Stockage et conversion de l'énergie chimique
Objectif(s)
Aborder le thème du stockage de
l’énergie. Voir que le stockage et la conversion
de l’énergie chimique peuvent présenter
différents aspects ; étudier leurs
caractéristiques. On insistera surtout sur la
réaction de combustion et sur l’émission
de 
.
.
1. Problématique du stockage de l'énergie
Les activités biologiques d’un organisme
vivant ou un processus industriels ne peuvent pas se faire
sans énergie, quelle que soit sa forme. La
difficulté est d’avoir une «
réserve » d’énergie à
disposition au moment où l’on en a besoin. Par
exemple, le muscle a des réserves de
glycogène qu’il peut utiliser rapidement en
cas d’effort physique. La notion de stockage
d’énergie est donc cruciale.
Incontestablement, la forme d’énergie stockée la plus importante en quantité est l’énergie de masse, donnée par la relation d’Einstein
. Cependant, seules des réactions
nucléaires arrivent à l’exploiter de
manière intéressante (étoiles,
centrales nucléaires).
D’autres formes d’énergie sont aussi « stockables », comme l’énergie potentielle de pesanteur (barrages), l’énergie thermique (cumulus d’eau chaude), l’énergie cinétique (volants d’inertie)… Cependant, elles ne permettent pas un stockage important, et/ou dans la durée.
Par contre, l’énergie chimique constitue un stock d’énergie important, pouvant être conservé longtemps, et dont l’énergie est « extraite » souvent facilement.
Incontestablement, la forme d’énergie stockée la plus importante en quantité est l’énergie de masse, donnée par la relation d’Einstein
. Cependant, seules des réactions
nucléaires arrivent à l’exploiter de
manière intéressante (étoiles,
centrales nucléaires).D’autres formes d’énergie sont aussi « stockables », comme l’énergie potentielle de pesanteur (barrages), l’énergie thermique (cumulus d’eau chaude), l’énergie cinétique (volants d’inertie)… Cependant, elles ne permettent pas un stockage important, et/ou dans la durée.
Par contre, l’énergie chimique constitue un stock d’énergie important, pouvant être conservé longtemps, et dont l’énergie est « extraite » souvent facilement.
2. Une forme d'énergie chimique stockée :
les combustibles
Les matériaux combustibles ont un grand
potentiel énergétique. Ils constituent un
stock d’énergie chimique accessible par
combustion.
Sur Terre, la matière combustible tire en fait sa source de l’énergie solaire ! En effet, le rayonnement du Soleil est exploité par les plantes vertes par photosynthèse pour produire la matière organique (bois par exemple) à la base de la chaîne alimentaire. La matière organique est composée essentiellement de carbone. On parle de cycle du carbone afin de rendre compte de ses changements d’états dans un écosystème.
Dans certaines conditions, la matière organique enfouie dans le sous-sol se modifie lentement. Cette matière « fossilisée » forme le charbon, le pétrole, le gaz naturel (méthane). Ce sont des combustibles à haut pouvoir énergétique, mais non renouvelables. Une fois extrait du sous-sol, le pétrole est acheminé par pétrolier ou pipe-line. Le gaz naturel est transporté par méthaniers ou gazoducs.
D’autre part, certaines huiles, végétales ou animales, constituent une autre variété d’énergie chimique, à vocation alimentaire, combustible ou autre. On peut penser aux huiles de colza dans le cadre des biocarburants. Des molécules organiques comme les alcools ont aussi des propriétés combustibles, par exemple le bioéthanol, un autre biocarburant.
Sur Terre, la matière combustible tire en fait sa source de l’énergie solaire ! En effet, le rayonnement du Soleil est exploité par les plantes vertes par photosynthèse pour produire la matière organique (bois par exemple) à la base de la chaîne alimentaire. La matière organique est composée essentiellement de carbone. On parle de cycle du carbone afin de rendre compte de ses changements d’états dans un écosystème.
Dans certaines conditions, la matière organique enfouie dans le sous-sol se modifie lentement. Cette matière « fossilisée » forme le charbon, le pétrole, le gaz naturel (méthane). Ce sont des combustibles à haut pouvoir énergétique, mais non renouvelables. Une fois extrait du sous-sol, le pétrole est acheminé par pétrolier ou pipe-line. Le gaz naturel est transporté par méthaniers ou gazoducs.
D’autre part, certaines huiles, végétales ou animales, constituent une autre variété d’énergie chimique, à vocation alimentaire, combustible ou autre. On peut penser aux huiles de colza dans le cadre des biocarburants. Des molécules organiques comme les alcools ont aussi des propriétés combustibles, par exemple le bioéthanol, un autre biocarburant.
3. Une conversion de l'énergie chimique : la
combustion
a. Caractéristiques.
Une combustion résulte d’une
réaction chimique entre un combustible et un
comburant. Le comburant le plus courant est le
dioxygène 
. Une combustion est
exothermique : elle libère de
l’énergie sous forme de chaleur. Pour
les combustions rapides et assez chaudes, la
réaction s’accompagne d’une
flamme, donc émission
d’énergie lumineuse.
Sauf cas très particuliers, la combustion ne se produit pas spontanément, mais à besoin d’être déclenchée par apport de chaleur, sous forme d’étincelle ou autre. Par contre, une combustion disposant d’un apport continu en combustible et comburant pourra être entretenue.
A l'échelle microscopique, des liaisons chimiques sont détruites lors de la combustion, ce qui libère les atomes. D’autres liaisons vont alors se former pour lier ces atomes, et donner les molécules issues de la combustion. L’énergie libérée correspond à la différence d’énergie entre les énergies de liaisons avant et après combustion.
. Une combustion est
exothermique : elle libère de
l’énergie sous forme de chaleur. Pour
les combustions rapides et assez chaudes, la
réaction s’accompagne d’une
flamme, donc émission
d’énergie lumineuse.Sauf cas très particuliers, la combustion ne se produit pas spontanément, mais à besoin d’être déclenchée par apport de chaleur, sous forme d’étincelle ou autre. Par contre, une combustion disposant d’un apport continu en combustible et comburant pourra être entretenue.
A l'échelle microscopique, des liaisons chimiques sont détruites lors de la combustion, ce qui libère les atomes. D’autres liaisons vont alors se former pour lier ces atomes, et donner les molécules issues de la combustion. L’énergie libérée correspond à la différence d’énergie entre les énergies de liaisons avant et après combustion.
b. Ecriture d'une réaction de combustion
Une combustion est dite complète si les
espèces chimiques en fin de combustion ne sont pas
susceptibles de subir la combustion à leur
tour. Une combustion complète libère en
général du dioxyde de carbone et de
l’eau sous forme de vapeur. La réaction
de combustion d’un hydrocarbure ou d’un
alcool pourra prendre la forme :
L’énergie thermique libérée lors d’une combustion complète est estimée par le pouvoir calorifique (ou chaleur de combustion) du combustible. On l’exprime en J/kg ou en J/mol. Par exemple, la chaleur de combustion est de 42MJ/kg pour le pétrole.
Le dihydrogène est un cas spécial, car sa combustion ne libère que de l’eau :
Ce carburant non polluant doit cependant être produit, car il n’existe pas sur Terre à l’état naturel. Un autre inconvénient est son transport, sous forme de gaz sous pression.
L’énergie thermique libérée lors d’une combustion complète est estimée par le pouvoir calorifique (ou chaleur de combustion) du combustible. On l’exprime en J/kg ou en J/mol. Par exemple, la chaleur de combustion est de 42MJ/kg pour le pétrole.
Le dihydrogène est un cas spécial, car sa combustion ne libère que de l’eau :
Ce carburant non polluant doit cependant être produit, car il n’existe pas sur Terre à l’état naturel. Un autre inconvénient est son transport, sous forme de gaz sous pression.
c. Sécurité
Si le comburant alimentant la combustion est en
quantité insuffisante, la combustion est dite
incomplète. Cela correspond à la flamme
jaune d’un bec Bunsen où la virole est
fermée. Cette flamme produit des
dépôts de carbone de couleur noire. Un
rejet de monoxyde de carbone 
est typique d’une
combustion incomplète. Il est incolore,
inodore, insipide, mais toxique. Des
systèmes de chauffage par combustion mal
ventilés ou mal réglés sont
responsables d’intoxication au monoxyde de
carbone, pouvant être mortelles.
Le stockage de combustibles n’est pas sans risque si ces derniers sont très inflammables, comme avec certains hydrocarbures. Le risque d’incendie est très présent (pétroliers). Quand il y a mélange d’un carburant et d’un comburant, le mélange peut être explosif (vapeurs d’essence dans les stations services).
est typique d’une
combustion incomplète. Il est incolore,
inodore, insipide, mais toxique. Des
systèmes de chauffage par combustion mal
ventilés ou mal réglés sont
responsables d’intoxication au monoxyde de
carbone, pouvant être mortelles.Le stockage de combustibles n’est pas sans risque si ces derniers sont très inflammables, comme avec certains hydrocarbures. Le risque d’incendie est très présent (pétroliers). Quand il y a mélange d’un carburant et d’un comburant, le mélange peut être explosif (vapeurs d’essence dans les stations services).
d. Environnement
L’essence est un carburant très
proche d’un point de vue chimique de son
constituant principal, c'est-à-dire l’octane
. La combustion complète
de l’octane s’écrit :
D’une manière générale, une mole d’hydrocarbure comportant n atomes de carbone (8 dans l’exemple) libèrera n moles de
lors de sa combustion complète.
La combustion d’un litre d’essence dans un moteur thermique génère environ 2,2 kilogrammes de dioxyde de carbone
. Selon sa consommation, on peut
alors établir l’émission de
d’un véhicule.
Le
émis dans
l’atmosphère est un gaz à effet de
serre impliqué dans le phénomène
de réchauffement climatique. Le domaine des
transports, par le biais des moteurs thermiques, est un
grand producteur de 
. Les centrales
thermiques, l’industrie, les chauffages par
combustion, les incendies de forêts, les volcans
… sont d’autres sources non
négligeables.
. La combustion complète
de l’octane s’écrit :D’une manière générale, une mole d’hydrocarbure comportant n atomes de carbone (8 dans l’exemple) libèrera n moles de
lors de sa combustion complète.La combustion d’un litre d’essence dans un moteur thermique génère environ 2,2 kilogrammes de dioxyde de carbone
. Selon sa consommation, on peut
alors établir l’émission de
d’un véhicule.Le
émis dans
l’atmosphère est un gaz à effet de
serre impliqué dans le phénomène
de réchauffement climatique. Le domaine des
transports, par le biais des moteurs thermiques, est un
grand producteur de . Les centrales
thermiques, l’industrie, les chauffages par
combustion, les incendies de forêts, les volcans
… sont d’autres sources non
négligeables.
4. Autres conversions de l'énergie chimique :
réactions d'oxydoréduction
La combustion est un cas particulier de réaction
d’oxydoréduction. Dans son cas, on parle
d’oxydoréduction par voie sèche.
Le comburant est qualifié d’agent
oxydant. De manière
générale, une réaction
d’oxydoréduction est une réaction qui
se caractérise par un transfert
d’électrons, d’un
réducteur vers un oxydant. Ces notions
seront approfondies dans de prochaines fiches.
a. Les processus biologiques
Chez les êtres vivants (animaux ou
végétaux), la respiration correspond
à la réaction d’oxydation du glucose
: 
Cette réaction a le même aspect qu’une combustion, mais l’énergie libérée est exploitée en grande partie sous forme chimique (molécule d’ATP vue en SVT). D’autre part, évidemment, la réaction ne produit pas de flamme : c’est une réaction de dégradation du glucose plus lente que pour une combustion.
Cette réaction a le même aspect qu’une combustion, mais l’énergie libérée est exploitée en grande partie sous forme chimique (molécule d’ATP vue en SVT). D’autre part, évidemment, la réaction ne produit pas de flamme : c’est une réaction de dégradation du glucose plus lente que pour une combustion.
b. Les piles à combustibles
Les piles à combustibles utilisent un
comburant et un combustible, mais la réaction ne
produit pas de la chaleur comme avec une combustion mais
de l’électricité. Le
combustible le plus employé dans ces piles est le
dihydrogène.
c. Les piles et les accumulateurs
Les piles électrochimiques et les accumulateurs
utilisent d’autres espèces chimiques que des
combustibles et comburants. On rencontre en effet des
métaux sous forme oxydée ou réduite.
La finalité des piles est de convertir de
l’énergie chimique en énergie
électrique, par le biais de
réactions d’oxydoréduction en
phase aqueuse. Les accumulateurs
électrochimiques sont des dispositifs capables
de transformer l’énergie électrique
qu’ils reçoivent en énergie chimique,
pour ensuite restituer l’énergie
électrique. Ils sont un moyen de stockage
d’énergie sous la forme
d’énergie chimique, via des réactions
d’oxydoréduction réversibles. Les
batteries de voiture en sont un bon exemple.
L'essentiel
L’énergie chimique constitue une forme
d’énergie stockée importante. Dans le cas
de matières combustibles, cette énergie peut
être convertie facilement en énergie
thermique/lumineuse par combustion.
Une combustion est une réaction exothermique entre un combustible et un comburant. Le dioxygène est le comburant le plus rencontré. Une combustion est une réaction d’oxydoréduction par voie sèche.
Les matières combustibles sont des matières organiques constituées d’hydrocarbures, d’alcools… La matière organique fossile (charbon, pétrole, gaz naturel) constitue une source d’énergie chimique, mais non renouvelable.
La combustion complète d’un hydrocarbure ou d’un alcool produit de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Une fois émis dans l’atmosphère, celui-ci participe à l’effet de serre, un des responsables du phénomène de réchauffement climatique.
L’énergie chimique peut aussi être exploitée par des réactions d’oxydoréductions autre que par combustion : respiration des êtres vivants, piles à combustibles, piles électrochimiques ou accumulateurs (batteries).
Une combustion est une réaction exothermique entre un combustible et un comburant. Le dioxygène est le comburant le plus rencontré. Une combustion est une réaction d’oxydoréduction par voie sèche.
Les matières combustibles sont des matières organiques constituées d’hydrocarbures, d’alcools… La matière organique fossile (charbon, pétrole, gaz naturel) constitue une source d’énergie chimique, mais non renouvelable.
La combustion complète d’un hydrocarbure ou d’un alcool produit de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Une fois émis dans l’atmosphère, celui-ci participe à l’effet de serre, un des responsables du phénomène de réchauffement climatique.
L’énergie chimique peut aussi être exploitée par des réactions d’oxydoréductions autre que par combustion : respiration des êtres vivants, piles à combustibles, piles électrochimiques ou accumulateurs (batteries).
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