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Cours de Sciences 1re L - Ressources énergétiques et durées caractéristiques


Note par nos Maxinautes :  
Objectif
Comment l’Homme peut-il couvrir ses besoins énergétiques sur le long terme ?
Les besoins énergétiques de l’Homme ne cesse de croître en corrélation avec la croissance démographique et le développement de certains pays tels que la Chine ou l’Inde. Les roches fossiles qui ont été les sources d’énergie principales jusqu’à aujourd’hui s’épuisent. L’Homme va donc devoir développer de nouvelles sources d’énergie si possible renouvelables.
1. Les formes d'énergie non renouvelables
a. Les roches fossiles
Les roches fossiles (charbon, pétrole, gaz) sont principalement utilisées lors de réactions de combustion qui conduisent à la libération de dioxyde de carbone dans l’atmosphère (doc. 1).
Les roches fossiles ont été formées par enfouissement rapide puis fossilisation de matière organique végétale. Elles permettent le stockage à long terme de l’énergie solaire captée par les végétaux lors du processus de photosynthèse (doc. 1). Leur exploitation intensive depuis l’ère industrielle a épuisé les stocks disponibles. On estime la durée des réserves mondiales à 47 ans pour le pétrole, 64 ans pour le gaz et 156 ans pour le charbon. Sachant qu’il faut plusieurs dizaines de millions d’années pour produire ce type de roches, il est difficile d’envisager le renouvellement des stocks.
De plus, l’utilisation de ce type de ressources conduit à une augmentation de la température de surface de la planète par libération de gaz à effet de serre tel que le dioxyde de carbone.


Doc. 1 : La formation et l’exploitation des roches fossiles
b. L'énergie nucléaire
Elle est produite à partir d’une réaction de fission qui consiste en l’éclatement d’un noyau lourd et instable dit fissible par un neutron. On utilise le plus souvent l’uranium 235U qui est éclaté en deux noyaux de plus petite taille. Les neutrons libérés par cette première réaction vont permettre ensuite l’éclatement d’autres noyaux selon une réaction en chaîne. Cette réaction s’accompagne de la libération d’énergie thermique qui va être convertie en énergie électrique dans les centrales nucléaires.
L’uranium naturel est formé en majorité par l’isotope 238U et par seulement 0,7% d’uranium 235U. Il faut donc enrichir l’uranium extrait avant son utilisation comme source d’énergie afin d’augmenter la proportion de l’isotope 235U jusqu’à 3 à 4%. Avec seulement 0,1 g d’uranium enrichi on produit 1 tep (tonne équivalent pétrole).

Les éléments radioactifs sont naturellement présents dans la roche depuis la naissance de la Terre. Ils ne se renouvellent pas et s’épuisent. On estime à un siècle la durée du stock encore disponible.
L’utilisation de cette ressource énergétique présente des risques importants pour l’environnement. Elle pose le problème du stockage à long terme de ses déchets radioactifs.
La dernière catastrophe survenue lors d’un séisme dans la centrale nucléaire de Fukushima au Japon nous rappelle que la radioactivité, lorsqu’elle peut s’échapper des réacteurs est à l’origine d’une pollution non contrôlable de l’eau et de l’air. Les conséquences sont dramatiques pour les populations puisqu’elles touchent leur patrimoine génétique et peuvent être responsables de cancers et de malformations touchant les enfants à naître. De plus, le nuage radioactif, très volatil, peut être dispersé dans l’atmosphère et toucher des régions très éloignées du site de la catastrophe (ex. le nuage de Tchernobyl en Russie a survolé la France en 1986).

Ainsi, les ressources énergétiques les plus utilisées aujourd’hui sont les plus polluantes et ne seront plus disponibles d’ici un siècle. Il est urgent de trouver de nouvelles sources d’énergie en tenant compte d’un facteur important, celui de la préservation de l’environnement.
2. Les formes d'énergie renouvelables
Le Soleil constitue une source d’énergie primaire fondamentale pour le fonctionnement de notre planète et le maintien de la vie sur Terre. L’énergie solaire est convertie en différentes énergies secondaires qui présentent l’avantage d’être renouvelables, c’est-à-dire inépuisables.
a. La biomasse
L’énergie solaire est captée par les végétaux au cours de la photosynthèse et est convertie en énergie chimique stockée dans les molécules organiques au niveau des liaisons fortes. Il est possible de récupérer cette énergie en réalisant la combustion de ces molécules organiques.

L’Homme peut ainsi produire des agrocarburants. Les agrocarburants de première génération sont produits à partir d’huiles végétales telles que l’huile de colza ou l’huile de palme (bioesters) ou de végétaux riches en sucres comme la betterave, le maïs ou la canne à sucre (bio-ethanol). Le bio-éthanol est produit par fermentation alcoolique des sucres puis distillation afin de récupérer la fraction alcoolique du fermentat.

La combustion de ce type de biocarburant produit du dioxyde de carbone mais dans une proportion moindre que l’essence issue du pétrole.
La production des agrocarburants de première génération a conduit certains pays comme le Brésil à libérer des surfaces importantes de culture au détriment de l’agriculture servant à nourrir les hommes et de la préservation de la biodiversité (destruction de la forêt amazonienne).
Pour pallier à ces inconvénients, l’Homme développe aujourd’hui d’autres types de biocarburants qui sont encore au stade expérimental.

Les agrocarburants de seconde génération sont produits à partir de bois et de paille. Leur culture vient en complément de cultures nécessaires à l’homme.
Les agrocarburants de troisième génération sont produits à partir d’algues cultivées en bassin.
b. L'énergie éolienne
L’énergie éolienne correspond à l’énergie du vent. Ce dernier correspond au déplacement horizontal des masses d’air des zones de fortes pressions atmosphériques aux zones de plus faibles pressions. Les zones de faibles pressions sont générées par un réchauffement local de la zone par l’énergie du Soleil qui provoque un mouvement ascendant des masses d’air réchauffées.
Cette énergie apparaît donc inépuisable, peu voire pas polluante.

Pour l’exploiter, l’Homme construit des éoliennes qui vont convertir l’énergie du vent en énergie électrique. Certains s’opposent farouchement à ce type de construction car ils estiment qu’elles dénaturent le paysage et qu’elles sont bruyantes.
De plus, le rendement d’une éolienne n’est pas encore optimal. Il dépend de la force du vent qui peut varier selon plusieurs facteurs : relief, saison, localisation géographique. En France, la région PACA est la région où la force des vents continentaux est la plus élevée (> 8,5 m.s-1). Toutefois, les éoliennes ne démarrent pas si les vents sont en dessous d’une certaine vitesse (3 à 5 m.s-1) et s’arrêtent si les vents sont trop forts. Ainsi, plus les vents seront irréguliers, plus le rendement sera faible. On estime aujourd’hui que le rendement d’une éolienne varie de 12 à 30% par rapport à l’énergie générée par le vent.

Dans le cadre du grenelle de l’environnement (2007) qui vise à diminuer le rejet des gaz à effet de serre en favorisant les énergies renouvelables, notre pays envisage de construire 600 éoliennes en mer au large des côtes bretonnes.
c. L'énergie solaire
On distingue l’énergie solaire photovoltaïque et l’énergie solaire thermique.
La première forme est récupérée par des panneaux solaires posés le plus souvent sur les toits des maisons et permet de récupérer de l’électricité. La seconde forme permet essentiellement de produire de la chaleur qui peut aussi être utilisée pour chauffer de l’eau.

La contrainte de ce type d’énergie est l’exposition au soleil. Ainsi, en France ce sont les régions du pourtour méditerranéen et les DOM qui produisent la plus grande quantité d’énergie électrique par panneaux solaires photovoltaïques.
Il est possible d’envisager la construction de centrales électriques solaires qui fonctionneraient selon le même principe que les centrales thermiques : la combustion d’un carburant permet de produire de la chaleur qui est convertie en énergie mécanique actionnant des turbines reliées à un alternateur. Pour obtenir le même type de rendement, ces centrales électriques solaires doivent être construites dans des régions du globe où le rayonnement solaire dépasse 1900 Kwh par m² et par an soit des régions arides ou montagneuses. Les quelques centrales mises en route dans les années 80 sont actuellement arrêtées faute de rendement.

Les panneaux photovoltaïques présentent eux aussi un rendement faible de l’ordre de 5 à 20%.
d. La géothermie
Cette technique consiste à récupérer de l’eau ayant circulé dans le sol afin d’en extraire la chaleur.
Une centrale électrique géothermique a été construite en Guadeloupe, île connue pour son activité volcanique. Un puits creusé dans le sol permet de récolter de l’eau à plus de 250°C issue de l’infiltration des eaux de pluie et de l’eau de mer dans la roche fracturée.
Toutefois, cette centrale permet d’obtenir une puissance de 4,7 MW alors que les besoins de l’île sont de 235 MW.
e. L'énergie hydraulique
L’énergie hydraulique est produite par le mouvement des masses d’eau (courant des cours d’eau, marée, …). Ce dernier est généré par deux types d’énergie primaire :
L’énergie solaire qui en générant le vent est responsable des courants marins de surface et permet le cycle de l’eau conduisant à alimenter les cours d’eaux continentaux
La gravité qui permet à l’eau des sommets de descendre en direction de la mer ce qui génère un courant.
L’énergie hydraulique est une des principales sources de production d’électricité en France. Elle nécessite la construction de barrages hydrauliques sur les cours d’eau ce qui va avoir un impact sur l’environnement non négligeable (recouvrement de milieux de vie, réchauffement de l’eau, …)

Ainsi, les nouvelles formes d’énergie développées aujourd’hui sont toutes renouvelables donc inépuisables. Par contre, elles ne peuvent pas être utilisées dans toutes les régions du monde (géothermie, éolienne) et posent encore des problèmes de préservation de l’environnement. Leur rendement reste encore limité et doit être amélioré. L’Homme doit donc trouver des moyens pour développer ces énergies tout en préservant sa planète ; c’est le concept du développement durable !
L'essentiel
Les besoins énergétiques de l’Homme ne cessent de s’accroître. Jusqu’à aujourd’hui sa productivité industrielle reposait sur l’exploitation des roches fossiles qu’il extrayait des sous-sols. Les stocks disponibles aujourd’hui ne permettront de couvrir ses besoins énergétiques que durant encore un siècle. De plus, l’Homme prend conscience de l’impact néfaste qu’a l’exploitation des roches fossiles sur son environnement. Il devient donc urgent de trouver des solutions énergétiques propres et renouvelables.

L’utilisation de la biomasse pour produire des biocarburants est envisageable dans la mesure où la culture des végétaux ne compromet ni la nourriture des hommes ni la biodiversité de la planète.
L’utilisation des énergies liées directement ou indirectement à l’énergie solaire comme les panneaux photovoltaïques ou les éoliennes sont des solutions propres mais rentables uniquement dans certaines régions du monde. C’est le cas aussi de la géothermie.
L’énergie hydraulique est propre et rentable mais peu respectueuse de l’environnement.
De plus, le coût élevé de la mise en place de nouvelles structures permettant l’exploitation de ces nouvelles énergies peut constituer un obstacle pour certains pays. Pourtant toutes ces énergies présentent l’avantage d’être inépuisables dans la durée.
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