Première ES 2016-2017
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Première ES 2016-2017

L'optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie

Entre les énergies primaires (ressources énergétiques) et les énergies finales (utilisées par le consommateur final) il y a la plupart du temps des conversions multiples d'une forme d'énergie à une autre. Ces conversions servent soit à faciliter le transport de l'énergie, soit à faciliter son stockage. L'énergie la plus adaptée au transport est l'énergie électrique. En revanche elle est impossible à stocker telle qu'elle : Il faut utiliser des accumulateurs (batteries) pour la stocker sous forme d'énergie électrochimique. Un autre moyen de stockage efficace est l'énergie chimique, notamment celle des combustibles fossiles.

L'utilisation actuelle des ressources énergétiques disponibles pose le problème de la production de dioxyde de carbone par combustion. En effet l'augmentation du taux de dioxyde de carbone atmosphérique augmente l'effet de serre qui produit un dérèglement climatique global. Les réactions de fissions nucléaires ne produisent pas directement de dioxyde de carbone, mais en génèrent indirectement. Cependant le principal problème résultant de l'utilisation des ressources fissiles est la gestion des déchets radioactifs sur de très longues durées.

I

Le transport et le stockage de l'énergie

A

Des énergies primaires aux énergies finales : la problématique du transport et du stockage de l'énergie

Les énergies primaires sont les ressources énergétiques disponibles et accessibles : elles constituent le stock naturel d'énergie de la Terre.

Les énergies finales sont les énergies dont le consommateur a besoin.

Le passage des énergies primaires aux énergies finales nécessite souvent plusieurs étapes de conversion énergétique.

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La dernière étape de conversion énergétique amenant aux deux principales énergies finales

Les deux principales énergies finales sont l'énergie thermique pour le chauffage et la cuisson, et l'énergie mécanique pour les transports.

Dans le cas de l'énergie thermique domestique, il est nécessaire d'amener la ressource énergétique sur place car la chaleur ne se transporte pas bien sur de longues distances.

  • L'énergie de rayonnement solaire se transporte seule et peut être captée grâce à des panneaux solaires photothermiques.
  • L'énergie électrique se transporte bien et de manière continue par le réseau électrique.
  • L'énergie chimique (fuel et gaz) se transporte principalement par livraisons ponctuelles de quantités finies et nécessite donc un stockage local (bouteille de gaz, cuve de fuel).

Dans le cas de l'énergie mécanique nécessaire dans les transports, il est de la même manière nécessaire de transporter la ressource énergétique jusqu'à l'utilisateur final, mais il est également nécessaire de stocker cette énergie de manière la plus compacte et la plus légère possible. Ainsi pour une voiture, on veut maximiser l'autonomie (donc la quantité d'énergie) tout en minimisant le poids et l'encombrement du stock d'énergie.

L'énergie doit toujours être transportée du lieu où se trouve la ressource (énergie primaire) au lieu où se trouve le consommateur final. Le transport peut se faire à diverses étapes de la chaîne énergétique sous différentes formes d'énergie. Les formes d'énergies les plus adaptées aux transports sont :

  • L'énergie électrique, qui se transporte bien sur des milliers de kilomètres grâce à des fils électriques, et qui permet donc un apport constant d'énergie au consommateur final.
  • Les énergies fossiles, qui ont l'avantage de contenir beaucoup d'énergie récupérable dans une masse relativement faible.

Pour un chauffage domestique, on peut utiliser par exemple :

  • Un chauffage électrique. L'énergie thermique est produite sur place dans un radiateur électrique grace à l'effet Joule, c'est-à-dire à l'échauffement d'une résistance électrique suite au passage du courant. L'énergie électrique sert d'énergie de transport. En effet elle a été produite en grande majorité dans une centrale thermique à base d'énergie primaire nucléaire ou d'énergie primaire chimique issue des ressources fossiles.
  • Une chaudière à fuel. L'énergie thermique est produite sur place par combustion, donc à partir d'énergie chimique contenue dans le fuel issu d'une ressource fossile. L'énergie chimique sert d'énergie de transport.

L'énergie doit parfois être stockée pour être disponible pour le consommateur de manière continue quand l'approvisionnement n'est pas continu. C'est le cas notamment pour :

  • L'énergie de rayonnement solaire, qui est nulle la nuit.
  • L'énergie chimique contenue dans les ressources fossiles (sauf dans le cas du gaz de ville)
  • L'énergie servant à alimenter des véhicules, à cause de leur mouvement.

Dans le cas d'un chauffe-eau solaire, on dispose d'un ballon d'eau chaude isolé afin de pouvoir utiliser le matin l'eau chauffée la journée précédente par l'énergie de rayonnement solaire. L'énergie est donc ici stockée sous forme d'énergie finale thermique.

Dans le cas d'un chauffage au fuel, une cuve permet à la chaudière d'être approvisionnée en énergie chimique issue des ressources fossiles entre les livraisons. L'énergie est ici stockée sous forme d'énergie primaire chimique.

Dans le cas d'une voiture électrique, les accumulateurs présents dans la voiture permettent au moteur électrique d'être approvisionné en énergie électrique alors que la voiture n'est pas branchée au réseau. L'énergie est ici stockée sous forme chimique dans un accumulateur électrochimique.

B

L'énergie électrique

1

Le transport de l'énergie électrique

L'énergie électrique est une énergie de choix pour le transport pour deux raisons principales.

Tout d'abord, elle permet un approvisionnement continu et efficace en énergie :

  • Le réseau est relativement léger et peu coûteux (par rapport au réseau d'approvisionnement en eau courante par exemple).
  • Les pertes en ligne sont relativement faibles même sur de longues distances (de l'ordre de 5% en France).
  • Il est possible de fournir au consommateur final autant de puissance qu'il le souhaite.

Ensuite, elle peut être transformée facilement en les principales énergies finales :

  • En énergie thermique par effet Joule (radiateurs électriques, plaques de cuisson électrique)
  • En énergie lumineuse par des lampes
  • En énergie mécanique par des moteurs électriques
2

Les piles et les accumulateurs

Il est impossible de stocker de l'énergie sous forme d'énergie électrique.

En échange, on utilise des dispositifs qui stockent de l'énergie sous forme chimique et la convertissent en énergie électrique, c'est le cas des piles électrochimiques et des accumulateurs électrochimiques (batteries).

Pile électrochimique ou pile électrique

On appelle pile électrique un dispositif convertissant de l'énergie chimique en énergie électrique.

Une pile électrique est constituée de :

  • Deux électrodes généralement métalliques
  • Un électrolyte (c'est-à-dire une solution ionique conductrice)

Lors de son fonctionnement, il se produit donc une réaction chimique d'oxydoréduction (par échange d'électrons) qui consomme le métal d'une des électrodes. Les électrons qui sont échangés circulent par l'extérieur de la pile, ce qui fournit au milieu extérieur de l'énergie électrique.

La pile Daniell, crée en 1836, fut la première pile électrique utilisable. Elle est constituée de deux électrodes métalliques de zinc et de cuivre trempant respectivement dans leurs ions.

Dans une pile Daniell, le zinc est consommé et il apparaît du cuivre. La réaction se fait en deux demi-réactions en des lieux différents.

A l'électrode de zinc, il se produit la réaction suivante :

ZnZn2++2e

C'est une réaction d'oxydation car elle fournit des électrons. Ces électrons s'évacuent vers le circuit électrique extérieur.

A l'électrode de cuivre, il se produit la réaction suivante :

Cu2++2eCu

C'est une réaction de réduction car elle consomme des électrons. Ces électrons proviennent du circuit extérieur.

Le fonctionnement chimique de la pile se résume à l'équation suivante, obtenue en additionnant les deux demi-équations :

Zn+Cu2+Zn2++Cu

La circulation externe des électrons est l'aspect intéressant dans la production d'énergie électrique.

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Une pile électrochimique a deux pôles :

  • Le pôle +, situé sur l'électrode appelée cathode qui est le siège d'une réduction, c'est-à-dire d'une demi-réaction qui consomme des électrons.
  • Le pôle -, situé sur l'électrode appelée anode qui est le siège d'une oxydation, c'est-à-dire d'une demi-réaction qui produit des électrons.

Dans le circuit électrique extérieur, on rappelle que :

  • Le courant électrique va du pôle + vers le pôle -.
  • Les électrons vont dans le sens inverse, du pôle − vers le pôle +.

Dans la pile Daniell présentée en exemple ci-dessus :

  • L'électrode de cuivre est le siège d'une réduction, car il y a consommation d'électrons, c'est donc une cathode. Elle constitue donc le pôle + de la pile.
  • L'électrode de zinc est le siège d'une oxydation, car il y a production d'électrons, c'est donc une anode. Elle constitue donc le pôle − de la pile.

Une pile électrochimique convertit de l'énergie chimique en énergie électrique mais ne peut pas réaliser l'opération inverse. Autrement dit, une pile électrique ne peut être rechargée.

Un accumulateur électrochimique peut lui :

  • Convertir de l'énergie chimique en énergie électrique, c'est la phase de décharge.
  • Convertir de l'énergie électrique en énergie chimique, c'est la phase de recharge.

Les accumulateurs au plomb (couramment appelés batteries au plomb) sont très utilisés notamment dans les automobiles. Ils permettent de stocker l'énergie sous forme chimique.

Quand la voiture roule, un alternateur convertit de l'énergie mécanique en énergie électrique puis cette énergie électrique est convertie en énergie chimique par la batterie. C'est la phase de charge.

Lors d'un besoin en énergie électrique, comme lors du démarrage par exemple, la batterie convertit de l'énergie chimique en énergie électrique. C'est la phase de décharge.

Par définition, une pile n'est pas rechargeable. Les dispositifs nommés commercialement piles rechargeables sont en fait des accumulateurs électrochimiques.

Le défaut des piles et des batteries est principalement leur poids élevé par rapport à la quantité d'énergie stockée.

En effet une batterie de voiture typique (accumulateur au plomb) a une masse d'environ 15 kg et permet de stocker 720 Wh soit 0.72 kWh. Pour un kilogramme, un accumulateur au plomb permet donc de stocker environ 0.050 kWh.

A titre de comparaison, un hydrocarbure (diesel) permet de stocker environ 12 kWh par kilogramme.

3

Les piles à combustible

Pile à combustible

On appelle pile à combustible un type particulier de pile électrochimique qui se caractérise par le fait que la réaction d'oxydoréduction qui se produit consomme un combustible qui est la majorité du temps de l'hydrogène au lieu d'un métal.

Dans une pile à hydrogène, le dihydrogène est consommé et il apparaît de l'eau. La réaction se fait en deux demi-réactions en des lieux différents :

A l'électrode où se trouve le dihydrogène, il se produit la réaction suivante :

H22H++2e

C'est une réaction d'oxydation car elle fournit des électrons. Ces électrons s'évacuent vers le circuit électrique extérieur.

A l'électrode où se trouve le dioxygène, il se produit la réaction suivante :

O2+4H++4e2H2O

C'est une réaction de réduction car elle consomme des électrons. Ces électrons proviennent du circuit extérieur.

Le fonctionnement chimique de la pile se résume à l'équation suivante, obtenue en additionnant les deux demi-équations après avoir multiplié la première par 2 :

2H2+O22H2O

La circulation externe des électrons est l'aspect intéressant dans la production d'énergie électrique.

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Représentation schématique d'une pile à combustible

La pile à combustibles à dihydrogène est intéressante à plusieurs titres :

  • Elle permet la conversion d'énergie chimique en énergie électrique en occupant un espace faible. C'est donc un bon moyen de stockage d'énergie
  • Elle ne produit que de l'eau, ce qui ne pollue pas.
  • Le combustible (réducteur) dihydrogène s'obtient facilement par électrolyse de l'eau et l'oxydant dioxygène provient de l'air.

Les inconvénients des piles à combustible sont :

  • Certains éléments la constituant, et notamment la membrane échangeuse d'ions, sont complexes et onéreux.
  • Le stockage de l'hydrogène est complexe et dangereux.
  • La fabrication des piles à combustibles est polluante.

La recherche progresse sur ces points négatifs et les piles à combustibles sont promises à être le stock d'énergie transportable du futur, en remplacement des hydrocarbures.

II

L'optimisation de l'utilisation des ressources énergétiques

A

Les combustions

Effet de serre

On appelle effet de serre le phénomène naturel au cours duquel certains gaz (dits gaz à effet de serre) de l'atmosphère absorbent une partie de la chaleur s'échappant de la surface terrestre.

L'effet de serre augmente la température moyenne à la surface d'une planète et est très sensible aux concentrations des gaz à effet de serre, comme le méthane ou le dioxyde de carbone.

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Sans effet de serre, la température moyenne à la surface terrestre serait d'environ −20°C alors qu'elle vaut environ 15°C actuellement.

L'augmentation du taux de dioxyde de carbone, qui constitue moins de 0,04% de l'atmosphère actuellement, a tendance à faire augmenter l'effet de serre et donc la température moyenne à la surface de la Terre. Ce réchauffement global amène un dérèglement climatique néfaste à l'ensemble de la planète et à l'humanité en particulier.

Les combustions produisent du dioxyde de carbone CO2 et augmentent donc l'effet de serre responsable du dérèglement climatique global.

Bilan carbone

On appelle bilan carbone d'une activité l'ensemble des émissions de dioxyde de carbone liées directement ou indirectement à cette activité. Effectuer un bilan carbone complet est une tâche très complexe, mais nécessaire si l'on veut faire des comparaisons entre activités.

Au niveau du bilan carbone, toutes les combustions ne se valent pas :

  • L'utilisation de combustibles fossiles produit du dioxyde de carbone lors de sa combustion mais aussi lors de son extraction, de son traitement et de son transport
  • L'utilisation de biomasse, notamment de bois, produit du dioxyde de carbone lors de sa combustion mais en consomme lors de sa fabrication (c'est-à-dire lors de la croissance du végétal.)

Du point de vue de la production de dioxyde de carbone, il est donc préférable de brûler du bois ou d'utiliser un biocarburant issu de l'agriculture plutôt que de brûler un hydrocarbure issu de ressources fossiles.

B

Les réactions de fission

1

Une analyse du bilan carbone de la fission de l'uranium

La fission de l'uranium en elle-même ne produit pas de dioxyde de carbone.

Cependant, si l'on cherche à faire le bilan carbone, on peut faire apparaître des productions de dioxyde de carbone liées à la fission de l'uranium :

  • Extraction de l'uranium dans des mines souterraines
  • Transport de l'uranium depuis des pays lointains
  • Traitement de l'uranium afin de l'enrichir en isotope 235
  • Traitement, transport et stockage des déchets radioactifs
  • Fabrication, entretien et démantèlement des centrales nucléaires

Au final, on peut dire que la fission de l'uranium induit la production de dioxyde de carbone. Toutefois, le bilan carbone reste moins mauvais que pour les combustions.

La principale question écologique posée par l'utilisation de l'uranium réside dans le traitement et le stockage des déchets radioactifs.

2

Les déchets radioactifs

On appelle déchets radioactifs les produits de la réaction nucléaire de fission de l'uranium.

Les déchets radioactifs doivent être traités et stockés car certains restent radioactifs pour de longues durées. L'exposition à la radioactivité étant très nocive, les déchets radioactifs doivent être stockés loin de toute population, généralement sous terre, ou en mer.

Période radioactive ou demi-vie radioactive T

La période radioactive ou demi-vie radioactive d'un noyau radioactif est le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d'une population se désintègrent.

L'uranium 235 23592U a une période radioactive de 704 millions d'années, c'est-à-dire qu'il faut 704 millions d'années pour que la moitié des noyaux d'un échantillon ait disparu.

Le carbone 14 146C a une période radioactive de 5730 ans. La disparition du carbone 14 permet de dater certaines oeuvres d'art par exemple : Il s'agit de faire le ratio entre le carbone 14 qu'il y avait au début et celui qui reste, ce qui permet de remonter à l'âge.

Activité d'un échantillon radioactif

On appelle activité d'un échantillon radioactif, notée A et exprimée en Becquerel (Bq) le nombre de désintégrations radioactives qu'il subit en une seconde.

De ce fait, l'activité d'un échantillon est également la quantité de particules et/ou de rayonnements radioactifs nocifs émis par un échantillon en une seconde.

Plus l'activité d'un échantillon est élevée, plus l'échantillon est dangereux.

Le nombre d'atomes radioactifs contenu dans un échantillon et l'activité d'un échantillon suivent la loi de décroissance radioactive.

Ils diminuent avec le temps, en étant divisés par deux à chaque fois qu'une durée d'une période radioactive T s'écoule.

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Loi de décroissance radioactive

Le Césium 137 13755Cs est produit lors de la fission de l'uranium. Sa période radioactive est de 30,2 ans. Au bout de 5 périodes soit 151 ans, son activité sera divisée par 2×2×2×2×2=25=32 et on pourra la considérer comme négligeable par rapport à sa valeur de départ.

En revanche le Zirconium 93 9340Zr qui est également produit lors de la fission industrielle de l'uranium a une période radioactive de 1,53 million d'années. Son activité ne sera donc négligeable que dans une dizaine de millions d'années.

Les déchets à très longue période radioactive comme le Zirconium 93 sont ceux qui sont les plus problématiques. En effet, la nécessité de les stocker pendant des durées qui dépassent largement l'échelle de la vie humaine (des dizaines voire des centaines de millions d'années) pose à la fois des questions de sécurité à long terme et des questions éthiques sur l'héritage ainsi laissé aux générations futures.

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