Partie 4 le dfi nergtique Chapitre 2 Lutilisation

Partie 4 : le défi énergétique

Chapitre 2 : L'utilisation des ressources énergétiques disponibles

I - Ressources énergétiques disponibles sur Terre

1 - Ressources énergétiques renouvelables

Définition : une ressource énergétique renouvelable a une vitesse de consommation inférieure à sa vitesse de formation à l’échelle humaine. (dizaine d’année)

Avantages : -ne représente pas de dangers pour l’environnement. -Non épuisable Inconvénients : -Exploitation grâce à une technologie spécifique et coûteuse. - Disponibilité variable dans le temps et l’espace (répond difficilement au pic de consommation d’électricité, difficile d’accès pour la géothermie, exploitable que dans certaines zones géographiques : mer, montagne, zone ventée…) - Les paysages sont dénaturés

2 - Ressources énergétiques non renouvelables

Définition : une ressource énergétique non renouvelable a une vitesse de consommation supérieure à sa vitesse de formation à l’échelle humaine. (dizaine d’année)

Avantages : -Energie disponible en continu (répond au pic de demande en énergie) - Des réseaux de distribution bien établis. Inconvénients : -Ressource fossiles : -coût du raffinage du pétrole brut. -pollution due aux marées noires. -pollution due à la combustion des carburants (CO 2 : effet de serre, SO 2 : pluies acides, NOx : formation d’ozone nocif à basse altitude) -Ressources fissiles : -pollution due à l’exploitation des mines d’uranium. -traitement et stockage des déchets radioactifs.

3 – Distillation du pétrole

Une nouvelle unité pour l’énergie Doc. 4 p. 213 Tep : tonne équivalent pétrole 1 tep : énergie libérée par la combustion d’une tonne de pétrole 1 tep = 42. 109 J = 42 GJ 1000 k. Wh = 0, 086 tep

II – Utilisation des ressources énergétiques pour la production d'électricité

1 - Production d'électricité à partir d'un rayonnement lumineux

- L'effet photovoltaïque résulte de la propriété de certains matériaux semi-conducteur, de convertir l'énergie rayonnante captée en énergie électrique. - Une cellule photovoltaïque délivre une tension continue. Les panneaux ne permettent pas d'emmagasiner l'électricité, on les associe à des accumulateurs qui se chargent lorsque les panneaux sont éclairés.

Puissance photovoltaïque raccordée au réseau au 31 décembre 2012

2 - Production d'électricité à partir d'un alternateur

1)- Le phénomène d'induction En 1831 Faraday découvre ce phénomène. Le mouvement d'un aimant à proximité de la face d'une bobine engendre une tension alternative aux bornes de la bobine.

2)- Principe de l'alternateur - Qu'observe-t-on sur l'oscilloscope ? - Quelle est la nature de la tension qui apparaît sur l'oscilloscope ? - Qu'est-ce qui peut modifier les caractéristiques de cette tension ? La fréquence et la valeur de la tension maximale dépendent de la vitesse de rotation de l'aimant.

Un alternateur est constitué de deux éléments : -un aimant tournant ( rotor) -une bobine conductrice (stator) Dans une centrale électrique l'aimant est un électroaimant

3) - La turbine 1 - Dans toutes les centrales électriques l'énergie électrique est produite par la rotation du rotor. Qu’est ce qui permet au rotor de tourner ? Le rotor est relié à une turbine qui tourne. 2 - Que nécessite la rotation de la turbine ? Une source d'énergie qui diffère selon le type de centrale.

Le rotor est relié à une turbine qui tourne grâce à … Centrale éolienne Energie cinétique Centrale hydrolique Energie cinétique Centrale thermique Energie thermique

4)- Les centrales thermiques Activité documentaire : la genèse d’EDF Source Bloc. com : http: //www. bloc. com/article/societes-et-entreprises/edf-l-electricite-made-infrance-20080226. html#ixzz 1 FKj. KEp. Fw 1 - Quelle énergie a d’abord été utilisée pour alimenter le réseau électrique ? L’énergie hydraulique. 2 - Pourquoi ne suffisait-elle pas ? Augmentation de la consommation des ménages suite à l’introduction de l’électroménager. Chauffage électrique 3 - Quelles solutions l’entreprise a-t-elle mises en place ? Mise en place des centrales au charbon, puis suite au premier choc pétrolier, construction des centrales nucléaires pour parvenir à l’indépendance énergétique de la France.

4 -a)- Les centrales thermiques à flamme Vidéo comment fonctionne une centrale thermique à flamme ? sur le site internet : http: //energie. edf. com/thermique/comment-ca-marche-y-47961. html 1 - Quel est le rôle de la turbine ? La turbine est reliée à la partie mobile de l’alternateur (rotor). Elle tourne grâce à la vapeur et entraîne le rotor dans sa rotation. 2 - Quel est le rôle d’un alternateur ? L’alternateur produit l’électricité.

3 - Quel type de combustible est utilisé dans les centrales thermiques à flamme ? Combustibles fossiles : charbon, fioul ou gaz naturel.

4 - Comment est produite la vapeur d’eau dans ce type de centrales ? La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l'eau froide. En brûlant, le combustible dégage de la chaleur qui va chauffer cette eau et va la transformer en vapeur. 5 - L’énergie thermique produite provient de quelle autre forme d’énergie ? L'énergie chimique stockée dans les liaisons chimiques du combustible est transformée en énergie thermique. 6 - Cette énergie est libérée grâce à quelle transformation ? la réaction de combustion. Combustible + O 2 CO 2 + H 2 O (+ énergie)

4)-b)- Les centrales thermiques nucléaires Vidéo comment fonctionne une centrale thermique nucléaire ? sur le site internet : http: //jeunes. edf. com/article/le-fonctionnement-d-une-centrale-nucleaire, 62 1 - Quel est le combustible utilisé dans ce type de centrale ? Combustible fissile : l'uranium 235. 2 - L’énergie thermique produite provient de quelle autre forme d’énergie ? L'énergie thermique provient de la réaction de fission du noyau d'uranium qui transforme l’énergie nucléaire en énergie thermique.

3 - Quel est le point commun entre la centrale thermique à flamme et la centrale nucléaire ? Utilisation de la vapeur d’eau pour faire tourner la turbine. 4 - La vapeur produite dans une centrale nucléaire est- elle en contact avec les produits radioactifs ? Non, les circuits primaire et secondaire sont complètement séparés. De plus, le fluide calorifique du circuit primaire n’est pas en contact avec les produits radioactifs.

http: //www. rte-france. com/fr/developpement-durable/eco 2 mix/donnees-nationales/production-d-electricite-par-filiere

5)- Conversion d’énergie 5)-1)- Chaînes énergétiques -Une chaîne énergétique indique la succession des conversions énergétiques. -Une forme d’énergie est stockée dans un réservoir et un convertisseur d’énergie transforme une énergie en une ou plusieurs autres formes. - La conversion n’est jamais réalisée à 100%. Une partie de l’énergie est dégradée en un autre type d’énergie non récupérable.

Application à une centrale thermique Energie chimique ou nucléaire Centrale thermique Energie électrique Energie exploitée Energie thermique Pertes

Chaudière : Energie chimique (fossile) Energie thermique Réacteur : Energie nucléaire (fissile) Eau vapeur sous pression Turbine : pertes d’énergie thermique libérée dans l’environnement Energie électrique Alternateur Energie mécanique cinétique

5)-2)- Le calcul du rendement Il est impossible de transformer intégralement la chaleur en énergie mécanique ou électrique, il y a toujours des pertes dissipées dans l’environnement. Le rendement permet de déterminer l’énergie utile obtenue. rendement = Energie obtenue Energie initiale

Remarques : - Dans les centrales thermiques, l'énergie chimique se transforme en énergie thermique qui à son tour se transforme en énergie mécanique avec un rendement de 45%. (65% pour les turbines à combustion à cycle combiné) - Centrale éolienne et hydraulique Dans les centrales hydraulique ou éolienne, la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique peut être de 90%.

Application : Centrale hydraulique de Pierre Blanche à saint-Sauveur-sur Tinée (Alpes-Maritimes) 1 - donner le nom des installations (1), (6). (1) Barrage ; (6) Lignes à haute tension

Chaîne énergétique de la centrale hydraulique : Energie potentielle (hydraulique) Centrale hydraulique Energie thermique Pertes Energie électrique

2 - Pour les éléments (2), (3) et (4) indiquer les conversions d’énergie Energie potentielle (stockée dans l’eau du barrage) Conduite Energie cinétique Turbine (3) forcée (2) Energie mécanique cinétique : pertes d’énergie thermique libérée dans l’environnement Alternateur (4) Energie électrique

3 - Dans la centrale de Saint-Sauveur sur Tinée, la puissance disponible en entrée est de 1650 k. W. Sachant que le rendement énergétique pour l’ensemble (3) et (4) est de 90 %, déterminer la puissance électrique produite en sortie de l’élément (4). Extraire les informations utiles : Puissance disponible en entrée : 1650 k. W Le rendement énergétique de (3) et (4) : 90% Puissance produite ou obtenue en sortie de (4) ? Connaissance : Relation entre rendement et énergie ou puissance rendement = Puissance obtenue Puissance initiale

puissance disponible en entrée : 1650 k. W Le rendement énergétique de (3) et (4) : 90% Puissance produite ou obtenue en sortie de (4) ? rendement = ? Puissance obtenue Puissance initiale 1650 k. W 90 % = 0, 9 Puissance électrique en sortie de (4) : 0, 9 X 1650 = 1484 k. W 4 - Quelle est l’énergie électrique produite par jour ? E=Pxt P = 1484 k. W t = 24 x 3600 = 86400 s L’énergie E produite est d’environ 128, 2 GJ Environ 3 Tep

6)- La fission nucléaire 6)-1)- Modèle de l’atome Un noyau central (10 -15 m soit 100 000 fois plus petit que l’atome) Des électrons répartis en couches autour du noyau Du vide (la structure de la matière est essentiellement lacunaire)

6)-2)- Le noyau d'un atome De protons particules chargées positivement De neutrons Particules électriquement neutres. Ces particules (protons et neutrons) sont appelées des nucléons.

A est appelé nombre de masse. C’est le nombre de nucléons dans un noyau Z est appelé numéro atomique. C’est le nombre de protons dans un noyau Le noyau d’un élément chimique X s’écrira : A ZX

6)-3)- Les isotopes ne diffèrent que par le nombre de neutrons dans leur noyau. Des isotopes auront des z identiques mais des A différents.

6)-4)-La radioactivité Dans la nature, la plupart des noyaux d'atomes sont stables. Mais certains isotopes, possédant un excès de neutrons ou de protons ne le sont pas. Ils sont radioactifs Ils peuvent subir une désintégration nucléaire. Ils émettent alors des rayonnements.

Radioactivité : phénomène naturel découvert en 1896 par Henri Becquerel. Phénomène d'émission de particules par un isotope radioactif qui se désintègre. Rayonnement radioactif : les particules émises par l'isotope lors de sa désintégration. L'activité radioactive : le nombre de désintégration par seconde. Elle est mesurée en becquerel (Bq)

6)-5) La réaction de fission nucléaire a)- Le combustible fissile : Doc 2 p. 218 Seul l’isotope 235 de l’uranium est fissile ( 235 92 U) Le minerai naturel ne contient que 0, 7% d’isotope 235. Son utilisation en tant que ressource énergétique nécessite son enrichissement isotopique, technique seuls certains pays maîtrisent.

b)- la réaction L'atome cible est l'uranium 235 qui peut être divisé par l'impact de particules. Les particules projectiles sont des neutrons. L’atome éclate en deux noyaux plus légers. La fission libère une très grande énergie qui correspond à la perte de masse observée lors d’une réaction nucléaire. E= mc 2

Sr : Strontium Xe : Xénon Remarque : Chaque fission libère un nombre de neutrons supérieur au nombre de neutrons absorbés. Ces neutrons provoquent à leur tour d'autres réactions de fission avec d'autres noyaux d'uranium 235 Ce sont des réactions en chaîne

La réaction en chaîne est contrôlée grâce à des barres de contrôle en carbone qui sont enfoncées dans le réacteur pour absorber les neutrons produits.