen Âge, la première éolienne a été mise en service en France à Dunkerque en 1990. Fin 2010, la France compte environ 450 parcs éoliens soit plus de aérogénérateurs. C'est une énergie qui n'émet aucun gaz à effet de serre et sa matière première, le vent, est disponible partout dans le monde et totalement gratuite.

19 Comment produire de l’énergie à partir du vent?
Fonctionnement d’une éolienne Comment fonctionne une éolienne ? Une éolienne transforme une énergie mécanique (créée par la force du vent) en énergie électrique. Explication du schéma 1/ La rotation des pales Sous l'effet du vent, l'hélice, appelée aussi rotor, se met en marche. Ses pales tournent. Le rotor est situé au bout d'un mât car les vents soufflent plus fort en hauteur. Suivant le type d'éoliennes, le mât varie entre 10 et 100 m de haut. Le rotor comporte généralement 3 pales, mesurant entre 5 et 90 m de diamètre. 2/ La production d'électricité L'hélice entraîne un axe dans la nacelle, appelé arbre, relié à un alternateur. Grâce à l'énergie fournie par la rotation de l'axe, l'alternateur produit un courant  électrique alternatif. 3/ L'adaptation de la tension Un transformateur situé à l'intérieur du mât élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à moyenne tension du réseau. Pour pouvoir démarrer, une éolienne nécessite une vitesse de vent minimale d'environ 10 à 15 km/h. Pour des questions de sécurité, l'éolienne s'arrête automatiquement de fonctionner lorsque le vent dépasse 90 km/h. La vitesse optimale est de 50 km/h.

20 Comment produire de l’énergie à partir du vent?
Une éolienne Utilise le vent disponible partout et gratuite mais irrégulier N'émet aucun gaz à effet de serre Peut susciter des nuisances visuelles et sonores. Peut susciter des conflits d’utilisation de l’espace terrestre ou marin avec les autres usagers (exemple : pêcheurs, plaisanciers).

21 Comment produire de l’énergie à partir du soleil ?
Une voiture solaire Toujours poser cette question : Quelle énergie permet à cette voiture d’avancer ? Qu’est-ce qu’une énergie solaire ? L'énergie solaire est une source d'énergie qui dépend du soleil. Cette énergie permet de fabriquer de l'électricité à partir de panneaux photovoltaïques ou des centrales solaires thermiques, grâce à la lumière du soleil captée par des panneaux solaires.

22 Comment produire de l’énergie à partir du soleil ?
Fonctionnement d’un panneau solaire Comment fonctionne une installation solaire ? 3 éléments sont nécessaires à une installation photovoltaïque : des panneaux solaires, un onduleur et un compteur. Ces trois éléments permettent de récupérer l’énergie transmise par le soleil, de la transformer en électricité puis de la distribuer à l’ensemble des clients connectés au réseau. •    Intégrés au toit, les panneaux solaires convertissent directement la lumière en courant électrique continu. •    L’onduleur permet ensuite de transformer l’électricité obtenue en courant alternatif compatible avec le réseau. •    Le compteur mesure la quantité de courant injectée dans le réseau. Explication du schéma 1/ Le captage des rayons Installés sur des toits ou sur le sol à proximité des habitations, les panneaux solaires captent la lumière du soleil. 2/ La production d'électricité Sous l'effet de la lumière, le silicium, un matériau conducteur contenu dans chaque cellule, libère des électrons pour créer un courant électrique continu. 3/ La transformation du courant Un ondulateur transforme ce courant en courant alternatif. 4/ L'utilisation de l'électricité L'électricité est consommée par les appareils électriques. Si l'installation n'est pas raccordée au réseau (site isolé), elle peut être stockée dans des batteries. Sinon, tout ou partie de la production peut être réinjectée dans le réseau, EDF ayant obligation de rachat de cette électricité. Lorsque la production photovoltaïque est insuffisante, le réseau fournit l’électricité nécessaire.

23 Comment produire de l’énergie à partir du soleil ?
Un panneau solaire Utilise le soleil disponible partout et gratuit mais irrégulier N'émet aucun gaz à effet de serre a un coût très élevé.

24 Quel avenir pour les sources d’énergie ?
Les sources d’énergie fossile Demander aux élèves :  « D’où viennent les différents types d’énergie ? A partir de quoi a-t-on de l’énergie ? » Les réserves d’énergie fossiles risquent d’être épuisées : Dans 40 ans pour le pétrole, dans 60 ans pour le gaz naturel et l’uranium dans 200 ans pour le charbon L’exploitation de leurs gisements est couteuse et leur consommation est polluante pour la planète. Pourquoi dit-on que les énergies fossiles sont polluantes ? Donne des exemples de pollution.

25 Quel avenir pour les sources d’énergie ?
Les sources d’énergie renouvelable Les énergies renouvelables sont les énergies qui utilisent les forces de la nature : le vent le soleil l’eau la terre le bois Pourquoi qualifie-t-on les énergies renouvelables d’ « énergie propre » ? Quelles énergies devons-nous privilégier pour respecter l’environnement ?

26 Les économies d’énergie
La thermographie L'image est une représentation spatiale de l'énergie des rayonnements en provenance de la scène observée. L’échelle de valeurs entre un minimum et un maximum d’énergie s’étend sur toute l’image. Le minimum est représenté par le noir et le maximum par le blanc mais pour faciliter l’approche, une palette de couleurs a été déployée. A noter que la plupart du temps, les températures élevées d'un thermogramme correspondent aux couleurs claires ou «chaudes» et inversement pour les températures basses, elles sont illustrées par des couleurs sombres ou «froides».  Quelles sont les parties de la maison pour lesquelles il y a le plus de perte de chaleur ? Quelles parties faut-il le mieux isoler pour conserver la chaleur dans une maison ?

27 Les économies d’énergie
Les ressources énergétiques ne sont pas inépuisables Les chargeurs des ordinateurs et des téléphones portables consomment de l'électricité s'ils restent branchés. La télévision, le lecteur de DVD et l’ordinateur consomment de l’électricité quand ils sont en veille. Les temps de cuisson des aliments sont plus courts si on met un couvercle sur les casseroles. Le réfrigérateur et le congélateur consomment moins d’électricité s’ils sont dégivrés régulièrement. Les programmes éco du lave-linge ou du lave vaisselle permettent d’économiser jusqu’à 40 % d’électricité. En changeant nos habitudes quotidiennes, nous pouvons réduire notre consommation d’énergie. Quels gestes peux-tu faire pour économiser de l’énergie à la maison ? Trouve d’autres gestes quotidiens pour faire des économies d’énergie.

28 Les économies d’énergie
Expérience pour comprendre le rôle de l’isolant. 50°C 50°C 44°C 25°C Dans quel cas l’eau conserve-t-elle le mieux la chaleur ? Pourquoi ? Hyp 1 : parce que le polystyrène empêche la chaleur de passer. Hyp 2 : parce que le polystyrène chauffe. Expérience 1 : On place de l’eau chaude à 50°C dans une bouteille. Une demi-heure plus tard, l’eau est à 25°C Expérience 2 : On place de l’eau chaude à 50°C dans une bouteille entourée de polystyrène. Une demi-heure plus tard, l’eau est à 44°C

29 Les économies d’énergie
Expérience pour comprendre le rôle de l’isolant. 20°C 9°C 5°C 5°C Pour pouvoir répondre, on fait une deuxième expérience avec de l’eau froide sortant du frigo. Quelle hypothèse est vérifiée ? Etonnant : Les vêtements en laine ou en « polaire » ne chauffent pas. Ils permettent seulement de conserver la chaleur de notre corps. La chaleur se propage naturellement du plus chaud vers le plus froid, jusqu’à ce que la température soit la même partout. Cependant, certains matériaux sont isolants, donc ne conduisent pas la chaleur. Ils ralentissent les échanges de chaleur. C’est le cas du polystyrène et de la laine de verre. On les utilise pour isoler les maisons, afin d’y conserver la chaleur en hiver et la fraîcheur en été. Expérience 1 : On place de l’eau froide à 5°C dans une bouteille. Une demi-heure plus tard, l’eau est à 20°C Expérience 2 : On place de l’eau froide à 5°C dans une bouteille entourée de polystyrène. Une demi-heure plus tard, l’eau est à 9°C