MAISON POUR LA SCIENCE EN MIDI-PYRENEES

L’énergie : un concept abstrait

Intervenants

Bénédicte de Bonneval

Gabriel Soum

Fernand Padilla

PlanI- INTRODUCTION

Définitions

Activité : le ventilateur électrique

Unités d’énergie

II- ENERGIES D’ORIGINE NON RENOUVELABLE

Energies fossiles (centrales thermiques)

Energie nucléaire (centrales nucléaires)

III- ENERGIES D’ORIGINE RENOUVELABLE

Energie mécanique (hydraulique, éolienne, marémotrice)

Energie solaire (panneaux photovoltaïques ou thermiques, four solaire)

Energie thermique (de la Terre)

Energie biochimique (biocarburants)

V- CONCLUSION

DéfinitionsNom féminin singulier * vitalité, force physique (se sentir plein d'énergie, laver et frotter avec énergie)

* force morale, fermeté, vigueur (galvaniser les énergies du peuple, se battre avecl'énergie du désespoir)

* vigueur, efficacité dans l'expression (parler avec énergie)

*grandeur, dont l'unité est le joule, qui caractérise un système et qui exprime sacapacité à modifier l'état d'autres systèmes en interaction avec lui

* chacun des modes que peut présenter un tel système (énergie cinétique, énergiemécanique, énergie thermique)

Expressions : sources d'énergie

ensemble des matières premières ou des phénomènes naturels utilisés pourproduire de l'énergie

Ministère de l'Ecologie, du Développement durable et de l'Energie

Définition : l'énergie caractérise la capacité par un système à fournir dutravail, à mettre en mouvement, à éclairer, à élever la température ou àcommuniquer.

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DéfinitionsUne source d’énergie est un système (un objet) capable defournir de l’énergie à un autre système (ou objet).

Ces objets possèdent de l’énergie grâce à :-Leur composition chimique (énergies fossile, nucléaire, chimique,biochimique ou bioénergie)- Leur mouvement ou leur position (énergie mécanique)-Leur température (énergie solaire ou géothermique)

Une source d’énergie est dite primaire si elle est disponible dans la nature : elle fournit une énergie primaire (sources dues aux astres : soleil, terre et lune)

Une source d’énergie est dite secondaire si elle est due à une transformation : elle fournit une énergie secondaire qui, à partir de nouvelles conversions, aboutit à une énergie dite finale en vue de son utilisation.

Toutes ces transformations forment une chaîne énergétique.

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Chaîne énergétiqueI -

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Source d’énergie

Type d’énergie (cinétique, potentielle, mécanique….)

Objet de transfert (engrenage, poulie, fluide,…)

chaleur

Objet recevant l’énergie(air, utilisateur, …)

Unité d’énergie : Joule

Unités d’énergie et de puissance

Autres unités :

1kcal = 4,18 kJ l'énergie requise pour réchauffer un kilogramme d’eau d’un degré Celsius

1 TEP = 41,187 GJ (tonne d’équivalent pétrole)

TJ GJ 1 MJ 1 kJ 1 J

1012 J 109 J 106 J 103 J

45 L d’essence barre chocolatée (239 kcal)

1 Joule (J) est l'énergie requise pour soulever une petite pomme (102 g) d’un mètre à la surface de la Terre

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Sources d’énergie (conversion)Energies non renouvelables

Energies renouvelables EnR = Energies d’origine renouvelable

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Énergie nucléaire

« Les sources primaires non renouvelables sont celles qui disparaîtront un jour.. énergies fossiles : charbon , pétrole , gaz .. énergie nucléaire obtenue par :. fission nucléaire de l'Uranium utilisé dans toutes les centrales.. fusion nucléaire (Deutérium et Tritium) non exploitée à l'échelle industrielle. »

Energies d’origine non renouvelable

Centrales nucléaires

En France :19 centrales (58 réacteursnucléaires) produisent 75 % del’énergie électrique

http://energie.edf.com/nucleaire/carte-des-centrales-nucleaires

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Source primaire : le combustible-constitué d’uranium enrichi placé dan un tube appelé crayon-le bombardement de ses atomes par des neutrons lents (2 km.s-1) provoque la fission des atomes et la production de neutrons rapides (20000 km.s-1)

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La fission provoque une libération d’«énergie thermique» récupéréepar un fluide appelé caloporteur qui sort du cœur du réacteur à unetempérature comprise entre 300 et 550 °C.

Les neutrons rapides sont ralentis par un modérateur (graphite)Pour éviter l’emballement du réacteur on place des barres de contrôle (argent,cadmium…) entre les crayons de combustible

L’eau chauffée par le caloporteur dans un “générateur de vapeur” est portée àébullition pour produire de la vapeur qui entraîne un jeu de turbines couplées à unalternateur produisant de l’électricité.À la sortie de la turbine, la vapeur est refroidie par l’eau d’une rivière proche et dansune tour de refroidissement avant d’être réinjectée dans le réacteur.

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La chaîne énergétique

Réacteurs à Eau Pressurisée : 80 % en Europe

Avantages

Source d’énergie ″concentrée″

1g U ~ 1 tonne charbon

Pas de contribution à l’effet de serre

250-300 ans…ou plus

Ressources ″limitées″

"Le réacteur nucléaire est la machine la plus complexe,

la plus dangereuse et la plus chère que l'homme ait

inventée pour faire bouillir de l'eau."

Traitement sécurisé des déchets

France ~ 1 kg/an/habitant

Stockage des déchets

Coût de construction

Plusieurs centaines d’années

2,4 - 4 milliards €

Démantèlement des sites en fin

d’exploitation

Puissance

Entre 900 et 1500 MW

InconvénientsII

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Centrales thermiques

Source primaire : le charbon ou le gaz-pour chauffer un fluide (dans la majorité des cas, ils’agit d’eau),- Transformation de l’état liquide à l’état gazeux (tel quela vapeur par exemple).- La vapeur ainsi obtenue va faire tourner une turbinequi elle même est reliée à un alternateur qui vaproduire de l’énergie électrique.-La vapeur est condensée en aval de la turbine puisréinjectée dans le circuit

http://energie.edf.com/thermique/comment-ca-marche-y-47961.html

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Les centrales thermiques en France ont des puissances pouvant varier de 100 MW à 700 MW

Chaîne énergétique identique à la précédente

Avantages : pratiquement aucun malgré le faible nombre de centrales enFrance (en cas de surconsommation)

Inconvénients : combustible cher qui se raréfie et surtout pollution au CO2

BioénergieCorps humain

BiomassePhotosynthèse Biocarburants

Energies d’origine renouvelable Les énergies d’origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont laconsommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine

Energie solaire(Cycle de l’eau )

Panneaux photovoltaïquesPanneau thermique

Four solaire

Energie mécaniqueHydraulique

EolienneMarémotrice(Hydrolienne)(Osmotique)

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Energie thermiqueGéothermie(des mers)

Energie mécaniqueHydraulique

Le barrage de Sainte-Croix du Verdon : une centrale hydroélectrique qui produit 142

millions de kWh par an.II-

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2ème source de production électrique en France elle représente 15 %

L’énergie éolienne est l’énergie cinétique de l’air en mouvement (vent).

Elle peut :-Produire de l’électricité -Mettre en mouvement (navire à voile, char à voile, pompage de l’eau , la meule d’un moulin,…).

Energie mécaniqueEolienne

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France : 3ème position après l’Allemagne et l’Espagne

Avantages

Inconvénients

http://tpe-de-eolienne.e-monsite.com/

aucun rejet (pas d'effet de serre ou de pluies acides)aucun déchet (toxique ou radioactif)Pas de carburant coût compétitif (18000 à 28000 euros)installation démontée rapidement et lieux dans leur état initial.

BruitDégradation aspect visuelPollution lumineuse due au flash (5s) Objet mortel pour les oiseaux interférences avec les radars météorologiquesRégulation par les centrales thermiques dues à l’intermittence et l’imprévisibilité du vent

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ie Energie mécaniqueEolienne

Les marées hydrographiques sont le résultat des

attractions combinées de la lune et du soleil.

Energie mécaniqueMarémotrice

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Une usine marémotrice est une usine hydroélectrique comprenant un

barrage séparant la mer de un ou plusieurs bassins entre lesquels on

crée une différence de niveau des eaux utilisée, pour mouvoir une ou

des turbines générant de l’électricité.

L'énergie marémotrice a une double origine :

- énergie potentielle (en exploitant les variations du niveau de la mer) exemple : La Rance

- énergie cinétique (en exploitant les courants de marée)

ou

Les centrales sont surtout positionnées en Bretagne et dans la baie du Mont Saint Michel

Avantages totalement prédictible (à l’inverse des autres énergies renouvelables). propre, naturelle et renouvelable. source d'énergie inépuisable et non soumise aux aléas climatiquessans danger sur l'environnement.

Inconvénients Peu de sites dans le monde (conditions hydrodynamiques particulières)La composition des sols doit permettre à l'usine de rester en équilibre. (sol granitique, roche dure et non friable). Abandon des installations d’exploitation de l’énergie potentielle (perturbation des équilibres écologiques des sites d’implantation). Recherches sur l’énergie marémotrice cinétique. corrosion des matériaux de l’usine par l’eau de mer

Energie mécaniqueMarémotrice

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BioénergieCorps humain

BiomassePhotosynthèse Biocarburants

Energies d’origine renouvelable Les énergies d’origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont laconsommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine

Energie solaire(Cycle de l’eau)

Panneaux photovoltaïquesPanneau thermique

Four solaire

Energie mécaniqueHydraulique

EolienneMarémotrice(Hydrolienne)(Osmotique)

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Energie thermiqueGéothermie(des mers)

Energie solaire

Naine jaune composée d’hydrogène (74 % en masse et 92 % en volume) etd’hélium (24 % en masse et 7,8 % en volume) Réactions de fusion nucléaire

Températures : au centre (15,1 MK) et à la surface (5750 K)

Apport d’énergie thermique et d’énergie photovoltaïque tirée du rayonnement

Age : 4,57 milliards d’années durée de vie : 7,6 milliards d’années

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Obtention d’un courant électrique à partir du rayonnementélectromagnétique grâce à l’effet photoélectrique

Energie solaire

Les modules solaires photovoltaïques sont constituésde Si (monocristallins, polycristallins ou amorphes)

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Ensoleillement dans le monde

Effet photovoltaïque

Production :-En Europe 20 % de l’énergie électrique-En France 4ème place (produit 10 fois moins que l’Allemagne)

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Transformation de l’énergie du rayonnement solaire en énergie thermique :-Capture de l’énergie des rayons solaires grâce à un corps noir (chauffe eau solaire)-Concentration du rayonnement solaire en un point (four solaire)

Energie solaire

Energie solaire thermique

Le grand four solaire d'Odeillo (Pyrénées-Orientales)

1 000 kW

Production en France :-50 % des besoins annuels en eau chaude

-Capteurs sont simples, rustiques et durables

Chauffe eau solaire

BioénergieCorps humain

BiomassePhotosynthèse Biocarburants

Energies d’origine renouvelable Les énergies d’origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont laconsommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine

Energie solaire(Cycle de l’eau)

Panneaux photovoltaïquesPanneau thermique

Four solaire

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Energie mécaniqueHydraulique

EolienneMarémotrice(Hydrolienne)(Osmotique)

Energie thermiqueGéothermie(des mers)

La géothermie, est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes de la Terre et la technique qui vise à l'exploiter.

Géothermie de surface à basse température: 5-10 °C,Géothermie profonde 50-95 °C, jusqu'à 2 000 m de profondeur,Géothermie très profonde à haute et très haute température, jusqu'à 10 000 m,Géothermie volcanique de type geyser.

Pour arriver à puiser l’énergie géothermique

on fait circuler un fluide dans les profondeurs de

la Terre ; il se réchauffe et on transforme cette

énergie en électricité ou on l’utilise directement.

Le forage permet d'atteindre une température

de l'eau entre 30 °C et 100 °C dans des

gisements situés entre 1 500 et 2 500 m de

profondeur.

Energie thermiqueGéothermie

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En France, un réseau de chauffage urbain situé en région parisienne utilise la

géothermie basse énergie.

Production en France :4150 GWh/an (Bretagne, Ile de France et Alsace)5ème rang mondial

BioénergieCorps humain

BiomassePhotosynthèse Biocarburants

Energies d’origine renouvelable Les énergies d’origine renouvelable (EnR) sont des formes d'énergies dont laconsommation ne diminue pas la ressource à l'échelle humaine

Energie mécaniqueHydraulique

EolienneMarémotrice(Hydrolienne)(Osmotique)

Energie thermiqueGéothermie(des mers)

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Energie solaire(Cycle de l’eau )

Panneaux photovoltaïquesPanneau thermique

Four solaire

BioénergieCorps humain, biomasse,

photosynthèse ou biocarburants

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La biomasse est l’ensemble des matières organiques d’origine végétale etanimale pouvant devenir source d’énergie par combustion, aprèsméthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformation chimiques(biocarburants)

Il en existe trois grands types :- issus des plantes contenant de l'huile comme le colza ou le tournesol (Diester oubiodiesel)- obtenus à partir d'alcool produit avec des plantes contenant du sucre ou de l'amidon(bioéthanol).- produits, sous forme gazeuse, par fermentation sans oxygène de déchets alimentaires,végétaux (biogaz).

Bioénergiebiocarburants

En 2009 :- 92,8 milliards de litres produits dans le monde (30 % des litres d’essence)- la moitié de la canne à sucre au Brésil est dédiée aux biocarburants, 30% du maïs aux Etats-Unis et 60% du colza en Europe.

Il existe trois générations de biocarburants :1ère génération : les biocarburants issus exclusivement des cultures alimentaires ;2ème génération : les biocarburants issus majoritairement des arbres et arbustes (bois, feuilles, paille, etc.) ;3ème génération : les biocarburants issus des algues dits algocarburants.

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1ère énergie renouvelable en France

Année Énergie consommée

en Mtep

Nombre de millions

d’habitants

Énergie consommée par

habitant en tep/hab

1980 195 53 3,71990 215 57 3,82000 230 59 3,9

CONSOMMATION D’ÉNERGIE EN FRANCE

par type d’appareil dans un foyer

par secteur d’utilisation

par an entre 1980 et 2000

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Réserves mondiales d’énergie et production annuelle 2011

Réserves mondiales(en Gtep)

Production annuelle(en Gtep)

Nombre d'années

de productionà ce rythme

Pétrole 234 4,0 58

Gaz naturel 187 3,3 57

Charbon 564 3,95 145

Uranium 30 0,59 48

Hydraulique 2,7 0,79 -

Énergie éolienne 8,8 0,104 -

Solaire 92 000 0,016 -

Biomasse 70 0,074 -

Total conventionnel

1075 12,9 83

http://fr.wikipedia.org/

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-Immensité des réserves potentielles de l'énergie solaire-Prépondérance des ressources énergétiques en charbon- Faiblesse des réserves d'uranium (énergie nucléaire).

Conclusion

Sortir de l’impasse est nécessaire !

On peut sortir de cette voie sans issue énergétique, et sans revenir à la bougie, ni en bouleversant tout d’un coup ! Cette démarche est possible en 40 ans …

Pour y arriver, nous devons agir dans trois directions :moins consommer : c’est la « sobriété énergétique »mieux consommer : c’est l’« efficacité énergétique »développer les énergies renouvelables et abandonner les énergies fossiles & fissiles.

http://energie-climat.greenpeace.fr/