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Energies d'aujourd'hui et de demain

Maison pour la science Aquitaine

Created on May 14, 2020

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Transcript

Energies d'AUJOURD'HUI & DE DEMAIN

Enseignants

Cycle 4 & lycées

©Kadeg Boucher

"La nature ne peut être dupée."

Préambule

Richard Feynman

Ce document vise à se former aux sciences à distance.Faire des sciences, c’est tout autant apprendre des connaissances qu’une manière de travailler et nous espérons répondre à ce double objectif à travers ce diaporama.Pour ce faire, nous vous proposerons différentes activités permettant de vous interroger et quelques expérimentations. Au cours de ces activités, faites des essais, des propositions. Prenez le temps d'explorer et de réfléchir.

La photographie précédente représente Energy Observer. C'est le premier navire hydrogène visant l’autonomie énergétique, sans émission de gaz à effet de serre ni particules fines. https://www.energy-observer.org/

Repères

Cette présentation se veut interactive. Pour repérer tous les éléments interactifs d'une page, cliquez sur cette icône , située en haut à droite de chaque page Grâce à l'icône située en bas à droite, vous pouvez trouver le numéro de page et avoir une vue d'ensemble sur toutes les diapositives de la formation.

Et voici quelques icônes que vous retrouverez tout au long de cette présentation :

J'exerce mon esprit critique

Je me questionne

Je me teste

J'expérimente

Pour aller plus loin

Introduction

LES ENJEUX énergétiques

Depuis le début du 20ème siècle, la population mondiale a été multipliée par quatre et la consommation d’énergie a été multipliée par… vingt !Or, aujourd'hui, les besoins énergétiques de l'Humanité sont couverts en majeure partie par les énergies fossiles (80%) qui sont la principale source des émissions en gaz à effet de serre dans l'atmosphère, responsables du réchauffement climatique. Il est donc urgent de repenser différemment notre production et nos consommations en énergie.

Sommaire

1 - Les différentes formes d'énergie

2 - L'énergie électrique

Les différentes voies de conversion

Le mix électrique français

3 - Le mix énergétique français

4 - Les différentes sources d'énergie

Quelques ordres de grandeur

Le point sur les énergies renouvelables

5 - Des pistes pour demain

Les énergies d'avenir

Stockage, hybridation et co-génération

6 - Des ressources pour la classe

LES DIFFERENTES FORMES D'ENERGIE

Seriez-vous capable d'identifier à partir de la photographie ci-contre les différentes formes d'énergie qui s'y cachent ?

5 éléments à retrouver

Classer l'énergie en différentes formes

L'ENERGIE ELECTRIQUE

LES DIFFERENTES VOIES DE CONVERSION

Légende :

L'ENERGIE ELECTRIQUE

LE MIX éLECtRique Français

Solaire thermique

Solaire photovoltaïque

Géothermie

Uranium

Vent

Biomasse

Charbon

Pétrole

Gaz

Eau

Ces différentes sources d'énergie primaire contribuent toutes à "produire" de l'électricité mais en quelle proportion respective sur notre territoire ?

Un point de vocabulaire

Le mix énergétique français

Source du graphique

Voir le mix énergétique mondial

ORDRES DE GRANDEUR

Les sources d'énergie

Reportez la valeur d'énergie sélectionnée au phénomène qui convient.

Que peut-on en déduire par rapport à une "hiérachisation" des différentes sources d'énergie ?

Réponse

Les énergies d'avenir

Les énergies marines

Back

Les ressources en énergie marine sont des énergies renouvelables, qui prennent différentes formes. On peut en dénombrer cinq : - la ressource éolienne, associée au vent - la ressource hydrolienne, associée au courant de marée- la ressource houlomotrice, associée aux vagues- l’énergie thermique des mers, associée à la différence de température entre eaux de surfaces et eaux de fond- l'énergie osmotique, due à la différence de salinité entre des eaux continentales et des eaux océaniques.

Proposez une expérience permettant de mettre en évidence un flux d'eau - capable à grande échelle d'entrainer une turbine - dans le cas d'une différence de salinité entre deux eaux.

Réponse

L'utilisation de la biomasse

L'énergie de la biomasse est la forme d'énergie la plus ancienne utilisée par l'homme depuis la découverte du feu à la préhistoire. Cette énergie permet d'obtenir de la chaleur, de l'électricité et/ou du gaz selon le procédé utilisé : - la combustion Chaleur et électricité peuvent résulter de la combustion de biomasse (bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques) - la méthanisation Du biogaz est issu de la fermentation de déchets organiques (déchets ménagers, fumier et lisier d'animaux, boues de stations d'épuration, papiers et cartons…) grâce à des microorganismes (bactéries). Le biogaz ainsi obtenu, composé majoritairement de méthane, est proche du gaz naturel. Il peut être réinjecté sur le réseau de gaz ou être brûlé pour obtenir de l'électricité.

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Proposez une expérience permettant de produire du biogaz, de le mettre en évidence et même de le récupérer.

Réponse

L'énergie solaire

L’énergie solaire est l’énergie la plus répandue et la plus répartie dans le monde. En une année, l’humanité entière consomme 10 milliards de Tonnes équivalent pétrole (TEP). Cette quantité représente moins de 3 % de ce que le soleil nous envoie gratuitement chaque jour. L'enjeu est de réussir à capter cette énergie et à la concentrer à moindre coût. Il existe trois voies principales d’exploitation de l’énergie solaire : - le solaire photovoltaïque qui transforme directement le rayonnement solaire en électricité ;- le solaire thermique qui transforme directement le rayonnement en chaleur. - le solaire dit « thermodynamique » avec des centrales solaires où le rayonnement concentré sert à obtenir un jet de vapeur entrainant une turbine, de façon similaire aux centrales thermiques classiques.

Les centrales solaires à effet de cheminée jouent sur la convection de l'air pour entrainer une turbine. Seriez-vous capable d'en réaliser un prototype de petite taille ?

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La géothermie

La géothermie regroupe l’ensemble des technologies qui permettent d’exploiter la chaleur de la Terre pour la production de froid, de chaleur et d'électricité. La ressource géothermique est présente sur la quasi totalité du territoire français, à des profondeurs variant de quelques mètres à 5 kilomètres, même si les réservoirs les plus profonds se situent dans des formations géologiques bien spécifiques.Les installations qui valorisent cette ressource peuvent fonctionner tous les jours de l’année, 24 h sur 24, indépendamment des conditions météorologiques..

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Avec 90 milliwatts par mètre carré (contre plus d'1kW par m² pour le rayonnement solaire), la géothermie peut-elle relever le défi de compter parmi les énergies d'avenir ?

Réponse

L'hydrogène

L’hydrogène ne constitue pas une énergie primaire directement disponible. Sous forme de dihydrogène (H2), c’est seulement un vecteur d’énergie qui doit être produit depuis ses composés (eau, méthane, etc.) Comme vecteur d’énergie, il possède trois atouts : - une très grande densité massique d'énergie (1 kg d’H2 contient autant d’énergie que 3 kg de pétrole) ;- une combustion très énergétique dans l’oxygène avec production d’eau pure - une capacité de transformation réciproque entre l'eau et l'hydrogène avec l’électricité, par électrolyse ou utilisation d'une pile à combustible. Les freins à lever : - Si l'hydrogène possède une grande densité massique, il n'en est pas de même de sa densité volumique - Sa production par électrolyse n'est pas concurentielle par rapport à sa production actuelle, à partir d'hydrocarbures ou du charbon, qui libère beaucoup de CO2.

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Pourquoi l'hydrogène, l'atome le plus répandu dans l'Univers, dont il constitue plus de 90% des atomes et 75% de la masse, n'est-il pas directement disponible sur Terre ?

Réponse

L'hydrogène

L’hydrogène ne constitue pas une énergie primaire directement disponible. Sous forme de dihydrogène (H2), c’est seulement un vecteur d’énergie qui doit être produit depuis ses composés (eau, méthane, etc.) Comme vecteur d’énergie, il possède trois atouts : - une très grande densité massique d'énergie (1 kg d’H2 contient autant d’énergie que 3 kg de pétrole) ;- une combustion très énergétique dans l’oxygène avec production d’eau pure - une capacité de transformation réciproque entre l'eau et l'hydrogène avec l’électricité, par électrolyse ou utilisation d'une pile à combustible. Les freins à lever : - Si l'hydrogène possède une grande densité massique, il n'en est pas de même de sa densité volumique - Sa production par électrolyse n'est pas concurentielle par rapport à sa production actuelle, à partir d'hydrocarbures ou du charbon, qui libère beaucoup de CO2.

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Pourquoi l'hydrogène, l'atome le plus répandu dans l'Univers, dont il constitue plus de 90% des atomes et 75% de la masse, n'est-il pas directement disponible sur Terre ?

Réponse

L'énergie nucléaire

L'énergie nucléaire peut être libérée de deux façons :- soit par fission, en cassant des noyaux lourds ( c'est ainsi que fonctionne une centrale nucléaire)- soit par fusion de noyaux légers (ce qui se passe dans les étoiles)Pour imaginer sur Terre récupérer de l’énergie à partir de la fusion nucléaire, il faut être capable de créer des conditions physiques similaires à celles des étoiles. Ce défi de taille posé aux chercheurs représente un important enjeu stratégique : la fusion pourrait devenir une nouvelle ressource d’énergie illimitée, sans risque majeur, et sans déchets hautement radioactifs à stocker. Cependant, il faudra des dizaines d'années avant d'espérer voir naitre un prototype industriel.

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L'énergie nucléaire est une énergie très controversée. Seriez-vous capable de trouver des arguments en faveur et contre cette énergie ?

Quelques éléments de réponse

La fusion nucléaire par confinement magnétique

Les énergies renouvelables

Points forts

Points faibles

Des émissions en gaz à effet de serre très faibles

Problème de flux

VS

Des installations sûres, générant peu de déchets

Problème d'intermittence (pour le solaire et l'éolien notamment)

Renouvelables à l'échelle humaine, elles sont inépuisables

Problème de coût

Présentes sur tout le territoire

Hybridation et co-génération

L'hybridation est un principe qui consiste à alimenter un même procédé par deux sources d'énergie généralement complémentaires et donc, lorsqu'une des deux sources présente des inconvénients majeurs, on la compense par les avantages de l'autre source d'énergie. Par exemple, coupler une centrale solaire à l'utilisation de bio-carburant. La co-générération, elle, consiste à produire deux valeurs d'usage à partir d'une même source et d'un même procédé. Par exemple, récupérer la chaleur fatale perdue lors d'une production électrique pour alimenter un réseau de chaleur ou encore, via un moteur de type stirling, la récupérer pour effectuer un travail mécanique.

Le stockage d'énergie

Pour permettre aux énergies renouvelables de se développer pleinement, il faut développer leur stockage afin d'avoir des flux suffisants sur le réseau, quelque soit le moment de la journée ou de l'année. L’électricité est un vecteur très pratique pour le transport de l’énergie, mais difficile à stocker sous sa forme propre. Elle doit donc être transformée pour être stockée sous une autre forme. Nous avons déjà évoqué, avec l'hydrogène, son stockage sous forme chimique mais on peut aussi la stocker sous forme thermique ou mécanique. Citons notamment, pour ce dernier cas, les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) dans les centrales hydroélectriques (stockage sous forme d'énergie potentielle) ou encore les volants d'inertie (stockage sous forme cinétique).

ressources pour la classe

Vous trouverez dans la diapositive suivante une sélection de quelques ressources. Cette liste est bien évidemment loin d'être exhaustive.

M ta Terre

Energy Observer

La Main à la pâte

Site Internet

Vidéos

Ressources pédagogiques

Il s'agit d'une série de vidéos autour des différents objectifs du développement durable : "17 objectifs pour transformer le monde". Les vidéos associées à l'objectif n°7 De l'énergie propre pour tous présentent toute une série d'initiatives à travers le monde pour disposer au mieux d'énergies décarbonées.

Différents projets pédagogiques de La main à la pâte sont dédiés au développement durable. Vous pourrez y trouver des éclairages scientifiques et pédagogiques et des séquences thématiques comprenant notamment des activités autour de l'énergie, comme la construction d'un four solaire ou la production d'énergie à partir des océans.

Porté par l'ADEME (Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie), ce site est une mine d'informations et d'actualités autour des questions concernant le développement durable et le changement climatique. Il est dédié aux jeunes (collégiens, lycéens et étudiants). Il comporte tout un volet autour des énergies.ion..

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