Chap. N° 16

Les enjeux

énergétiques.

Cours.

 

   

 

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I- Introduction.

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II- Habitat et énergie.

1)- Les engagements.

2)- Le bilan énergétique.

3)- Réduction de la consommation énergétique.

a)-   Schématisation des transferts thermiques.

b)-  Étude thermique d’une habitation :

 Exercice 9 page 432.

c)-   La construction durable :

Exercice 10 page 433.

d)-  Économie d’énergie dans l’habitat :

III- Transports et énergie.

1)- Le constat.

a)-   Quelques chiffres et quelques problèmes :

b)-  Schématisation des différentes étapes

de la vie d’un véhicule :

2)- Les véhicules hybrides.

3)- Les biocarburants.

IV- Les énergies de demain.

1)- L’énergie de gravitation.

2)- Énergies thermique, radiative et chimique.

3)- L’énergie nucléaire.

a)-   Ordre de grandeur.

b)-  Innover pour l’énergie nucléaire :

Exercice 8 page 430.

c)-   Le nucléaire « sans uranium ».

d)-  Fusion nucléaire

e)-   Réacteur à eau sous pression

4)- L’énergie solaire : exercice 7 page 428.

V- Applications.

1)- QCM :   QCM

2)- Exercices :   Exercices


  Exercices : énoncé et correction

a)- Exercice 5 page 426 :

De l’éolienne à l’hydrolienne.

b)- Exercice 11 page 434 : équilibre Nord–Sud.

c)- Exercice 12 page 435 :

Développement des énergies renouvelables.

I- Introduction.

-     La population mondiale ne cesse d’augmenter :

-     7 milliards de personnes dans le monde en 2011,

-     9 milliards en 2050 (prévisions de l’ONU).

-     D’autre part, l’émergence de nouveaux pays industrialisés entraine une augmentation des besoins énergétiques de la planète.

-     En conséquence, la demande mondiale en énergie est de plus en plus importante.

-     Il est nécessaire :

-     D’assurer un approvisionnement suffisant et sûr,

-     De réduire la dépendance envers les importations d’énergie,

-     De réaliser des investissements dans les nouvelles technologies :

-     (Énergie éolienne, Énergie solaire, Géothermie, Développement des centrales nucléaires de quatrième génération, …)

-     De réaliser des économies d’énergie dans l’habitat,

-     De réduire les gaz à effets de serre,

-     De limiter, récupérer, traiter et valoriser les déchets,

-     De développer de nouvelles ressources énergétiques.

II- Habitat et énergie.

1)- Les engagements.

-     Le bâtiment étant le plus gros consommateur en énergie, il est essentiel que la construction des habitations soit de moins en moins énergivore.

-     Les bâtiments contribuent pour :

-     43 % à l’énergie consommée en France,

-     22 % aux rejets de gaz à effet de serre.

  Le Grenelle de l’environnement :

-     Le Grenelle de l’environnement impose depuis 2009 une réduction de la consommation énergétique des bâtiments.

-     Cette grandeur est mesurée en kWh d’énergie primaire par mètre carré et par an, notée kWhep . m–2 . an–1.

-     D’ici 2020, la consommation d’énergie des bâtiments devra être réduite de 22 % pour les bâtiments neufs et existants.

-     Actuellement, les bâtiments consomment environ 200 kWhep . m–2 . an–1 d’énergie primaire pour le chauffage,

-     La production d’eau chaude, la ventilation, l’éclairage et la climatisation.

-     À partir du 1 janvier 2013, ils devront répondre à une nouvelle norme (RT 2012),

-     qui autorise une consommation d’énergie primaire de 50 kWhep . m–2 . an–1 seulement pour les bâtiments neufs.

-     Les futures constructions seront BBC (Bâtiment Basse Consommation) et, dès 2020, à énergie positive.

-     La France a pris des engagements auprès de ses partenaires européens et internationaux pour économiser l’énergie et

-     diviser par quatre ses émissions de gaz à effet de serre.

  Remarques :

  Énergie primaire :

-     Forme d'énergie disponible dans la nature avant toute transformation (pétrole brut, gaz naturel, la biomasse, l’énergie du rayonnement solaire, …)

-     Énergie emmagasinée dans la ressource, disponible dans la nature, avant toute transformation.

  Énergie finale :

-     Énergie utilisée par le consommateur.

  Bâtiment à énergie positive :

-     Un bâtiment à énergie positive est tel que sa consommation d’énergie primaire est inférieure à la quantité d’énergie renouvelable produite.

2)- Le bilan énergétique.

  Diagnostic de performance énergétique (DPE) :

-     Ce diagnostic est réalisé par un professionnel certifié lors de la vente, de la location ou de la construction d’un bâtiment neuf.

-     Il se traduit par un document qui comporte des informations

-     Sur la consommation d’énergie du bâtiment (chauffage, climatisation, production d’eau chaude sanitaire)

-     Sur le recours aux énergies renouvelables,

-     Sur les émissions de gaz à effet de serre (CO2)

-     Sur des recommandations et préconisations pour réduire cette consommation.

-     Le DPE se caractérise notamment par deux étiquettes :

  Étiquette énergie :

 

  Étiquette Climat :

 

-     Deux grandeurs sont indiquées sur les étiquettes :

-     La consommation d’énergie primaire, par unité de surface et par an en kWep . h .m–2 . an–1,

-     Les émissions de gaz à effet de serre (GES), en kilogramme d’équivalent CO2 par unité de surface et par an (kgéq CO2 .m–2 . an–1).

  Rechercher la signification des termes : équivalent CO2   

-     Il existe plusieurs gaz à effet de serre.

-     Le dioxyde de carbone CO2 est le plus connu.

-     Il sert de référence. 

-     Par  exemple,  le méthane présent dans le gaz naturel est aussi un gaz à effet de serre :

-     Équivalence : 1 kg de méthane CH4  agit comme l’équivalent de 21 kg de CO2.

  Application :

-     Une maison individuelle de surface habitable égale à 110 m2 consomme 3,5 × 1010 J par an pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire.

-     Convertir l’énergie consommée en kWh.

-     Pourquoi préfère-t-on utiliser cette unité plutôt que le joule (J).

-     S’agit-il d’une énergie primaire ou finale ?

-     Calculer son classement énergétique ainsi que celui relatif à l’émission de gaz à effet de serre, dans le cas où la maison est équipée :

-     Cas (a) : Tout électrique,

-     Cas (b) : D’une chaudière à gaz

-     Cas (c) : D’un chauffage au bois.

-     Données :

-     Énergie primaire : énergie emmagasinée dans la ressource, disponible dans la nature, avant toute transformation.

-     Énergie finale : énergie utilisée par le consommateur.

-     1 kWh = 3,6 × 106 J

-     Lorsque l’on consomme 1 Wh, la centrale électrique a dû produire 2,58 Wh d’électricité.

-     Équivalence entre l’émission de CO2 des combustibles courants et la consommation d’énergie finale :

Source d’énergie

Électricité

Charbon

Fioul

Gaz

Bois

Émission de CO2

(g / kWh)

90

384

300

234

13

 

  Conversion de l’énergie en kWh :

-    On donne : 1 kWh = 3,6 x 106 J

-     

  Le kWh plutôt que le joule.

-    Pour ce type de valeur de l’énergie, on préfère utiliser le kWh car le joule est une unité trop petite et difficile à appréhender.

  Énergie primaire ou finale :

-    L’énergie, E ≈ 9,7 x 103 kWh, représente l’énergie utilisée pour le chauffage et l’eau chaude sanitaire par le consommateur, c’est l’énergie finale.

-    Énergie consommée par an et par mètre carré :

-      

  Cas (a) : Classement énergétique pour le tout électrique.

-    Lorsque l’on consomme 1 kWh, la centrale électrique a dû produire 2,58 kWh d’électricité.

-    Consommation d’énergie primaire pour l’habitation tout électrique :

-    Eelec = Em2 x 2,58

-    Eelec ≈ 88 x 2,58 ≈ 2,2704 x 102

-    Eelec ≈ 2,3 x 102 kWep . h .m–2 . an–1

-    Classement de l’habitation tout électrique : D

-    Émission de gaz à effet de serre :

-    Pour le tout électrique, l’émission de CO2 est de 90 g / kWh :

-    Masse de CO2 obtenu sur 1 an à partir de l’énergie primaire :

-    m (CO2) = Eelec x 90

-    m (CO2) ≈ 2,3 x 102 x 90 ≈ 2,04336 x 104

-    m (CO2) ≈ 20 kgéq CO2 .m–2 . an–1

-    Classe de l’habitation tout électrique : C 

  Cas (b) : Classement énergétique chaudière à gaz.

-    Consommation d’énergie primaire

-    Egaz = 88 kWep . h .m–2 . an–1

-    Classement énergétique : B

-    Émission de gaz à effet de serre :

-    Pour le gaz, l’émission de CO2 est de 234 g / kWh :

-    Masse de CO2 obtenu sur 1 an à partir de l’énergie primaire :

-    m (CO2) = Egaz × 234

-    m (CO2) ≈ 88 × 234 ≈ 2,0592 × 104

-    m (CO2) ≈ 21 kgéq CO2 .m–2 . an–1

-    Classement pour les gaz à effet de serre : D

  Cas (c) : Classement énergétique chaudière à bois.

-    Ebois = 88 kWep . h .m–2 . an–1

-    Classement énergétique : B

-    Émission de gaz à effet de serre :

-    Pour le bois, l’émission de CO2 est de 13 g / kWh :

-    Masse de CO2 obtenu sur 1 an à partir de l’énergie primaire :

-    m (CO2) = Egaz × 13

-    m (CO2) ≈ 88 × 13 ≈ 1,144 × 103

-    m (CO2) ≈ 1,1 kgéq CO2 .m–2 . an–1

-    Classement pour les gaz à effet de serre : A

-    C’est le chauffage au bois qui obtient le meilleur classement.

 

3)- Réduction de la consommation énergétique.

a)-   Schématisation des transferts thermiques.

-     Schéma :

 

-     Pour établir un bilan énergétique simplifié, il est nécessaire de définir le système étudié et

-     de relever la nature des transferts énergétiques entre ce système et le milieu extérieur.

-     Quel est le système étudié sur le schéma ?

-     Quelle est la signification des flèches jaunes et des flèches bleues ?

-     Exprimer la variation d’énergie interne ΔU du système étudié en fonction des différents transferts thermiques.

-     On considère que, pour l’intérieur du système de masse m et de capacité thermique c, la variation d’énergie interne est donnée par la relation :

-     ΔU = m . c. (TfTi)

-     Exprimer le transfert thermique que doit fournir le chauffage pour maintenir la température de l’habitation constante.

-     Quelles sont les solutions permettant de réaliser les économies d’énergie dans le domaine de la construction.

 Système étudié sur le schéma :

-   C’est l’intérieur de l’habitation avec tous les accessoires.

 Signification des flèches jaunes et bleues :

-   Les flèches jaunes symbolisent les transferts énergétiques reçues par le système.

-   Elles sont comptées positivement.

-   Les flèches bleues symbolisent les transferts énergétiques cédées par le système.

-   Elles sont comptées négativement.

 Variation d’énergie interne ΔU du système étudié en fonction des différents transferts thermiques :

-   ΔU = QSoleil + Qéclairage + QChauffage – Qsol – Qmurs – Qvitres – Qtoit.

 Maintien de la température constante :

-   On donne :

-   ΔU = m . c. (TfTi)

-   Si on maintient la température constante

-   Tf = Ti

-   En conséquence :

-   ΔU = 0

-   QSoleil + Qéclairage + QChauffage – Qsol – Qmurs – Qvitres – Qtoit = 0

-   QChauffage = Qsol + Qmurs + Qvitres + QtoitQéclairageQSoleil

 Les économies d’énergie :

*  Il faut limiter les déperditions d’énergie

-   Déperditions  d’énergie par les murs : isolation des murs

-   Déperditions d’énergie par les vitres : double vitrage.

-   Déperditions d’énergie par le sol : isolation du sous-sol.

-   Déperditions par le toit : isolation des combles, du grenier,…

*  Il faut utiliser le plus possible l’énergie solaire :

-   Installations de panneaux solaires pour obtenir de l’eau chaude

-   Installation de panneaux photovoltaïques pour la production d’électricité.

*  Utiliser un appareil de chauffage ayant un bon rendement :

-  Pompe à chaleur, chaudière à condensation, …

*  Utiliser la géothermie, …

 

b)-  Étude thermique d’une habitation : exercice 9 page 432.

-     Un bilan énergétique d’une villa des années 2000 a permis d’évaluer les transferts thermiques annuels ci-dessous :

 

-     Quel est le système étudié sur le document ci-dessus ?

-     Sur le schéma ci-dessus, identifier à quels niveaux de l’habitation ont lieu :

-     (a) : les pertes thermiques ;

-     (b) : les apports thermiques ;

-     (c) : Effectuer le bilan énergétique du système.

-     Exprimer, puis calculer le transfert thermique que doit fournir le chauffage pour maintenir la température de l’habitation constante.

-     Le propriétaire de la maison souhaite diminuer sa facture de chauffage.

-     Il se rend pour cela dans un magasin de bricolage qui lui fournit le document ci-dessous.

 

-     Ce document explique que les zones de déperdition thermique peuvent être repérées en utilisant la thermographie infrarouge.

-     (a) : où se situe le domaine de longueurs d’onde des rayonnements infrarouge ?

-     (b) : les pertes identifiées à la question ((a) : identifier les pertes thermiques) se retrouvent-elles sur la thermographie de la brochure présentée ci-dessus.

-     (c) : quelles solutions le propriétaire peut-il envisager pour diminuer la déperdition thermique de son habitation ?

 Système étudié sur le schéma :

-   Le système S étudié est l’habitation  avec le mobilier.

 Les transferts thermiques :

*  (a) les pertes thermiques :

-   Elles ont lieu :

-   Au niveau du sol Qsol ;

-   Au niveau des murs et des vitres  Qmurs + vitres ;

-   Au niveau du toit Qtoit .

*  (b) les apports thermiques :

-   Le rayonnement solaire  QSoleil ;

 -  Le mouvement des habitants de la maison Qhabitants ;

-   Fonctionnement des appareils électriques Qelec ;

-   Fonctionnement des appareils de chauffage Qchauffage.

*  Bilan énergétique du système :

-   ΔU = QSoleil + Qhabitants + Qelec + Qchauffage  – QsolQmurs + vitresQtoit

 Transfert thermique que doit fournir le chauffage

pour maintenir la température de l’habitation constante :

-   Si on maintient la température constante

-   Tf = Ti

-   En conséquence :

-   ΔU = 0

-   QSoleil + Qhabitants + Qelec + Qchauffage  – QsolQmurs + vitresQtoit = 0

-   QChauffage = Qsol + Qmurs + vitres + QtoitQSoleilQhabitantsQelec

-   QChauffage ≈ 70 + 80 + 300 – 103 – 18 – 56

-   QChauffage ≈ 273 MJ . m–2

-   QChauffage ≈ 2,7 × 102 MJ . m–2

 (a) Le domaine des infrarouges :

-   Il correspond à des longueurs d’onde λ > 800 nm.

 (b) les pertes thermiques :

-   Les déperditions thermiques sont très importantes au niveau du toit.

-   Dans un moindre niveau, il y des déperditions thermiques au niveau

-    des murs et vitrages et du sol.

 Les solutions pour diminuer les déperditions thermiques.

-   Avant tout, il faut isoler les combles pour éviter les

-    déperditions thermiques par la toiture ;

-   Il faut isoler les murs (zone orange à rouge) et

-    mettre un double vitrage (zone orange).

 

c)-   La construction durable : exercice 10 page 433.

En France, dans l’optique d’une division par quatre des émissions de gaz à effet de serre, le Grenelle de l’environnement a fixé des objectifs de réduction de la consommation des bâtiments.

Atteindre ces objectifs constitue un double défi, technologique et organisationnel.

 

- Un lycée HQE à Calais :

Inauguré en 1998, le Lycée Léonard de Vinci de Calais est le premier établissement en France à adopter de façon aussi complète le label HQE (Haute Qualité Environnementale).

Les terrasses végétalisées fixent les poussières et donc épurent aussi l’eau de pluies et les rosées qu’elles recueillent. Ces terrasses végétalisées amortissent également les chocs thermiques.

 L’évapotranspiration des plantes et l’évaporation de l’eau du substrat rafraichissent la couche d’air. Les eaux pluviales sont utilisées pour le réseau d’eau non potable.

-  Bilan :

Un lycée ultra moderne, lumineux et convivial. Le projet a couté 15 % plus cher qu’un lycée « normal », mais la conception permet une économie d’environ 30 % sur les dépenses en énergie et eau.

En pleine production, l’alimentation en énergie électrique du lycée est assurée par une éolienne de 135 kW, un co-générateur au gaz naturel de 230 kW et des panneaux photovoltaïques de 5 kW.

(D’après le site du lycée Léonard de Vinci de Calais : www4.ac.lille.fr/-vincicalais/)

-  Lycée HQE : dix ans de vie et toujours en exemple

-  […] la haute qualité environnementale, comment ?

« le principe prévalait dès la fabrication des matériaux rappelle Gérard Bonnel. Elle devait générer le moins de pollution possible. Au lieu de faire venir du bois de pays qui organisaient la déforestation, il a fallu trouver du bois de pays qui replantaient. Les bêtons pouvaient être faits en région parisienne, mais finalement, ils sont venus de Marquise : même s’ils étaient un peu plus chers, cela permettait de limiter les émissions de CO2.

Le principe HQE était aussi appliqué pendant la construction : c’était ainsi la première fois qu’un tri sélectif des déchets était effectué sur un chantier, les camions lavaient leurs roues dans un bassin pour ne pas salir les routes. La haute qualité environnementale est prévue jusque dans la perspective de la déconstruction du lycée : 95 % des matériaux sont recyclables. »

-  La HQE au quotidien.

L’énergie que consomme le lycée Léonard de Vinci est « propre ». Le symbole le plus frappant en est son éolienne. Mais le lycée possède aussi des panneaux solaires, des pompes à chaleur moins à la mode il y a dix ans qu’aujourd’hui, un générateur à gaz pour la production d’électricité. L’eau qui sert à le refroidir est ensuite utilisée dans le réseau de chauffage. L’établissement récupère les eaux de pluies par un système original de terrasses végétalisées. Mille capteurs permettent de détecter une présence dans une pièce, et donc d’adapter l’éclairage et le chauffage.

(Extrait de A Michaud, Lycée HQE dix ans de vie, et toujours un exemple, La Voie du Nord 16/03/2009)

-  Expliquer en quelques mots ce que signifie un lycée HQE.

-  Donner des arguments permettant de critiquer le mot souligné dans l’extrait de l’article du journal.

-  Quels sont les avantages à avoir des terrasses végétalisées sur le toit des bâtiments ?

-  Le co-générateur au gaz naturel permet aussi le chauffage du lycée.

Schématiser la chaîne énergétique correspondant à ce dispositif.

-  Le lycée consomme une puissance électrique de 330 kW.

Comparer sa consommation et sa production maximale d’électricité. Conclure.

 

Signification de lycée HQE :

-   HQE : haute qualité environnementale.

-    L’eau et l’énergie ne sont pas gaspillées.

-    Les déchets sont triés et recyclés.

-    On limite au maximum les émissions de gaz à effet de serre (GES)

-    Les matériaux qui ont servi à la construction sont recyclable

-    Dans le cas présent, ils sont recyclable à 95 %

  L’énergie que consomme le lycée Léonard de Vinci est « propre » :

-    Le lycée utilise pour la production d’énergie, une éolienne, un co-générateur à gaz naturel, et des panneaux photovoltaïques.

-    Dans le cas de l’éolienne, il faut tenir compte de sa construction et de son démantèlement (production de gaz à effet de serre pour la fabrication du béton,…)

-    Le co-générateur produit des gaz à effet de serre lors de son fonctionnement (combustion du méthane).

-    La fabrication et le démantèlement des panneaux photovoltaïques produisent des gaz à effet de serre.

-    Même si l’énergie produite n’est pas totalement propre, on limite au maximum les émissions de gaz à effet de serre.

  Avantages à avoir des terrasses végétalisées sur le toit des bâtiments :

-    Les terrasses végétalisées :

-    « Épurent aussi l’eau de pluies et les rosées qu’elles recueillent »

-    « Amortissent également les chocs thermiques »

-    « L’évapotranspiration des plantes et l’évaporation de l’eau du substrat rafraichissent la couche d’air. »

  Chaîne énergétique du co-générateur :

 

-    Le co-générateur utilise de l’énergie chimique pour produire :

-    De l’énergie électrique

-    Et on utilise l’eau qui a servi au  refroidissement dans le réseau de chauffage.

  Comparaison de la production et de consommation d’électricité :

-    Consommation d’électricité :

-    Le lycée consomme une puissance électrique de 330 kW

-    Pconso = 330 kW

-    Production d’électricité :

-    En pleine production, l’alimentation en énergie électrique du lycée est assurée par une éolienne de 135 kW, un co-générateur au gaz naturel de 230 kW et des panneaux photovoltaïques de 5 kW.

-    Pprod = 370 kW

-    Pprod > Pconso

-    Le lycée produit plus d’énergie qu’il n’en consomme.

-     Il est à énergie positive.

-    Il est autonome du point de vue énergétique.

 

d)-  Économie d’énergie dans l’habitat :

-     Exemple d’une construction et des solutions envisageables.

 

-     D’après la loi, un bâtiment à énergie positive doit offrir une consommation d’énergie primaire inférieure à la quantité d’énergie renouvelable produite.

-     Les solutions adoptées :

-     Privilégier une orientation et un concept bioclimatique : pièces à vivre situées au Sud, un ensemble compact, une pente de toit orientée vers le Sud (panneaux solaires).

-     Choisir une isolation très performante (forte inertie thermique, éviter les ponts thermiques)

-     Utiliser un système de ventilation efficace (VMC double flux).

-     Produire de l’électricité à partir d’énergies renouvelables (panneaux photovoltaïques, éolienne, …)

* Questions :

-     Pourquoi le Grenelle de l’environnement s’intéresse-t-il au secteur du bâtiment ?

-     Citer trois ressources d’énergie renouvelable permettant de produire de l’énergie domestique.

-     Expliquer l’utilisation d’un arbre à feuilles caduques.

-     Trouver un avantage (été comme hiver) à la présence d’un toit débordant.

-     Faire le bilan thermique de l’habitation (énergie produite moins énergie consommée).

-     Est-ce une construction à énergie positive ?

  Grenelle de l’environnement et secteur du bâtiment :

-     Le bâtiment étant le plus gros consommateur en énergie, il est essentiel que la construction des habitations soit de moins en moins énergivore.

-     Les bâtiments contribuent pour :

-     43 % à l’énergie consommée en France,

-     22 % aux rejets de gaz à effet de serre.

-     Le Grenelle de l’environnement impose depuis 2009 une réduction de la consommation énergétique des bâtiments.

  Les ressources d’énergie renouvelables :

-     L’énergie solaire (panneaux solaires pour la production d’eau chaude sanitaire, panneaux photovoltaïques pour la production d’énergie électrique)

-     La géothermie

-     La biomasse

-     L’éolien.

  Utilisation d’un arbre à feuilles caduques :

-     Un arbre à feuilles caduques perd ses feuilles en hiver, il renouvelle ses feuilles chaque année.

-     L’été, il protège la maison des rayons solaires et réduit ainsi l’apport d’énergie solaire.

-     En hiver, comme les feuilles sont tombées, les rayons du Soleil viennent chauffer l’habitation.

  La présence d’un toit débordant :

-     Il limite la surchauffe en été et protège des intempéries en hiver.

  Bilan thermique de l’habitation :

-     Énergie produite :

-     EProd  ≈ 4,7 x 103 + 3,3 x 103  + 5,0 x 103 

-     EProd  ≈  1,3 x 104   kWh

-     Énergie consommée :

-     EConso  ≈ 1,4 x 104 + 5,0 x 103 

-     EConso  ≈ 1,9 x 104  kWh

-     Remarque :

-     EConso  > EProd

-     L’habitation n’est pas une construction à énergie positive.

-     Elle consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit.

 

III- Transports et énergie.

1)- Le constat.

a)-   Quelques chiffres et quelques problèmes :

  Pour la France :

-     83 % des km parcourus par les personnes sont effectués en voiture ;

-     82 % du trafic de marchandises sont réalisés par la route ;

-     26 % des émissions de gaz à effet de serre sont issus du transport (1e émetteur en France).

-     En 2007, les besoins énergétiques pour les transports représentaient presque 32 % de la consommation finale d’énergie.

-     La prépondérance du transport routier (Personnes et marchandises) s’est affirmée entre 1973 et aujourd’hui passant de 70 % à 83 %.

-     Le secteur des transports routiers est responsable de 26 % des émissions de gaz à effet de serre, et de 37 % des rejets de CO2.

-     Le secteur des transports routiers génère à lui seul 96 % des émissions de CO2.

-     D’autre part :

-     La hausse du prix du baril de brut de pétrole,

-     La raréfaction programmée des ressources fossiles,

-     La prise de conscience des enjeux environnementaux et climatiques (pollution et réchauffement climatiques.

  Conséquences :

-     Il va falloir changer nos habitudes.

-     Une véritable révolution verte doit se produire dans le domaine des transports.

-     Des engagements ont été pris :

-     Réduction de 20 % de GES d’ici 2020,

-     Utilisation de 20 % des énergies renouvelables d’ici 2020.

b)-  Schématisation des différentes étapes de la vie d’un véhicule :

 

-     Quels sont les freins au développement des transports tels qu’ils sont conçus actuellement ?

-     Quelle est, actuellement en France, la part de l’énergie utilisée dans les transports ?

-     Pourquoi faut-il considérer toute la durée de vie d’un véhicule pour effectuer son bilan énergétique et son bilan carbone ?

-     Quel est le principal gaz à effet de serre produit par les véhicules ?

  Les freins du développement des transports :

-     26 % des émissions de gaz à effet de serre sont issus du transport (1e émetteur en France).

-     Le secteur des transports routiers génère à lui seul 96 % des émissions de CO2.

-     La hausse du prix du baril de brut de pétrole,

-     La raréfaction programmée des ressources fossiles,

-     La prise de conscience des enjeux environnementaux et climatiques (pollution et réchauffement climatiques.

  Part de l’énergie utilisée dans les transports :

-     En 2007, les besoins énergétiques pour les transports représentaient presque 32 % de la consommation finale d’énergie.

  Bilan énergétique et son bilan carbone d’un véhicule :

-     Il faut tenir compte de toute la durée de vie du véhicule, car chaque étape nécessite l’utilisation d’énergie et produit des émissions de GES.

  Principal gaz à effet de serre produit par les véhicules :

-     Le secteur des transports routiers est responsable de 26 % des émissions de gaz à effet de serre, et de 37 % des rejets de CO2.

-     Parmi les trois gaz à effet de serre émis par les véhicules, le dioxyde de carbone représentait 98 % des gaz à effet de serre, tandis que le méthane et l'oxyde nitreux représentaient les 2 % restants.

 

-     Émissions de CO2 par mode de transports :

 

Émissions de CO2

g . km–1

Nombre de

 passagers

Émissions de CO2

g . km–1 . pass–1

Piétons

0

1

0

Bicyclette

0

1

0

Deux roues

(2 temps)

120

1,2

100

Deux roues

(4 temps)

70

1,2

58

Voiture

essence

170

1,3

130

Voiture

diesel

150

1,3

115

Minibus

600

15

40

Bus diesel

1100

60

18

Bus gaz

naturel

1100

60

18

Train TER

 

 

30

Train TGV

 

 

2,5

Avion

 

 

150

Sources : AETS / Banque Mondiale / ADEME

 

2)- Les véhicules hybrides.

-     Le véhicule hybride est équipé de deux modes de propulsion :

-     Un moteur thermique,

-     Un moteur électrique.

-     Lorsque la vitesse est inférieure à 25 km . h–1 environ, le moteur électrique s’enclenche et permet de réaliser des trajets allant jusqu’à 25 km.

-     Au-delà, le moteur thermique peut à son tour fonctionner.

-     Sur les longs trajets, la gestion du flux d’énergie optimise les fonctionnements des moteurs thermique et électrique.

-     Lors de fortes accélérations, la sollicitation des deux moteurs simultanément est possible.

-     En phase de décélération et de freinage, la conversion de l’énergie cinétique en énergie électrique  permet la recharge de la batterie.

-     À l’arrêt, la recharge de la batterie peut être réalisée en 1 heure 30 min environ.

-     Pour recharger la batterie, on peut utiliser des bornes disposées en ville, dans les entreprises ou au domicile.

3)- Les biocarburants.

  Document :

La première génération de biocarburants est issue de produits alimentaires.

§  Ils sont actuellement produits sous deux formes :

-  Le biodiésel (huiles de colza, tournesol et de soja) incorporé au gazole sous forme de carburant banalisé.

-  L’éthanol (plantes sucrières, blé, maïs) incorporé à l’essence sous forme de carburant banalisé.

 

Cycle du carbone du bioéthanol

 

§  Les biocarburants de deuxième génération, destinés à ne pas entrer en concurrence avec les autres cultures vivrières.

-  Ils utilisent les résidus agricoles et forestiers,

-  Ils utilisent des cultures dédiées de plantes à croissance rapide qui nécessitent peu d’eau et fixent les sols.

§  En 2010, la production française de biocarburants avoisinait les trois millions de tonnes.

-  Elle mobilisait une surface estimée à environ 2 millions d’hectares ;

-  Elle a permis d’économiser l’émission de 8 millions de tonnes équivalent CO2 ;

-  Elle a produit environ 2,5 millions de tonnes équivalent pétrole, soit autant d’économie d’ énergie fossile réalisée.

§  Les biocarburants de troisième génération :

-  Ils sont obtenus à partir d’algues. Ils sont encore à l’étude. Ces nouvelles filières présentent des bilans énergétiques favorables.

-  À l’hectare, les micro-algues seraient 30 à 100 fois plus productives en énergie qu ‘un biocarburant oléagineux.

-  Elles permettent de limiter les problématiques d’usage des sols et de la concurrence avec les débouchés alimentaires.

* Questions :

-  Rechercher la signification du mot « biocarburant ». Pourquoi  est-il qualifié d’agro-ressource ?

-  Définir le t.e.p (tonne équivalent pétrole). Convertir 2,5 millions de t.e.p en joule, puis en kWh.

-  Quelle quantité d’énergie fossile est économisée grâce à la production de biocarburants ?

-   Pourquoi la filière biocarburant est-elle contestée ?

 

  Biocarburant :

-    Le biocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques non fossiles :

-    C’est une agro-ressource : ressource issu de l’agriculture.

-   Elle provient de la biomasse.

-   Ce sont des matières premières renouvelables.

  La tonne équivalent pétrole : t.e.p .

-    La tonne équivalent pétrole : énergie libérée par la combustion d'une tonne de pétrole.

-    1 t.e.p = 4,2 × 10 10 J

-    2,5 × 10 6  t.e.p  2,5 × 10 6 × 4,2 × 10 10 J ≈ 1,1 × 10 17  J

-    1 kW.h = 3,6 × 10 6 J

-    2,5 × 10 6  t.e.p  2,9 × 10 10  kWh

  Énergie fossile économisée :

-    L’énergie fossile économisée :

-    Efossile ≈  2,9 × 10 10  kWh

  La filière biocarburant :

-    Elle utilise des surfaces de terres qui pourraient être utilisées pour l’alimentation.

-    La population  mondiale ne cesse d’augmenter (9 milliards en 2050) et certains habitants souffrent déjà de la faim.

-    À l’avenir, on ne pourra plus se permettre d’utiliser les terrains agricoles pour la production de biocarburants.

 

IV- Les énergies de demain.

1)- L’énergie de gravitation.

-     Centrale hydroélectrique :

 

 

Centrale hydroélectrique de Serre-Ponçon

 

 

 

 

-     L’énergie de gravitation n’est appréciable que si des masses considérables sont mises en jeu.

* Calculer l’énergie fournie E par une masse m = 1,00 kg d’eau tombant d’une hauteur h = 100 m

-     Donnée : g = 9,81 N / kg

-     E = m . g . h ≈ 1,00 × 9,81 × 100

-     E ≈ 981 J

* Exprimer cette énergie en kWh : 1,0 kWh = 3,6 × 106 J

-     E ≈ 981 J ≈ 2,7 × 10–4 kWh

* Calculer la masse m1 d’eau qu’il faut faire chuter pour obtenir une énergie de 1,0 kWh.

* Exprimer cette masse en tonne (t).

-      

  Conclusion :

-     Les centrales hydroélectriques sont peu efficaces du point de vue énergétique.

-     Les énergies mécaniques qui apparaissent ont des ordres de grandeurs très faibles.

-     Il faut utiliser de grandes quantités d’eau.

2)- Énergies thermique, radiative et chimique.

-     Les énergies thermique, radiative et chimique libèrent des énergies de l’ordre du kWh par kg de matière.

-     Il faut environ 0,1 kWh pour faire fondre 1,0 kg de glace à 0 ° C.

-     Il faut environ 0,7 kWh pour vaporiser 1,0 kg d’eau à 100 ° C.

-     Les appareils électroménagers consomment en moyenne une puissance électrique comprise entre 0,10 W et 5,0 kW.

-     La combustion de 1,0 kg de pétrole ou de gaz fournit environ 12 kWh.

3)- L’énergie nucléaire.

Chap. N° 05  Radioactivité et réactions nucléaires (1S)

a)-   Ordre de grandeur.

-     L’énergie nucléaire est de loin la forme d’énergie la plus concentrée :

-     1,0 kg d’uranium fournit une quantité de chaleur

-     QU ≈ 1,0 × 105 kWh.

-     Alors que la combustion de 1,0 kg de charbon fournit une quantité de chaleur :

-     Qcharbon ≈ 8,0 kWh.

-     Ainsi, une centrale électronucléaire de 1000 MW électrique, consomme environ 27 tonnes d’uranium enrichi par an.

-     Une centrale thermique de même puissance consomme 1,5 × 106 t de pétrole par an.

-     Dans le Soleil, 1,0 kg d’hydrogène produit par réaction nucléaire 180 millions de kWh.

b)-  Innover pour l’énergie nucléaire : Exercice 8 page 430.

L’énergie nucléaire est née à la fin des années 1930 avec la découverte de la fission.

Mais ce n’est qu’en décembre 1953, en pleine guerre froide, que l’énergie nucléaire est utilisée à des fins civiles.

Le président américain Eisenhower incite à développer cette nouvelle énergie « pour servir l’humanité », lors de son discours « Atoms for Peace » devant l’ONU.

D’autres états se lancent parallèlement dans cette voie : la Russie, la France et la Grande-Bretagne.

       

§  Comment ça marche :

Pour produire de l’électricité de manière industrielle, on utilise une turbine qui transmet à un alternateur une force suffisante pour le mettre en rotation rapide.

Celui-ci va alors transformer en énergie électrique l’énergie mécanique qui lui est communiquée.

Dans cette centrale nucléaire, la turbine peut être alimentée par de la vapeur d’eau sous pression.

Dans ce cas, on a recours à une « chaudière » qui produit la chaleur* à partir de laquelle la vapeur d’eau est générée.

Mais tandis qu’une centrale thermique brûle du charbon, du pétrole ou du gaz, un réacteur nucléaire produit de la chaleur par des réactions de fission de noyaux atomiques tels que ceux de l’uranium.

Toute chaudière à besoin d’un « fluide caloporteur » pour évacuer la chaleur* à transmettre.

Dans  les centrales nucléaires actuellement en service, ce fluide est tout simplement de l’eau.

Dans les « systèmes nucléaires du futur », le rôle de caloporteur pourra être assuré par un métal liquide comme le sodium ou le plomb, ou un gaz, l’hélium.

§  Des réacteurs de 4e génération :

En France, le CEA travaille sur deux filières :

-  Le réacteur à neutrons rapides et caloporteur sodium (RNR-Na ou SFR)

-  et le réacteur à neutrons rapides et caloporteur gaz (RNR-G ou GFR, dans ce cas le gaz est l’hélium)

La technologie des réacteurs nucléaires à neutrons rapides permet d’utiliser les réserves d’uranium (estimées à 60 ans actuellement) pendant des milliers d’années.

Ainsi le CEA s’est engagé sur la conception d’un prototype innovant de réacteur refroidi au sodium. L’objectif est de préparer le déploiement industriel d’une telle filière dans le parc français à l’horizon 2040, en privilégiant des recherches en innovations.

Quatre objectifs principaux ont été définis pour caractériser les systèmes du futur.

Ils doivent être à la fois :

-  Durables, c’est-à-dire économes des ressources naturelles et respectueux de l’environnement ;

-  Économiques, pour minimiser le coût du kWh ;

-  Sûrs et fiables pour minimiser les risques d’accident ;

-  Résistants vis-à-vis des risques de prolifération et susceptibles d’être aisément protégés contre les agressions externes.

(Après « innover pour l’énergie nucléaire », Énergie du XXIe siècle, livret N° 19 du CEA, novembre 2010)

-  *chaleur = transfert thermique.

 

c)-   Le nucléaire « sans uranium ».

-     Il existe une autre manière de produire de l’électricité nucléaire que celle mise ne place depuis 50 ans.

-     En particulier, des réacteurs dits « à sels fondus » à base de thorium plutôt que d’uranium, feraient aussi bien, mais sans risquer de provoquer des Tchernobyl ou des Fukushima.

-     Une solution pour l’avenir ?

 

-     Additif. (Du thorium 232 à l’uranium 233 : le surgénérateur)

 

  Des avantages qui changent tout :

-     Les ressources de thorium sont immenses (très abondant sur Terre, le minerai de thorium est totalement utilisable).

-     Le cœur du réacteur ne peut pas s’emballer (la quantité de combustible est ajustée au fur et à mesure de l’utilisation)

-     Les problèmes de pression sont réglés (les réacteurs à sels fondus fonctionnement à la pression atmosphérique).

-     La question de refroidissement en cas de panne est résolu (le combustible liquide est tout simplement vidangé).

-     La quantité de déchets à vie longue est 104 fois moindre que dans une centrale nucléaire classique.

(D’après V. Nouyrigat, « le nucléaire dans uranium, Science & Vie, N° 1130, novembre 2011)

* Questions :

-     Quels sont les avantages et les inconvénients d’utiliser des ressources fissiles ?

-     Pourquoi le CEA cherche-t-il à développer des réacteurs de quatrième génération ?

-     Identifier la nature du combustible et du fluide caloporteur dans les deux types de réacteurs évoqués.

-     Quels avantages l’utilisation des réacteurs dits « à sels fondus » présente-t-elle ?

  Avantages et les inconvénients d’utiliser des ressources fissiles :

-    Les avantages :

-    C’est  une méthode de production de l’électricité qui produit peu de gaz à effet de serre (GES).

-    L’énergie nucléaire est de loin la forme d’énergie la plus concentrée : 1,0 kg d’uranium fournit une quantité de chaleur QU ≈ 1,0 x 105 kWh.

-    Les ressources sont encore importantes.

-    Les inconvénients :

-    Cette technique présente des risques, elle est très dangereuse.

-    Elle produit des déchets nucléaires qu’il faut retraiter et stocker.

  Les réacteurs de quatrième génération :

-     Pour améliorer la sécurité, mieux exploiter les ressources en uranium qui ne sont pas inépuisable, diminuer la production de déchets radioactifs, diminuer les risques, …

  Nature du combustible et du fluide caloporteur dans les deux types de réacteurs évoqués :

-    Le combustible fissile est l’uranium : Uranium 233

-    La technologie dite « à neutrons rapides »,  permet la surgénération, récupérer les neutrons sortants pour transmuter des matériaux (le thorium en uranium 233)

-    Fluides caloporteurs : sodium fondu ou hélium.

  Les avantages l’utilisation des réacteurs dits « à sels fondus » :

-    Les ressources de thorium sont immenses (très abondant sur Terre, le minerai de thorium est totalement utilisable).

-    Le cœur du réacteur ne peut pas s’emballer (la quantité de combustible est ajustée au fur et à mesure de l’utilisation)

-    Les problèmes de pression sont réglés (les réacteurs à sels fondus fonctionnement à la pression atmosphérique).

-    La question de refroidissement en cas de panne est résolu (le combustible liquide est tout simplement vidangé).

-    La quantité de déchets à vie longue est 104 fois moindre que dans une centrale nucléaire classique.

 

d)-  Fusion nucléaire

e)-   Réacteur à eau sous pression

4)- L’énergie solaire : exercice 7 page 428.

§  Domestiquer l’énergie solaire :

-   L’énergie solaire est disponible partout sut Terre et représente, théoriquement, 900 fois la demande mondiale en énergie.

-   Chaque mètre carré reçoit en moyenne 2,0 kWh à 3,0 kWh par jour en Europe du Nord,  4,0 kWh à 6,0 kWh en région Provence Alpes Côtes d’Azur ou sous les tropiques.

-   Les variations saisonnières ne sont que de 20 % dans ces régions, mais beaucoup plus importantes (d’un facteur 2,5) dans les pays du Nord.

 Le solaire thermique :

-   Le solaire thermique est aujourd’hui relativement bien maîtrisé en termes technologique et économique.

-   Le principe est simple :

-   Des capteurs absorbent les photons solaires et les transforment en quantité de  chaleur Qray.

-   Cette quantité de chaleur Qray est ensuite transmise à un fluide ou un gaz (fluide caloporteur) qui le transporte vers un réservoir de stockage de l’énergie.

-   L’énergie solaire est principalement utilisée pour le chauffage de l’eau ou des locaux.

 L’énergie solaire photovoltaïque :

-   L’énergie solaire photovoltaïque a l’avantage de convertir directement l’énergie du Soleil en électricité.

-   Cette conversion est possible grâce à un matériau semi-conducteur à base de silicium.

Document :

 

 L’énergie solaire de concentration :

-   L’énergie thermique du Soleil permet aussi de produire de l’électricité. Des miroirs cylindro-paraboliques, long d’une centaine de mètres, concentrent la chaleur sur un tube récepteur contenant un fluide caloporteur ; le fluide génère ensuite de la vapeur qui est turbinée pour produire de l’électricité.

(d’après « Domestiquer l’énergie solaire », énergies du XXIe siècle, livret N° 19 du CEA, novembre 2010.)

§  Premier parc solaire intégré à un domaine forestier :

-   Le premier parc solaire, intégré à un domaine forestier, a été inauguré vendredi 28 octobre 2011 à Mios, dans le département de la Gironde par le groupe Ylliade de juwi ENR, en présence du Sous-Préfet d’Arcachon et du Maire de la commune de 6650 habitants.

-   Ce parc solaire s’inscrit dans un projet original de diversification d’un domaine forestier qui a été durement touché par les tempêtes de 1999 et 2009.

-   D’où une transition douce de monoculture du pin maritime, vers des plantations plus variées, acacias, eucalyptus, etc. La résilience et la biodiversité de cette forêt pilote de plus de 2000 hectares en sortent renforcées.

-   D’une puissance de 8,5 MWc*, ce parc produit l’équivalent de la consommation électrique de 4350 habitants, soit celle de deux tiers des habitants de Mios, pour une surface occupée de moins de 0,2 % du territoire de la commune, sur des parcelles très sinistrées.

-   La construction d’une deuxième tranche, qui est en projet, permettrait à Mios de devenir « une commune à énergie renouvelable positive. »

 

(extrait de Mios (Gironde) : 1e parc solaire intégré à un domaine forestier », http://www.enerzine.com/1/12903+mios-gironde--1er-parc-solaire-integre-a-un-domaine-forestier+.html

-   * Le « watt crête » (Wc) définit la puissance de production photovoltaïque sous un ensoleillement standard de référence (rayonnement incident normal de 1000W, pression de 1013 hPa, température des modules de 25 ° C).

-   Résumer en quelques lignes le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque.

-   Représenter la chaîne énergétique mise en jeu dans une ferme solaire.

-   Quels inconvénients présente une implantation massive de fermes solaires dans les régions à fort ensoleillement ?

-   Expliquer comment de l’énergie produite dans une installation solaire pourrait être utilisée dans une centrale hydraulique. Quels en seraient les intérêts ?

 

 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque :

-   En traversant la cellule photovoltaïque, les photons arrachent des électrons aux atomes de silicium.

-   Ces électrons peuvent être mis en mouvement dans un circuit électrique extérieur et produire un courant électrique.

 

 Chaîne énergétique mise en jeu dans une ferme solaire :

 

 Inconvénients que présente une implantation massive de fermes solaires dans les régions à fort ensoleillement :

-   Le plus souvent, le lieu de production se trouve très éloigné du lieu de consommation.

-   Le courant continu haute tension (CCHT) est une technologie utilisée pour le transport de l'électricité en courant continu haute tension.

-   Cette technologie est très coûteuse.

L’énergie produite dans une installation solaire et centrale hydraulique :

-   Lorsque l’ensoleillement est très important et que la ferme solaire produit beaucoup d’énergie solaire, on peut utiliser l’excédent d’énergie pour remonter de l’eau, grâce à une pompe électrique, dans un bassin supérieur d’un barrage hydraulique.

-   Cela permet de stocker de l’énergie sous forme d’énergie de gravitation (énergie potentielle de pesanteur).

-   On peut produire de l’électricité hydraulique la nuit ou lorsque la demande est importante.

 

V- Applications.

1)- QCM : pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

2)- Exercices : Exercices : énoncé et correction

a)-   Exercice 5 page 426 : De l’éolienne à l’hydrolienne.

b)-  Exercice 11 page 434 : équilibre Nord–Sud.

c)-   Exercice 12 page 435 : Développement des énergies renouvelables.