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Phys. N° 09 |
Les principales ressources énergétiques. Document. |
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Mots clès : énergie solaire, géothermie,
énergie
et environnement, électricité, moteur électrique, radiateur, réfrigérateur, climatiseur, lampe électrique, information, gaz à effet de serre, dioxyde de cabone, éolienne et nuisances, bilan carbone, ADEME, déchets radioactifs, demi-vie, décroissance radioactive, rayonnements ionisants, santé des personnes exposées, réaction de fission nucléaire, rayonnement ionisant, particule alpha, particule bêta, le gray, le rad, effets liés à une irradiation homogène, origine des déchets radioactifs, courbe de décroissance radioactive, neptunium, plutonium, américium, césium, énergie fossile et électricité, sources de production d'électricité dans le monde, Diagramme circulaire représentant les proportions des différentes sources de production d’électricité dans le monde. ... |
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I- Inventaire des principales ressources énergétiques.
1)- Énergie chimique fossile.
► Charbon, pétrole et gaz naturel.
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Énergie chimique |
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Énergie thermique |
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Combustion → |
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► Ressources :
- 200 ans pour le charbon
- 60 ans pour le gaz naturel
- 40 ans pour le pétrole.
2)- Énergie éolienne.
► Mouvement de l’air (vent)
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Énergie mécanique |
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Électricité |
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Alternateur → |
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► Ressources :
- Énergie renouvelable.
3)- Énergie nucléaire.
► Fission de l’uranium 235
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Énergie nucléaire |
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Électricité |
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Turbine → |
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Alternateur |
► Ressources :
- Les ressources fissiles, comme l’uranium, sont évaluées à 100 ans.
4)- Énergie hydraulique.
► Stockage de l’eau : barrages hydroélectriques.
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Énergie mécanique |
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Électricité |
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Turbine → |
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Alternateur |
► Ressources :
- Renouvelable.
5)- La biomasse.
► Utilisation des végétaux.
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Énergie chimique |
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Énergie thermique |
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Combustion → |
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► Ressources :
- Durée de croissance des végétaux.
- Renouvelable.
6)- Énergie solaire.
► Rayonnement solaire
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Énergie du
rayonnement
solaire |
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Électricité |
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Panneaux photovoltaïque → |
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Énergie du
rayonnement
solaire |
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Énergie thermique |
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Capteurs solaires → |
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► Ressources :
- Renouvelable.
7)- Géothermie.
► Sous-sol terrestre.
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Énergie thermique
du
sous-sol |
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Énergie thermique
pour
le chauffage |
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Pompe à chaleur → |
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► Ressources :
- Plus de 100 000 ans.
II- Ressources, stockage et transport de l’énergie.
1)- Ressources renouvelables ou non.
- La distinction entre ressources énergétiques renouvelables ou non est liée essentiellement à la :
- Durée d’exploitation,
- Et à la durée de reconstitution de la ressource exploitée.
► Une définition pour la ressource renouvelable :
- Lorsque le stock de ressource énergétique se reconstitue aussi vite qu’il ne disparaît ou lorsque cette ressource est quasi illimitée (à notre échelle de temps),
- On dit que cette ressource est renouvelable.
► Exemples de ressources renouvelables :
- L’hydraulique, l’éolien, la géothermie, la biomasse, le solaire.
► Une définition pour la ressource non renouvelable :
- Lorsque le stock de ressource énergétique se reconstitue beaucoup moins vite qu’il ne disparaît ou lorsque cette ressource ne se reconstitue pas du tout,
- On dit que cette ressource est non renouvelable.
► Exemples de ressources non renouvelables :
- Ressources d’origine fossile : charbon, pétrole, gaz.
- Ressource d’origine nucléaire : uranium.
2)- Stockage et transport de l’énergie.
a)- Énergie éolienne et énergie solaire.
- Ce sont des énergies renouvelables qui dépendent des conditions climatiques.
- Leur production est donc intermittente.
- Il faut stocker l’énergie récupérée.
- Actuellement, on dispose de deux possibilités :
- On peut utiliser les accumulateurs ou les barrages hydroélectriques.
- Dans les accumulateurs, l’énergie électrique est stockée sous forme d’énergie chimique.
- Dans un barrage hydroélectrique, l’énergie électrique est convertie en énergie potentielle de pesanteur.
- Dans ce cas, au moment désiré, on fait couler l’eau dans une conduite forcée.
- Cette eau fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur et produit de l’énergie électrique.
b)- Transport de l’énergie électrique.
- L’électricité est un mode de transport de l’énergie.
- On utilise pour cela des lignes électriques dans lesquelles existe une dissipation de l’énergie par effet Joule.
- Pour limiter cet effet, on utilise des lignes haute tension (400 kV), car au plus la tension est élevée, au plus l’énergie dissipée est faible pour une même énergie transportée.
- On utilise des transformateurs de tension soit pour élever la tension pour la transporter soit pour la diminuer pour desservir les utilisateurs.
- Au départ, il faut la fabriquer à partir d’une source primaire fossile, nucléaire ou renouvelable.
- À l’arrivée pour se servir de l’électricité, il faut la transformer :
- En travail : on utilise comme convertisseur le moteur électrique.
- En chaleur : le convertisseur est le radiateur.
- En froid : le convertisseur est le réfrigérateur ou le climatiseur.
- En lumière : le convertisseur est la lampe électrique (lampe à incandescence, tube fluorescent, diode électroluminescente).
- En information : le convertisseur est l’ordinateur, la télévision, …
III- Application : Énergie et environnement.
1)- Étude d’un document : La production d’électricité à partir de l’énergie éolienne.
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« La production d’électricité à partir de l’énergie éolienne est un secteur économique en forte croissance. Au niveau mondial, elle a augmenté, en moyenne, de 25 % par an entre 2000 et 2010.
En janvier 2011, un appel d’offre a été lancé pour la construction de plusieurs parcs éoliens au large des côtes bretonnes et normandes. Ces parcs permettraient d’obtenir une capacité de production de 3000 MW d’ici 2015, grâce à 6000 éoliennes implantées en mer. Face au rapide développement de l’énergie éolienne, de nombreuses critiques apparaissent. En France, où la production annuelle totale d’électricité s’élevait à 550 TW.h, en 2010, dont 75 % d’origine nucléaire, les « anti-éolien » se sont élevés contre la défiguration des paysages. Ils s’appuient notamment sur la comparaison des surfaces nécessaires pour produire 1 TW.h (un térawatt-heure) d’électricité par an : - Il faut une surface au sol de près de 15 km2 avec les éoliennes, - 5 km2 avec des panneaux photovoltaïques - Et moins de 1 km2 avec une centrale nucléaire. Les combustibles fossiles massivement utilisés actuellement dégagent beaucoup de gaz à effet de serre impliqués dans le réchauffement climatique. On peut se demander si l’utilisation massive des éoliennes réduirait réellement les émissions de ces gaz. La réponse semble évidente, puisque l’énergie cinétique du vent ne génère pas de gaz à effet de serre. Cependant, pour évaluer l’impact d’une éolienne sur le réchauffement climatique, il faut prendre en compte toute la « vie » de l’éolienne, de sa fabrication jusqu’à son démantèlement, sans oublier sa maintenance. On constate alors que la fabrication de l’acier et du béton avec lesquels une éolienne est construite produit beaucoup de gaz à effet de serre. En prenant cela en compte, on estime que la production d’un kilowatt-heure d’électricité à partir d’une éolienne s’accompagne d’un dégagement de 3 à 22 g de CO2. L’écart entre ces valeurs est principalement dû à la force moyenne du vent sur le lieu d’implantation, la taille de l’éolienne et aux matériaux mis en œuvre. De plus, il n’y a pas toujours du vent. Il est donc nécessaire de prévoir des moyens de production de remplacement. Cela peut être assuré par des centrales hydrauliques (comme au Danemark), thermiques à combustibles fossiles (comme en Allemagne) ou nucléaires (comme en France). »
► Pourquoi les installations d’éoliennes se développent-elles ? - Le but est d’utiliser de plus en plus les énergies renouvelables et diversifier les énergies. - L’objectif en Europe, pour 2010, est que les énergies renouvelables représentent 20 % des énergies utilisées. ► Pourquoi certaines personnes s’opposent-elles à l’installation d’éoliennes ? - Les installations éoliennes défigurent le paysage et nécessitent de grandes surfaces d’occupation au sol. - De plus elles produisent des nuisances sonores et perturbent la réception des ondes hertziennes ( éoliennes implantées sur le sol au voisinage des habitations). ► Une centrale nucléaire possède en moyenne 4 réacteurs de 900 MW chacun. À combien de centrales de ce type serait équivalente la production d’électricité par le projet d’éoliennes en mer ? - Le parc, implanté au voisinage de la côte bretonne et de la côte normande, d’ici 2015, aura une capacité de 3000 MW grâce à 600 éoliennes. - Ce parc est équivalent à une centrale nucléaire de 4 réactions de 900 MW chacun (3600 MW). ► Qu’appelle-t-on gaz à effet de serre ? - Un gaz à effet de serre est un gaz qui absorbe une partie du rayonnement infrarouge provenant de la Terre et qui en réémet ensuite une partie vers la Terre et contribue ainsi à son réchauffement. - Les gaz à effet de serre sont principalement le dioxyde de carbone et la vapeur d’eau. ► Pourquoi parle-t-on d’émission de gaz à effet de serre pour les éoliennes ? - « Cependant, pour évaluer l’impact d’une éolienne sur le réchauffement climatique, il faut prendre en compte toute la « vie » de l’éolienne, de sa fabrication jusqu’à son démantèlement, sans oublier sa maintenance. » - « On constate alors que la fabrication de l’acier et du béton avec lesquels une éolienne est construite produit beaucoup de gaz à effet de serre. » - La fabrication des matériaux nécessaires à la construction des éoliennes libère beaucoup de gaz à effet de serre. ► Qu’appelle-t-on un « bilan carbone » ?
- Le bilan carbone est une méthode de comptabilisation des émissions de gaz à effet de serre (GES) émises directement ou indirectement par une activité. - Un « bilan carbone » est un outil qui permet de comptabiliser les émissions de gaz à effet de serre des individus, des entreprises, des installations industrielles, etc. - Pour un calcul personnel du bilan carbone : - http://avenirclimatique.org/micmac/index.php ► Quelle surface faudrait-il recouvrir d’éoliennes pour remplacer les centrales nucléaires de la France ? La comparer avec la surface de votre département. - En France, où la production annuelle totale d’électricité s’élevait à 550 TW.h, en 2010, dont 75 % d’origine nucléaire : - Valeur de la production d’électricité d’origine nucléaire : - E (Nucléaire) ≈ 0,75 x 550 - E (Nucléaire) ≈ 413 TW . h - Pour produire 1 TW.h (un térawatt-heure) d’électricité par an : - Il faut une surface au sol de près de 15 km2 avec les éoliennes. - Surface nécessaire pour produire l’énergie correspondante à la production annuelle des centrales nucléaires : - S (Éolienne) ≈ 413 x 15 - S (Éolienne) ≈ 6,2 x 103 km2 - Surface du département des Alpes de Haute Provence : - Superficie totale de S (04) = 6925 km2. - La surface du parc d’éolienne représente 89 % de la superficie du département.
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2)- Les déchets radioactifs.
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« Les démographes prévoient près de 10 milliards d’êtres humains sur Terre en 2050. Nous de sommes aujourd’hui qu’environ 7 milliards, et près de 2 milliards d’êtres humains n’ont pas accès à l’électricité. Cette croissance de la population, couplée à l’évolution des modes de vies, fait augmenter considérablement les besoins en énergie au niveau mondial. Ces besoins ne pourront être comblés par la combustion de ressources fossiles, car leurs réserves sont limitées. De plus, leur consommation accroît le réchauffement climatique. L’énergie nucléaire pourrait alors jouer un rôle important dans les décennies à venir, aux côtés des énergies renouvelables, pour produire l’électricité nécessaire. Actuellement, en France, plus des trois quarts de l’électricité produite est d’origine nucléaire. La plupart des centrales nucléaires françaises fonctionnent avec des réacteurs qui utilisent la fission contrôlée de l’uranium 235. On estime actuellement que les ressources en uranium seront épuisées dans une centaine d’années. Les déchets provenant du combustible des centrales nucléaires contiennent de nombreux noyaux radioactifs qui se désintègrent plus ou moins rapidement. La demi-vie, notée t1/2, est la durée au bout de laquelle la moitié d’une population de noyaux radioactifs s’est désintégrée. Des lieux sécurisés sont indispensables au stockage de ces déchets, car leur désintégration libère des particules et des rayonnements ionisants très néfastes pour la santé des personnes exposées. » - Courbe de décroissance d’une population de noyaux radioactifs en fonction du temps. - La grandeur N0 représente le nombre initial de noyaux radioactifs.
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► Dans un conteneur de 100 kg de déchets, on a trouvé : - 11 kg de neptunium 237 (Np), - 32 kg de plutonium 241 (Pu), - 2,0 kg d’américium 241 (Am), - 0,10 kg de césium 135 (Cs). ► Le tableau ci-dessous indique la demi-vie de ces noyaux radioactifs.
► Quelles sont les énergies fossiles actuellement utilisées pour la production d’électricité ? - Comme énergie fossile, on utilise actuellement : le charbon, le pétrole et le gaz naturel. ► Quel est leur impact majeur sur l’environnement ? - Lors de leur combustion, le charbon, le pétrole et le gaz naturel produisent beaucoup de gaz à effet de serre, principalement du CO2. - L’utilisation de l’énergie fossile contribue donc au réchauffement climatique. ► Qu’est-ce que la fission nucléaire ? - La réaction de fission est une réaction nucléaire provoquée. - Au cours d’une fission nucléaire, un neutron lent (neutron thermique) brise un noyau lourd fissile en deux noyaux légers. - Cette réaction libère de l’énergie. - Un neutron lent que l’on appelle aussi neutron thermique a une énergie cinétique : EC < 0,10 eV. - Remarque : Les noyaux formés par fission sont généralement radioactifs. - Équation-bilan : -
- Il existe un très grand nombre de fissions différentes. ► Qu’est-ce qu’un rayonnement ionisant ? - Les rayonnements ionisants contribuent à une ionisation des molécules présentes dans les organismes vivants. - Selon la dose reçue et le type de rayonnements, leurs effets peuvent être plus ou moins néfastes pour la santé.
- Les particules α (alpha) sont directement ionisantes mais peu pénétrantes. - Les particules β (bêta) sont plus pénétrantes mais moins ionisantes que les particules α. - Les rayonnements X et γ ne sont pas directement ionisants, mais ils sont très pénétrants. - Ils peuvent traverser jusqu’à 20 cm de plomb. - Par interaction avec les atomes des substances traversées, ils peuvent donner naissance à des électrons qui eux sont ionisants - La quantité de rayonnements absorbés : - Le gray (Gy) est l'unité qui permet de mesurer la quantité de rayonnements absorbés – ou dose absorbée – par un organisme ou un objet exposé aux rayonnements. - Le gray a remplacé le rad en 1986 : 1 gray = 100 rads = 1 joule par kilogramme de matière irradiée.
► On considère que 99 % d’une population de noyaux radioactifs est désintégrée après une durée de sept demi-vies. Au bout de combien de temps peut-on considérer que chaque type de noyaux radioactifs initialement présents dans le conteneur est pratiquement désintégré ?
► Quel problème pose l’accumulation des déchets radioactifs pour les générations futures ? - L’accumulation des déchets pose le problème du traitement et du conditionnement selon des normes très strictes du fait de la lente désintégration de certains noyaux radioactifs. - Il faut stocker ces déchets dans des centres d’enfouissement adaptés et stables sur des durées extrêmement longues. - La maîtrise des déchets radioactifs : ANDRA. - https://www.andra.fr/mini-sites/dechets-radioactifs/enfouissement-dechets-nucleaires.htm - Source : ANDRA
► Même si une technique d’élimination des déchets était mise au point, pourquoi la fission ne peut-elle pas être une solution à long terme pour la production d’électricité ? - La fission ne peut pas être une solution à long terme pour la production d’électricité car les réserves en uranium vont s’épuiser au cours terme. La prévision actuelle est d’une centaine d’années. ► Quel type de production d’énergie nucléaire est envisagé pour l’avenir ? - Dans l’avenir, on espère pouvoir utiliser l’énergie de la fusion nucléaire. ► Sources de production d’électricité dans le monde en 2008 :
► Diagramme circulaire représentant les proportions (en pourcentage) des différentes sources de production d’électricité dans le monde en 2008.
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