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INTRODUCTION INTRODUCTION ÀÀLL’É’ÉNERGIENERGIE
Marcel LacroixMarcel LacroixUniversitUniversitéé de Sherbrookede Sherbrooke
M. Lacroix Introduction 33
MATIMATIÈÈRERE
GGÉÉNIE NIE MMÉÉCANIQUECANIQUE
ÉÉNERGIENERGIE INFORMATIONINFORMATION
M. Lacroix Introduction 2
BRBRÈÈVE HISTOIRE DE LVE HISTOIRE DE L’É’ÉNERGIENERGIE
• Invention agriculture … énergie mécanique animale … guerre… religions… maladies infectieuses ~ dix mille années.
•Maîtrise du feu ~ 1 million années.
M. Lacroix Introduction 4
BRBRÈÈVE HISTOIRE DE LVE HISTOIRE DE L’É’ÉNERGIENERGIE
• Déclin empire romain: refus de la maîtrise de l’énergie.
•Roue hydraulique ~ 3000 années.
M. Lacroix Introduction 5
BRBRÈÈVE HISTOIRE DE LVE HISTOIRE DE L’É’ÉNERGIENERGIE• Moulin hydraulique, moulin à vent et collier
d’épaule ~ mille années.
M. Lacroix Introduction 6
BRBRÈÈVE HISTOIRE DE LVE HISTOIRE DE L’É’ÉNERGIENERGIE• Déforestation massive en Europe:
consommation de biomasse et construction de cathédrales ~ 800 années.
M. Lacroix 7
BRBRÈÈVE HISTOIRE DE LVE HISTOIRE DE L’É’ÉNERGIENERGIE
M. Lacroix Introduction 8
• Révolution industrielle: machine à vapeur ~ 300 années (Papin … Newcomen …Watt).
BRBRÈÈVE HISTOIRE DE LVE HISTOIRE DE L’É’ÉNERGIENERGIE• Énergie nucléaire (fission) ~ 50 années.
1942: 1ère réaction en chaîne contrôléeM. Lacroix Introduction 9
HISTOIRE RELATIVE DE HISTOIRE RELATIVE DE LL’É’ÉNERGIENERGIE
• Comprimons les ~ 240 000 années d’histoire des hominidés en une seule année:
• 1er janvier, 00h00: Apparition de l’homo sapiens.
• 20 décembre, le matin: Invention du feu.• 22 décembre, le matin: Énergie animale.
M. Lacroix Introduction 10
HISTOIRE RELATIVE DE HISTOIRE RELATIVE DE LL’É’ÉNERGIENERGIE
• 26 décembre, ~12h00: Roue à eau. • 31 décembre, ~13h00: Machine à
vapeur.• 31 décembre, ~18h00: Électricité.• 31 décembre, ~19h00: Puits de pétrole en
Amérique.• 31 décembre, ~22h00: Fission nucléaire
M. Lacroix Introduction 11
TRAVAIL: DTRAVAIL: DÉÉFINITIONFINITION
• Le travail est l’action de transférer de l’énergie.
• Le mouvement d’un objet est causé par du travail.
• Travail = (Force) x (Distance)
M. Lacroix Introduction 12
ÉÉNERGIE: DNERGIE: DÉÉFINITIONFINITION
• L’énergie est la capacité de faire du travail.
• L’énergie permet de produire un travail comme l’argent permet de dépenser.
M. Lacroix Introduction 13
PUISSANCE: DPUISSANCE: DÉÉFINITIONFINITION
• La puissance est le taux auquel le travail est fait.
• Puissance = (Travail)/(Temps)• L’action de tondre la pelouse est un travail qui
demande la conversion d’énergie chimique (métabolisme) en énergie mécanique (marche).
• En tondant la pelouse deux fois plus vite, on fait le même travail mais cela demande deux fois plus de puissance.
M. Lacroix Introduction 14
UNITUNITÉÉS DS D’É’ÉNERGIE ET DE PUISSANCENERGIE ET DE PUISSANCE
• Travail et énergie: (1 Joule) = (1 Newton) x (1 mètre)
• Puissance:(1 Watt) = (1 Joule)/(1 seconde)
James Joule (1818-1889)
James Watt (1736-1819)
M. Lacroix Introduction 15
UNITUNITÉÉ DD’É’ÉNERGIE NERGIE ÉÉLECTRIQUELECTRIQUE
• (1 kWh) = (1000 Watts) x (3600 secondes)= 3.6 x 106 Joules
M. Lacroix Introduction 16
SCHSCHÉÉMA MA ÉÉNERGIENERGIE--TRAVAILTRAVAIL
Énergie potentielle élevée
Énergie potentielle basse
Machine Travail
M. Lacroix Introduction 17
ÉÉNERGIES RENOUVELABLES ET NERGIES RENOUVELABLES ET NON RENOUVELABLESNON RENOUVELABLES
• RENOUVELABLES: hydraulique, solaire, éolienne, ‘biomasse’, géothermie*, océan, marée motrice et vagues.
• NON RENOUVELABLES: combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) et matières fissiles (uranium).
* Pour la production de chaleur seulement.
M. Lacroix Introduction 18
IMAGINEZ UN INSTANT LA VIE SANS IMAGINEZ UN INSTANT LA VIE SANS ÉÉLECTICITLECTICITÉÉ ET SANS COMBUSTIBLEET SANS COMBUSTIBLE
• Que mangerait-on?• Comment se chaufferait-on?• Comment se déplacerait-on?• Comment serait le quotidien?
M. Lacroix Introduction 19
POURQUOI SPOURQUOI S’’INTINTÉÉRESSER RESSER ÀÀLL’É’ÉNERGIE?NERGIE?
Dans tous les phénomènes, organismes, dispositifs, machines, systèmes et procédés, il y a inévitablement conversion d’au moins une forme d’énergie en une autre.
M. Lacroix Introduction 20
EXEMPLES DE CONVERSION EXEMPLES DE CONVERSION DD’É’ÉNERGIE DNERGIE D’’UNE FORME UNE FORME ÀÀ
UNE AUTREUNE AUTRE
M. Lacroix Introduction 21
DE MDE MÉÉCANIQUE CANIQUE ÀÀ MMÉÉCANIQUECANIQUE
Engrenages
Piston
Transmission
M. Lacroix Introduction 22
DE MDE MÉÉCANIQUE CANIQUE ÀÀ ÉÉLECTRIQUELECTRIQUE
Dynamo
Générateur
Alternateur
M. Lacroix Introduction 23
DE CHALEUR DE CHALEUR ÀÀ MMÉÉCANIQUECANIQUE
Turbines à gaz
Locomotive à vapeur
M. Lacroix Introduction 25
DE CHALEUR DE CHALEUR ÀÀ ÉÉLECTRIQUELECTRIQUE
Thermocouple
Pile thermoélectrique
Réfrigérateur thermoélectrique
M. Lacroix Introduction 27
DE DE ÉÉLECTRIQUE LECTRIQUE ÀÀ CHIMIQUECHIMIQUE
Chargement d’une batterie Électrolyse
M. Lacroix Introduction 30
DE CHIMIQUE DE CHIMIQUE ÀÀ MMÉÉCANIQUECANIQUE
Moteurs à combustion interne
M. Lacroix Introduction 31
DE CHIMIQUE DE CHIMIQUE ÀÀ ÉÉLECTRIQUELECTRIQUE
Déchargement d’une batterie Piles à combustible
M. Lacroix Introduction 32
CONVERSION SOLAIRE CONVERSION SOLAIRE -- ÉÉNERGIE NERGIE POTENTIELLE POTENTIELLE –– ÉÉNERGIE CINNERGIE CINÉÉTIQUE TIQUE --
MMÉÉCANIQUE CANIQUE -- ÉÉLECTRICITLECTRICITÉÉ
Centrale hydroélectriqueM. Lacroix Introduction 39
CONVERSION SOLAIRE CONVERSION SOLAIRE –– MMÉÉCANIQUE CANIQUE -- ÉÉLECTRICITLECTRICITÉÉ
Parc d’éoliennes
M. Lacroix Introduction 40
CONVERSION NUCLCONVERSION NUCLÉÉAIRE AIRE -- CHALEUR CHALEUR –– MMÉÉCANIQUE CANIQUE -- ÉÉLECTRICITLECTRICITÉÉ
Centrale nucléaire
M. Lacroix Introduction 41
ÉÉNERGIE: CONSTAT NO. 1NERGIE: CONSTAT NO. 1• L’énergie n’est ni créée ni détruite. • La quantité totale d’énergie dans
l’univers demeure constante.• L’énergie peut être toutefois
transformée d’une forme à une autre.• C’est le principe de conservation
d’énergie. C’est la 1ère loi de la thermodynamique.
M. Lacroix Introduction 42
ÉÉNERGIE: CONSTAT NO. 2NERGIE: CONSTAT NO. 2
• À chaque fois que l’énergie est transformée d’une forme à une autre, sa qualité se dégrade.
• Ce constat est la 2ième loi de la thermodynamique.
M. Lacroix Introduction 43
EXEMPLE: EXEMPLE: ÉÉNERGIE vs ARGENTNERGIE vs ARGENT
ÉÉnergie nergie stockstockééee
ÉÉnergie nergie entranteentrante
ÉÉnergie nergie sortantesortante= -
SystSystèèmeme
Argent Argent accumulaccumuléé
RevenusRevenus DDéépensespenses= -
Compte de banqueCompte de banque
M. Lacroix Introduction 44
QUANTITQUANTITÉÉ vs QUALITvs QUALITÉÉ
• Un kWh d’électricité peut être transformé en un kWh de chaleur (l’énergie est conservée: 1ère loi) mais le kWh d’électricité a plus de valeur que le kWh de chaleur (2ème loi).
• La monnaie canadienne peut être convertie en monnaie américaine (l’argent est conservé: 1ère loi) mais les deux monnaies n’ont pas le même pouvoir d’achat (2ème loi).
M. Lacroix Introduction 45
OBJECTIFSOBJECTIFS
• Combien d’énergie peut être transformée d’une forme à une autre fait l’objet du cours d’Énergétique Ing315.
• Comment l’énergie peut-être transformée d’une forme à une autre fait l’objet de l’ensemble du programme de génie mécanique.
M. Lacroix Introduction 46
SITES SITES ÀÀ CONSULTERCONSULTER
• http://www.iea.org/• http://www.rmi.org/• http://www.aee.gouv.qc.ca/• http://oee.nrcan.gc.ca/• http://www.energy.gov/engine/content.do
M. Lacroix Introduction 47
UNITÉS D’ÉNERGIE COURANTESkWh
(kilowatt heure)3.6 x 106 Joules
BTU(British Thermal Unit)
1055 Joules
cal(calorie)
4.186 Joules
tep(tonne équivalent pétrole)
4.186 x 1010 Joules
tec(tonne équivalent charbon)
2.93 x 1010 Joules
M. Lacroix Introduction 48
UNITÉS DE CONVERSION UTILES
1 gallon U.S. 3.79 litres
1 baril (46.4 gallons U.S.)
~ 176 litres
1 litre d’essence ~ 10 kWh
1 H. P. ~ 740 W
M. Lacroix Introduction 49
ÉÉNERGIE STOCKNERGIE STOCKÉÉE PAR UNITE PAR UNITÉÉDE MASSE ET DE VOLUME DE MASSE ET DE VOLUME
Matière (kJ/kg) (kJ/litre)Batterie plomb/acide ls ~ 145 -
Bois sec s ~ 12 * 103 ~ 6 * 103
Charbon s ~ 24 * 103 ~ 32.4 * 103
Diesel l ~ 47 * 103 ~ 38.3 * 103
Essence l ~ 48 * 103 ~ 36 * 103
Gaz naturel g ~ 55 * 103 ~ 36Hydrogène g ~ 141 * 103 ~ 11.5
Uranium naturel s ~560 * 106 ~ 10.6 * 109
M. Lacroix Introduction 50
ÉÉQUIVALENCE RELATIVE (VOLUME) QUIVALENCE RELATIVE (VOLUME)
Matière Volume occupéBois sec s ~ une demie corde (1767 litres) Charbon s ~ 1.9 barils (327 litres)
Diesel l ~ 1.6 barils (276 litres) Essence l ~ 1.7 barils (294 litres)
Gaz naturel g 6 piscines de 50 m3 chacuneHydrogène g une maison de 20m x 20m x 2.3m
Uranium naturel s un dé à coudre de 1 cm3
M. Lacroix Introduction 51
ÉÉQUIVALENCE RELATIVEQUIVALENCE RELATIVE (VOLUME)(VOLUME)
~
1 dé à coudre d’uranium naturel ~ ½ corde de bois
M. Lacroix Introduction 52
ÉÉQUIVALENCE RELATIVE (MASSE) QUIVALENCE RELATIVE (MASSE)
Matière MasseBois sec s ~ 50 kg Charbon s ~ 23 kg
Diesel l ~ 11.5 kg Essence l ~ 11.5 kg
Gaz naturel g ~ 10 kgHydrogène g ~ 4 kg
Uranium naturel s un gramme
M. Lacroix Introduction 53
POINTS DE REPÈRE:ÉNERGIE
Soulèvement d’une masse de 1 kg d’une hauteur de 1 m
~ 10 J
Un litre d’eau du robinet chauffée à 1000C
~400 kJ (0.11 kWh)
Métabolisme adulte/jour ~ 8 600 kJ (2.4 kWh)Maison unifamiliale 140 m2
(consommation moyenne/jour)~ 216 000 kJ (60 kWh)
Voiture (par litre consommé) ~ 36 000 kJ (10 kWh)
M. Lacroix Introduction 54
POINTS DE REPÈRE:PUISSANCE
Adulte au repos ~ 100 W
Athlète (lutte olympique) ~ 1000 W
Ampoule électrique ~ 100 W
Séchoir à cheveux ~ 1500 W
Maison unifamiliale (120V, 200A) ~ 24 kW
Moteur de voiture (135 hp) ~ 100 kW
M. Lacroix Introduction 55
POINTS DE REPÈRE:FLUX DE CHALEUR
Peau humaine (100 W sur 2 m2) ~ 50 W/m2
Soleil intense (à midi, l’été) ~ 1 kW/m2
Ampoule électrique de 100W ~ 10 kW/m2
Puce électronique ~ 100 à 1000 kW/m2
M. Lacroix Introduction 56
ACTIVITACTIVITÉÉ HUMAINE: CONSTATSHUMAINE: CONSTATS
1.1. Des Substances sont extraites de la Des Substances sont extraites de la lithosphlithosphèère et sre et s’’accumulent dans accumulent dans ll’é’écosphcosphèèrere……
2.2. Des substances sont crDes substances sont créééées et es et ss’’accumulent dans laccumulent dans l’é’écosphcosphèèrere……
3.3. La biodiversitLa biodiversitéé ss’’appauvritappauvrit……4.4. Les ressources de la planLes ressources de la planèète sont utiliste sont utiliséées es
inefficacement et sans inefficacement et sans ééquitquité…é…
M. Lacroix Introduction 58
ACTIVITACTIVITÉÉ HUMAINE: AXIOMESHUMAINE: AXIOMES
1. La croissance de la consommation totale d’énergie demeure toujours supérieure àla croissance démographique.
2. Un besoin fondamental de l’espèce humaine est de disposer d’énergie àvolonté dans un environnement sûr et propre.
3. L’humanité poursuit sa voie irréversible.
M. Lacroix Introduction 59
CONCLUSION DCONCLUSION DÉÉCOULANTCOULANTDES TROIS AXIOMESDES TROIS AXIOMES
• À moins de découvrir une nouvelle forme d’énergie plus concentrée que la fission nucléaire (kJ/kg), alors l’énergie nucléaire deviendra la forme d’énergie préférée sur la planète.
M. Lacroix Introduction 60
UN UN WorldWorld population Prospects (2004):population Prospects (2004):(Axiome 1)(Axiome 1)
0,E+001,E+062,E+063,E+064,E+065,E+066,E+067,E+068,E+069,E+061,E+07
1950 1975 2000 2025 2050année
popu
latio
n (m
illie
rs)
M. Lacroix Introduction 61
30 Key 30 Key EnergyEnergy Trends (IEA):Trends (IEA):Formes dFormes d’é’énergie consommnergie consomméées (Axiome 1)es (Axiome 1)
62
30 Key 30 Key EnergyEnergy Trends (IEA):Trends (IEA):Secteurs de la consommation (Axiome 1)Secteurs de la consommation (Axiome 1)
M. Lacroix Introduction 63
CONSOMMATION DCONSOMMATION D’É’ÉNERGIE NERGIE (kWh par habitant et par jour*, Axiomes 1 et 2 )(kWh par habitant et par jour*, Axiomes 1 et 2 )
Période Société A B C
224123266
34724
46710 91
D Total
25122677230
11463
-106 ans primitive- 105 ans chasseur-7000 ans agriculture pri.
1400 agriculture ava.1850 industriel2000 technologique
A:alimentation; B:chauffage central; C:industrie et agriculture; D:transport. *Energy Flow in an Industrial Society, Scientific American, E. Cook, 225 (3), 1971.
M. Lacroix Introduction 64
30 Key 30 Key EnergyEnergy Trends (IEA):Trends (IEA):PrPréévisions de la consommation dvisions de la consommation d’é’énergie nergie
(Axiomes 1 et 3)(Axiomes 1 et 3)
M. Lacroix Introduction 65
30 Key 30 Key EnergyEnergy Trends (IEA):Trends (IEA):ÉÉconomies rconomies rééalisaliséées (Axiome 2)es (Axiome 2)
M. Lacroix Introduction 66
30 Key 30 Key EnergyEnergy Trends (IEA):Trends (IEA):Millions de gens sans Millions de gens sans éélectricitlectricitéé en 2003 en 2003
(Axiome 2?)(Axiome 2?)
M. Lacroix Introduction 67
TENDANCE HISTORIQUE: Axiomes 2 et 3TENDANCE HISTORIQUE: Axiomes 2 et 3
Source Années Pouvoir (kJ/kg)
AtomesC/H
Bois(s)
Charbon(s)
C12H26(l) dieselC8H18(l) essence
CH4(g) ~101 ~ 55 000 0.25H2(g) ~101 ~ 141 000 0.00
Uranium-235 (fission) ~101 ~800 * 108 N.A.Tritium (fusion) avenir ~340 * 109
~ 12 000
0.00
9.00~105
~ 24 000~103
~ 47 000~102
1.630.46
~ 48 000 0.44~102
M. Lacroix Introduction 68
30 Key 30 Key EnergyEnergy Trends (IEA):Trends (IEA):ÉÉmissions prmissions préévues de gaz carbonique vues de gaz carbonique
(Axiome 3)(Axiome 3)
M. Lacroix Introduction 69
ÉÉNERGIE DANS LE MONDE:NERGIE DANS LE MONDE:CONCLUSIONS CONCLUSIONS
•• ‘‘IEA World Energy Outlook 2002 InsightsIEA World Energy Outlook 2002 Insights’’: : Consommation mondiale dConsommation mondiale d’é’énergie va nergie va crocroîître de plus de 50% entre 2000 et 2030tre de plus de 50% entre 2000 et 2030……
•• 90% sera combl90% sera combléée par les combustibles e par les combustibles fossilesfossiles……
•• Les Les éémissions de COmissions de CO22 augmenteront de 50% augmenteront de 50% par rapport au niveau prpar rapport au niveau préésentsent……
M. Lacroix Introduction 70
ÉÉNERGIE DANS LE MONDE:NERGIE DANS LE MONDE:CONSCONSÉÉQUENCES QUENCES
•• Changements nChangements néécessaires dans la facessaires dans la faççon de on de transformer et dtransformer et d’’exploiter lexploiter l’é’énergie afin de nergie afin de contrôler la demande et rcontrôler la demande et rééduire les effets sur duire les effets sur ll’’environnement.environnement.
•• Aucune technologie ne peut Aucune technologie ne peut àà elle seule relle seule réésoudre ce soudre ce problproblèème (combustibles fossiles, me (combustibles fossiles, éénergies nergies renouvelables, hydrogrenouvelables, hydrogèène, technologies ne, technologies àà éémissions missions zzééro, sro, sééquestration de COquestration de CO22, fusion, etc.)., fusion, etc.).
•• Prise en compte des rPrise en compte des rééalitalitéés politique, sociale, s politique, sociale, ééconomique, environnementale et technologique. conomique, environnementale et technologique.
M. Lacroix Introduction 71
72Marcel Lacroix 31
Démocraties
Dictatures
1-ÉDUCATION;
2-SANTÉ;
3-ÉNERGIE;
4-EAU;
5-COMMUNICATION
DÉVELOPPEMENT SOCIAL ET
ÉCONOMIQUE:
ÉÉNERGIE AU CANADA:NERGIE AU CANADA:CONSTATSCONSTATS
•• ÉÉconomie fondconomie fondéée sur des industries voraces e sur des industries voraces en en éénergie.nergie.
•• Industrie: 40%; Transport: 29%; Industrie: 40%; Transport: 29%; RRéésidentiel: 18%; Commercial: 13%*. sidentiel: 18%; Commercial: 13%*.
•• Grands consommateurs industriels: Mines, Grands consommateurs industriels: Mines, traitement, transformation, chimie, ptraitement, transformation, chimie, péétrole, trole, raffinerie, fer et acier, pâtes et papier. raffinerie, fer et acier, pâtes et papier.
** Energy Policies of IEA Countries: Canada 2000 ReviewEnergy Policies of IEA Countries: Canada 2000 Review
M. Lacroix Introduction 73
CONSOMMATION:CONSOMMATION:RRÉÉSIDENTIEL ET COMMERCIALSIDENTIEL ET COMMERCIAL
M. Lacroix Introduction 76
RRÉÉPERTOIRE PERTOIRE ‘‘NOTESNOTES’’
1. Introduction à l’énergétique.2. Concepts fondamentaux et définitions.3. Propriétés des substances pures. 4. Travail et chaleur.5. Principes de conservation.
M. Lacroix Introduction 81
RRÉÉPERTOIRE PERTOIRE ‘‘NOTESNOTES’’
6. Deuxième loi de la thermodynamique. 7. Entropie.8. Cycles de puissance à vapeur. 9. Cycles de réfrigération à compression
de vapeur.10.Mélanges air/vapeur d’eau
M. Lacroix Introduction 82