Term ENS SCI thème 2

THEME 2 : LE FUTUR DES ENERGIES

La consommation d'énergie joue un rôle essentiel dans le développement des sociétés humaines. Depuis la révolution industrielle, ce dernier s'est appuyé largement sur les combustibles fossiles dont l'utilisation est la principale cause du changement climatique. Produire de l'énergie sans contribuer au changement climatique ou à la dégradation de la planète est devenu un enjeu majeur dans la transition écologique.

ch 1 : 2 siècles d'énergie électrique

ch 2 : Conversion et transport de l'énergie électrique.

ch 3 : Energie, choix de développement et futur climatique.

Histoire de l'électricité

Passer la souris sur les personnages en partant de Thalès de Milet et en allant dans le sens des aiguilles d'une montre

En 1879, Thomas Edison invente la première ampoule électrique à incandescence et il y a la création d'une centrale hydraulique.

En 1868, Zénobe Gramme crée le premier dynamo.

Pour la première fois, en l'an 600 av JC, le phénomène de l'électricité est expliqué par Thalès de Milet.

En 1600, William Gilbert est le premier a faire la distinction entre corps électriques et magnétiques. Il compare la Terre à un aimant et dit qu'il y a attraction et répulsion entre les pôles Nord et Sud. Il explique également l'influence de la chaleur sur le magnétisme de fer et fait une liste des corps électrisables par frottement.

En 1670, Otto von Guericke invente une machine électrostatique.

En 1733, Charles-François de Citersnay découvre les charges positives et négatives et étudie les interactions entre celles-ci. Il remarque que lorsque l'on frotte deux matériaux de même substance, ils ont tendance à se repousser après une électrification. Cependant c'est Coulomb qui est le premier a décrire les premières lois physiques sur les charges.

En 1750, Benjamin Franklin identifie l'électricité naturelle qui forme les orages.

En 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique.

En 1820, André-Marie Ampère découvre les lois du magnétisme et de l'électrodynamique

1. De l'induction électromagnétique à l'alternateur

2. Fonctionnement et rendement de l'alternateur

3. De l'observation de la lumière à l'effet photovoltaïque

à la découverte de l'électromagnétisme

• 1820 : Oersted ( Danois ), remarque qu’une aiguille aimantée placée à côté d’un fil conducteur traversé par le courant est déviée.D’une importance capitale, l’expérience d’Oersted établit pour la première fois un lien entre électricité et magnétisme.

• 1830 : Michael Faraday ( Anglais ), montre qu’un courant passe dans une bobine lorsqu’on y introduit un aimant.L’importance de cette découverte est extrême car elle rend possible la production de courant électrique sans avoir à utiliser de pile. L’énergie mécanique peut, dès lors, être directement convertie en énergie électrique. C’est ce que font, depuis, tous les alternateurs.

l'induction électromagnétique, un phénomène physique essentiel dans l'alternateur

fonctionnement de l'alternateur

rendement d'un alternateur

relation vitesse de rotation du rotor et fréquence du courant électrique

observation de la lumière

effet photovoltaique

L'effet photovoltaïque a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel. Lorsque les photons issus du rayonnement solaire entrent en contact avec les cellules photovoltaïques, des électrons sont arrachés et se mettent en mouvement..

1) conducteurs, isolants et semi-conducteurs

2) constitution d'une cellule photovoltaique

• Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium et plus rarement d'autres semi-conducteurs : séléniure de cuivre et séléniure d'indium , tellurure de cadmium , etc...

• Comme l’œil, une cellule photovoltaïque n'utilise pas indifféremment toutes les longueurs d'onde du spectre solaire.

L'électricité au coeur de nos vies et de nos usages doit être une électricité « décarbonée », c'est-à-dire produite notamment à partir d'énergies renouvelables, et de nucléaire pour les pays qui ont de telles infrastructures en place.Comment produire de l'énergie électrique sans combustion, la stocker, la transporter et quels sont les impacts de cette production sur l'environnement?

1. Production de l'énergie électrique sans combustion :

2. Impacts sur l'environnement :

3. Stockage de l'énergie électrique :

4. transport de l'énergie électrique

Par conversion de l'énergie mécanique :

• conversion directe : -centrale éolienne -centrale hydroélectrique
• conversion indirecte : centrale nucléaire

Par conversion de l'énergie radiative : centrale solaire photovoltaïque

Par conversion électrochimique : piles

1. La rotation des pales : sous l'effet du vent, l'hélice se met en marche.

2. La production d'électricité : l'hélice entraîne un axe dans la nacelle, relié à un alternateur. L'alternateur produit de l'électricité.

3. L'adaptation de la tension : un transformateur relié à l'intérieur du mât élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur.

1. La retenue d'eau : un barrage retient de grandes quantités d'eau.

2. La conduite forcée de l'eau : des vannes sont ouvertes pour acheminer l'eau jusqu'à la centrale par de longs tuyaux.

3. La production d'électricité : l'eau fait tourner la turbine qui entraîne l'alternateur. L'alternateur produit de l'électricité.

4. L'adaptation de la tension : un transformateur élève la tension de l'électricité pour le transport dans les lignes haute tension.

1

2

3

1. Circuit primaire, la fission des atomes : dans le réacteur la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur. Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur.

2. Circuit secondaire; la production d'électricité : Cette eau chaude chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur. L'alternateur produit un courant électrique dont la tension est élevée par un transformateur pour être transportée dans les lignes.

3. Circuit de refroidissement ; le recyclage : à la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est transformée en eau grâce à un condenseur. La vapeur peut aussi être refroidie dans les aéroréfrigérants.

pile alcaline

pile à hydrogène ou à combustible

La production de l'énergie électrique sans combustion offre l'avantage de ne pas émettre ou très peu de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre.Mesurer l’impact environnemental de celle-ci n’est pas une mince affaire. Il existe plusieurs techniques de production à l’heure actuelle et d’innombrables innovations plus ou moins sérieuses, réalistes et implémentables à court et moyen terme. Par ailleurs, chaque moyen de production fait partie d’une « chaîne » environnementale : de l’extraction de la source d’énergie, à la construction et au maintien des infrastructures, sans oublier le réseau de distribution. Quels sont donc les impacts de cette production sur l'environnement ?En voici quelques exemples :Epuisement des matières premières : Les technologies liées à la transition énergétique reposent sur l'utilisation de matières premières qualifiées de "critiques" ou "rares".

Modification des écosystèmes : toutes les centrales électriques ont un impact sur les écosystèmes

Gestion des déchets radioactifs :

Accidents industriels :

Pour faire face à l'intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, une possibilité est de convertir l'énergie électrique sous une forme stockable

Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP) : énergie mécanique

Les batteries : énergie chimique

Les super condensateurs : énergie électrostatique

1. Transport de l'électricité

3. Minimisation des pertes par effet Joule :

2. L'effet Joule et intérêt des lignes à haute tension

L’électricité circule depuis l’endroit où elle est produite jusqu’à l’endroit où elle est consommée. Le transport de l’électricité se fait grâce à un réseau de grand transport et d’interconnexion et à un réseau de distribution européen :

très haute tension HTB : tension entre 50kV et 400kVhaute tension HTA : tension entre 1kV et 50kVbasse tension BTA : tension entre 50V et 500V

le réseau en temps réel

transformateur haute tension HTA / très haute tension HTB

transformateur haute tension HTA / haute tension HTA 20kV

transformateur haute tension HTB / basse tension BTA

1. Le réseau de grand transport achemine l’électricité produite à la sortie des centrales sur de longues distances grâce à des lignes à Très Haute Tension (entre 225 000 et 400 000 volts).

2. L’électricité est ensuite dirigée vers un poste de transformation dit « poste source », qui transforme la Très Haute Tension en Haute Tension (environ 90 000 volts) et en Moyenne Tension (20 000 volts). On compte environ 2 200 postes sources en France.

3. L’électricité transformée à Moyenne Tension est ensuite acheminée sur le réseau de distribution et peut être à son tour transformée en Basse Tension (entre 230 et 400 volts) grâce aux 750 000 postes de transformation dits « postes de distribution » présents sur le réseau français.

transformateur HTA 20kV / basse tension BTA

Voltmètre mesurant la tension Ug aux bornes du générateur

Expérience

Ampèremètre mesurant l'intensité I dans le circuit

Voltmètre mesurant la tension Ua aux bornes de l'ampoule

0,660

0,059

0,659

Schéma du montage

1. calculer la puissance Pg délivrée par le générateur.
2. Calculer la puissance Pa reçue par l'ampoule
3. Combien vaut la perte de puissance entre celle délivrée par le générateur et celle reçue par l'ampoule ?

Rappel : P = U * I avec U la tension en volt et I l'intensité en ampère.

Générateur

L'effet Joule

La perte de puissance est due au passage du courant dans les fils et se nomme "l'effet joule". Cela se traduit par un échauffement des fils, donc un dégagement de chaleur comme cela se produit quand un courant circule dans un conducteur ohmique (ou résistance).

Pour modéliser cet effet joule dans les câbles, on insère une résistance R dans le schéma du circuit

Cette résistance R dépend du matériau utilisé dans les câbles (souvent du cuivre), de la longueur du câble ainsi que de sa section.La puissance perdue par effet Joule se calcule en utilisant la formule :

rappel : P : puissance en watt (W)R : résistance en ohm I : intensité en ampère (A)

Pj = RxI²

Intérêt de la haute tension

Pour abaisser ou élever la tension on utilise un transformateur. Le réseau de distribution peut ainsi être schématisé :

La puissance fournie par le générateur est égale à la puissance dans la ligne à haute tension par le principe de conservation de la puissance. Comme donc . Et donc les pertes par effet Joule seront minimisées lors du transport.

Pg = U1xI1

P2 = U2xI2

U2 > U1

I2<I1

Pj = RxI2²

Ressources et consommation

L'air sous vigilance

Empreinte Carbone et climat futur

Mix énergétique : Passez votre souris sur l'image et découvrez le mix énergétique à notre disposition. Classer chaque énergie primaire dans l'une des catégories suivante : énergie de stock (ressources concentrées dans certains gisements) ou énergie de flux (apport continuel).

Flux radiatif solaire : L'énergie du rayonnement solaire peut être convertie en électricité grâce à des panneaux photovoltaïques ou en énergie thermique grâce à des capteurs solaires.

Energie chimique fossile : charbon, pétrole et gaz naturel. Cette énergie peut être convertie en énergie thermique par l'intermédiaire d'une réaction de combustion.

Energie chimique de la biomasse : la combustion des végétaux convertit leur énergie chimique en énergie thermique, essentiellement utilisée pour le chauffage. La durée de renouvellement de la biomasse correspond à la durée de croissance du végétal.

Energie hydraulique : le mouvement de la chute de l'eau entraine la production d'électricité

Energie nucléaire : mines d'Uranium. Ressource fissile. Cette énergie peut être convertie en énergie thermique par l'intermédiaire d'une réaction nucléaire

Flux radiatif solaire : L'énergie du rayonnement solaire peut être convertie en électricité grâce à des panneaux photovoltaïques ou en énergie thermique grâce à des capteurs solaires.

Energie cinétique du vent : le mouvement de l'air fait tourner les pales des éoliennes et provoque la production d'électricité

Consommation d'énergie primaire

Consommation en France

Consommation mondiale

Le PIB par habitant reflète le niveau de vie du pays

Consommation mondiale

Le PIB par habitant reflète le niveau de vie du pays

Comparaison des productions énergétiques et exemples d'utilisation

Polluants émis par la combustion des combustibles fossiles

Effets des polluants atmosphériques sur la santé

Passez votre souris sur les différentes parties du corps pour voir les effets des polluants atmosphériques sur la santé

Maux de tête et angoisse

Irritation des yeux, du nez et de la gorge

Impact sur le système nerveux central

impact sur le système respiratoire : irritation, inflammation et infections asthme maladie pulmonaire cancer des poumons

Maladie cardiovasculaire

Impacts sur le foie, la rate et le sang

Impact sur l'appareil reproducteur

Etude épidémiologique et pollution de l'air

Empreinte carbone

• L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO2 produite, directement ou indirectement, par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.

Futur climatique et conséquences

Gestion des déchets radioactifs :Certains déchets, hautement radioactifs, issus de la fission de l'uranium dans les centrales nucléaires, ont une durée de vie de plusieurs millions d'années. Pour les isoler, la solution entrevue en France est le stockage en couche profonde (500m sous terre), qui offrirait une barrière géologique en plus de leur confinement en conteneurs étanches. Cette solution reste toutefois sujette à controverse du point de vue technique (évaluation des risques) et politique (choix du site).

• Les barrages modifient le territoire et conduisent à des bouleversements écologiques et humains :destruction de toute vie terrestre par la perte d'habitats naturels, détournement de cours d'eau, envasement, disparition d'espèces fluviales ou perturbation de leur cycle de vie. Dans les retenues d'eau, la décomposition de matières organiques émet du dioxyde de carbone et du méthane. Plus d'un million de personnes ont été déplacées et des milliers d'hectares de terres agricoles inondées lors de la construction du barrage des Trois Gorges (Chine), achevé en 2009.
• Les éoliennes impactent la vie des chauves souris et des oiseaux ; leur implantation est désormais réglementée pour éviter les zones migratoires et de nidification. Elles provoquent aussi des nuisances visuelles et sonores pour les riverains. Leur durée de vie est estimée à vingt ans.
• Les hydroliennes, fonctionnant grâce aux courants marins (hélice sous marine tournant grâce au mouvement de l'eau), perturbent le déplacement des poissons et mammifères marins.