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Les différentes sources d’énergie

dimanche 9 décembre 2012 par Laurent SENEZ

L’homme a de tous temps maitrisé l’énergie. Il a commencé par maitriser le feu en utilisant une énergie renouvelable qui est le bois. Puis lorsqu’il avait besoin d’énergie mécanique, il a utilisé la force animale. Dans certaine zone le vent ou les chutes d’eau étaient abondant, l’homme a utilisé cette énergie gratuite. Les énergies fossiles étaient connues mais leurs utilisations se sont accélérées lors de l’industrialisation de nos sociétés. Le besoin énergétique, et les avancés scientifiques ont permis l’exploitation de l’énergie nucléaire.

Les énergies primaires ou fossiles

Ces énergies sont issues de l’exploitation du sous-sol. Le produit issus de l’exploitation peut être utilisé brute ou peut avoir subi un raffinage avant d’être mis à disposition du consommateur.
Le charbon
Le charbon est une matière noire riche en carbone. Il est encore très abondant de nos jours la fin du charbon est prévu pour 2158 (http://terresacree.org/ressources.htm). Il est issu de l’engloutissement de végétaux supérieurs et surtout d’arbres en places ou transportés par les rivières et déposés dans les deltas des fleuves.
Ils sont classées en fonction de leurs teneurs en carbone.
La tourbe a une teneur de 55% à 60% de carbone.
La lignite a une teneur de 70% à 75% de carbone.
La houille (s.l.) a une teneur de 85% de carbone.
L’anthracite a une teneur supérieurs à 90% de carbone.
Le graphite est de l’anthracite (100% de C) qui a subi le métamorphisme.
Le pétrole
Le pétrole à remplacé progressivement le charbon car il se transporte (oléoduc) et se stocke facilement. L’extraction du pétrole est plus aisée que l’extraction du charbon. Il est issu des dépôts de plancton et d’algues au fond des mers qui ont subi une transformation biochimique bactérienne (diagenèse) en milieu anaérobie (sans oxygène) suivi d’une phase (catagenèse) d’enfouissement (1500m à 4000m de profondeur) ainsi qu’une cuisson de 60°C à 150°C. La fin de la ressource est prévu pour 2050.
Le gaz
Le gaz est aussi facile à exploiter. La formation de gaz existe à toutes les étapes de la formation du pétrole et du charbon. C’est donc un produit courant. La fin de ce type de gaz est prévu pour 2072 mais il existe de grandes quantité de gaz de méthane piégé dans les sédiments marins et dans le pergélisol sous la forme d’hydrate de méthane (clathrate). Dans le monde, cette source n’est pas encore exploitée. d’après les estimations faites en 2004, il y aurai 10000 fois plus de méthane piégé que de réserves de pétrole connues.

Voici la courbe sur l’estimation de la consommation pour le charbon, le pétrole et le gaz en fonction des réserves connues, ainsi que l’estimation du pic de Hubbert pour les trois énergies fossiles.

Les autres énergies épuisables

L’uranium
L’uranium est un élément naturel radioactif. Seul l’uranium 235 naturel est fissile soit 0,7% de l’uranium total. L’uranium 238 qui est le plus abondant (99,3%) n’est pas fissile. Le minéral (l’autunite) contient un mélange d’uranium stable et d’uranium radioactif sera utilisé par l’industrie nucléaire qui concentre l’uranium radioactif pour fabriquer le combustible nucléaire utilisé par les centrales. Cette industrie exploite la fission nucléaire des atomes d’uranium 235 productrice de grande quantité de chaleur. Elle produit aussi des déchets radioactifs à grande durée de vie (thorium, radium, radon...). On estime la fin de l’exploitation de l’uranium en 2040 si on ne découvre pas de nouveaux gisements.

La demande d’uranium selon les scénarios de l’AIE (l’agence internationale de l’énergie) et les ressources connues.
L’uranium 238 qui est le plus abondant dans la nature, à été utilisé dans un réacteur nommé Superphénix (France) ; il a fonctionné jusqu’en 1997.
Voici le principe de fonctionnement : le cycle uranium/plutonium (U/Pu) correspond à une réaction en chaîne où un noyau d’uranium 238 (non fissile), en capturant un neutron, se transforme en plutonium 239, qui, lui, est fissile. lors de la fission du plutonium 239 une grande quantité de chaleur est libéré.
Le thorium
Il y a trois fois plus de thorium que d’uranium dans la nature. Actuellement Le laboratoire du CNRS de Grenoble met au point un réacteur de quatrième génération qui utilise le thorium. Le principe de fonctionnement est le suivant : Le thorium soumis à un bombardement de neutron capture un neutron et se transforme en uranium 233 qui est fissile. Cette uranium 233 par fission nucléaire produit une grande quantité de chaleur.
Le deutérium
Le 9 novembre 1991, le tokamak européen JET réalisait la première expérience de fusion deutérium-tritium. Suite à cette démonstration le projet ITER voit le jour. Il rassemble des scientifiques du monde entier autour d’un objectif ambitieux : maîtriser l’énergie issue de la fusion de l’atome pour répondre aux besoins énergétiques des générations futures.
Le deutérium (non radioactif) et le tritium (radioactif) sont des isotopes de l’hydrogène qui combinés produit de l’hélium. Il y a peu de résidu radioactif issu de la réaction. C’est cette réaction nucléaire qui fait vivre le soleil.
Les éléments sont abondant dans les océans qui contiennent naturellement suffisamment de deutérium, 33 grammes par m3. Les quantités trouvées permettraient dans le cas d’une fusion deutérium-deutérium, d’alimenter en énergie la planète pendant 100 millions d’années, (1 m3 d’eau peut potentiellement fournir autant d’énergie que la combustion de 700 tonnes de pétrole).

Les énergies renouvelables

L’énergie hydraulique
Le mouvement de l’eau et plus exactement le courant produit de l’énergie. Cette énergie est l’énergie hydraulique. Actuellement cette énergie hydrauliques est essentiellement convertie en énergie électrique. Les centrales pratiquant cette conversion sont dites centrales Hydroélectriques.
On classe les centrales en fonction de la constante de vidage, qui correspond au temps théorique nécessaire pour vidanger la réserve à la puissance maximum. On distingue ainsi :

DénominationTemps
Centrales dites au fil de l’eau inférieure ou égale à 2 Heures
Centrales dites d’écluses entre 2 et 200 heures
Centrales de lac plus de 200 heures

Le plus souvent les petites centrales, d’une puissance inférieur à 10 MW, alimentent les sites isolés ou revendent leur électricité à EDF. Actuellement 1700 centrales sont en activité. La loi sur l’eau (décembre 2006) interdit de modifier le cours d’eau d’une rivière. La seule méthode pour augmenter le parc est d’équiper les anciens moulins qui sont de l’ordre de 30000 en France.
Certaines centrales servent à stocker de l’énergie en période creuse et la restituent lors d’une forte demande en énergie. Ces centrales sont dites STEP (Station de Transfert d’Energie par Pompage). Les centrales nucléaires alimentent des pompes qui placent de l’eau dans un réservoir en altitude lors de périodes creuses. L’énergie est restituée par la chute de l’eau sur une turbine qui transforme cette énergie cinétique en énergie électrique, injectée dans le réseau EDF lors d’une forte demande.
La production d’hydroélectricité représente 11,6% (2007) de l’électricité produite en France.

L’énergie éolienne
Les moulins à vent, les éoliennes et les aérogénerateurs sont les noms données au système de capture de l’énergie cinétique du vent.
On rencontre actuellement des éoliennes qui produit de l’énergie électriques et d’autres de l’énergie mécanique.
Sur certaine éoliennes on utilise l’énergie mécanique produite directement Comme les éoliennes de pompage que l’on rencontre dans les prés ; les moulins à moudre le grain ou en hollande les moulins de Kinderdijk qui assèche les polders.
La plupart des éoliennes modernes servent à produire de l’énergie électrique. ces aérogénerateur industriel peuvent atteindre 100 mètres de haut. La puissance de ces machines peuvent atteindre 3MW sur terre et 5MW en mer (offshore). En 2007 la production d’électricité éolienne est de 0,7% de la consommation annuelle.
On peut aussi signaler différentes formes pour les éoliennes :

  • les éoliennes à axe horizontale (les plus répandus).
    • tripale
    • multipale
    • système au vent
    • système sous le vent
  • les éoliennes à axe vertical.
    • les moulinets
    • rotor Savonius
    • rotor Darrieus

L’énergie solaire
L’énergie solaire donne accès à deux sources d’énergie de transformation ; le solaire électrique et le solaire thermique.
Le solaire électrique utilise des cellules photovoltaïques qui transforme l’énergie de rayonnement solaire en électricité. Cette énergie est stockée dans des batteries pour les sites isolés ou est envoyée dans le réseau EDF pour les sites de productions. Sous nos latitudes, on considère que dans les meilleures conditions atmosphériques, le soleil fourni 1000 W/m2 au sol si le soleil est au zénith.

ÉclairementCiel clairCiel de traîneCiel couvert
Eclairement global (W/m2) 900 800 300
Eclairement diffus (W/m2) 200 350 300

Cette valeur (1KW/m2)est communément utilisée pour calculer le rendement des cellules photovoltaïques. Le rendement (12%) est modeste car on ne peut produire que 120W maximum par m2.
Le solaire thermique utilise des capteurs transformant l’énergie lumineuse et les infrarouges en chaleur. On retrouve deux grand principes utilisés :
Les capteurs à effet de serre qui derrière une vitre bloque une couche d’air ou d’eau. La vitre crée l’effet de serre. Le capteur peut posséder une zone d’accumulation de la chaleur comme le mur Trombe. Lors de l’utilisation de chauffe eau solaire, un fluide transmet la chaleur du capteur solaire à l’eau à chauffer. Les capteurs peuvent être plat. ou en cylindre de verre comme sur la photographie. Ce dernier a actuellement le meilleur rendement.
En utilisant l’effet de serre et l’effet de cheminée, les espagnoles ont fabriqué une centrales solaire électrique qui produit actuellement 50 KW. Les condenseurs de rayonnement ou l’on retrouve cinq technologies. La première utilise la loupes ; La seconde, un réflecteur cylindro-parabolique ; le troisième, un système à miroir ; le quatrième une parabole ; le cinquième le principe de la lentille de Fresnel appliqué aux miroirs. Augustin Mouchot a construit une parabole de 20 m2 et à imprimé un journal à 500 exemplaires lors de l’exposition universelle de 1878. Ce principe est utilisé dans des projets comme Thémis (1983 à 1986) et pour le projet Pégase (2010). Dans les systèmes de production d’énergie par exemples : Andasol, la plus grande centrale solaire thermique d’Europe en Espagne,les condenseurs ont une forme cylindroparabolique.
L’énergie géothermique
L’énergie géothermique est à l’origine une énergie thermique récupérée dans le sol. Par abus de langage elle a donné son nom à tous les systèmes utilisant les pompes à chaleurs.
La géothermie (stricto sensu) utilise la chaleur du sous sol. La température du sous sol augmente en moyenne de 3,3°C tous les 100 m de profondeurs sur la planète. En France, la température est de 4°C tous les 100m. La source du PAR est la plus chaude d’Europe ; elle est en France est plus exactement à Chaudes-Aigues dans Le Cantal. La source du PAR est à 82°C.
Cette énergie est essentiellement captée par forage. Il existe quatre types de géothermies s.s. classés en fonction de la température de l’eau ou de la vapeur récupérée.

DésignationtempératuresUtilisations
La géothermie de haute énergie sup. à 150°C
La géothermie de moyenne énergie 100°C à 150°C
La géothermie de basse énergie 30°C à 100°C
La géothermie de très basse énergie inf. à 30°C

Légende du tableau

code Désignation
Production d’électricité
Chauffage urbain
Chauffage de serres
Chaleur pour processus industriels
Thermalisme
Nécessite la mise en œuvre de pompes à chaleur

Ci-dessous une utilisation de la géothermie plus détaillée. Utilisation possible de la géothermie dans le bassin de paris
Le terme géothermie est aussi utilisé lors d’utilisation de pompe à chaleur pour le chauffage de maison individuelle ou de bâtiment. La pompe à chaleur extrait les calories d’un milieu pour les restituer dans l’habitation. La pompe à chaleur est réversible et peut prendre les calories (la chaleur) est les mettre dans le milieu environnant. Voici le tableau des milieux environnant/diffusion intérieur (habitat) :
PAC air/air Air/eau Glycol/eau eau/eau sol/sol sol/eau
COP ˜3 2,5 à 3 3,5 à 4,5 5 à 5,5 4 4

Exemple avec capteur à air/ distribution circuit d’eau (air/eau). Exemple avec capteur d’eau/ distribution circuit d’eau (eau/eau). Exemple avec capteur horizontal dans le sol/ distribution plancher chauffant (sol/sol). Exemple avec capteur vertical dans le sol/ distribution plancher chauffant (sol/sol). En France, La répartition des pompes à chaleurs selon la nature de la source froide est environ la suivante :

- 15% sur sol,
- 10% sur eau,
- 75% sur air.

L’énergie des marées
L’énergie de la marée est au sens large. On aurait pu dire les énergies issues de la mer. Actuellement, l’énergie extraite de la mer utiliser le mouvement de la masse d’eau sous trois formes différentes.

  • Les usines marémotrices : qui utilise l’énergie issue du mouvement des marées.
  • L’houlomotricité : qui utilise l’énergie issue du mouvement de la houle (vagues).
  • Les hydrauliennes : qui utilisent l’énergie issue des courants marins.

L’énergie de la biomasse
La biomasse peut être utilisée à divers niveaux comme produit premier (bois de chauffage) ou à partir de déchets revalorisés. Le produit issus de la biomasse sont soit solide, liquide ou gazeux et produisent tous de l’énergie thermique.

  • Le bois est un combustible solide. Il est fabriqué par l’arbre grâce à la photosynthèse. C’est un processus bioénergétique qui transforme de l’eau (H2O) et du dioxyde de carbone (CO2) en matière organique en présence d’énergie lumineuse (soleil). Cette réaction produit également de l’oxygène.
    Le bois est utilisé sous la forme de bûche pour le chauffage. Il est utilisé dans les cheminées, les inserts, les poêles et les chaudières. Lors d’une alimentation en continue de la chaudière, on utilise souvent des plaquettes forestières issu du bois non valorisable (branches, houppiers...). Il existe maintenant des granulés de bois (pellets) et des briques de bois reconstituées. Ils sont fabriqués en mettant de la sciure, du mare de café ... sous 100 bars de pression ; la lignine qui compose le bois colle les particules.
    La combustion du bois produit du CO2 mais autant que la buche en a piégé. Le bilan carbone est donc égale à ZÉRO.
  • Les biocarburants ou agrocarburants donnent des liquides. Les agrocarburants issus des plantes oléagineuses comme le colza ou le tournesol peuvent donner deux produit différents :
    - les huiles végétales brutes obtenues par simple pressage des graines.
    - Les esters appelés aussi Diester obtenus par réactions chimiques des huiles.
    Les agrocarburants obtenus à partir de l’alcool, sont produits avec des plantes contenant du sucre(betterave, canne à sucre) ou de l’amidon (blé) qui donnera après fermentation et distillation de l’alcool. A partir de ce produit on obtient deux agrocarburants :
    - le bioéthanol qui est le produit brut issu de la distillation.
    - l’éther éthyle tertiobutyle (ETBE) qui sera mélangé à l’essence pour en faire un carburant.
  • Les déchets agricoles donnent essentiellement des biogaz. Le biogaz, du méthane (CH4) est produit lors d’une fermentation anaérobie de toute matière organique (déchets alimentaires, déchets végétaux, déchets de culture, déchets animaliers, fumiers, lisiers...). Ce gaz peut s’utiliser directement ou après purification.
  • Les déchets agricoles donnent aussi des liquides sous la forme de pétrole de fermentation. Le Dr Jean Laigret a déposé un brevet le 16 octobre 1947 et a été publié le 17 avril 1952. En 2008 un article intitulé, UN PÉTROLE INÉPUISABLE, ÉCOLOGIQUE ET BON MARCHE est paru dans L’ère nouvelle n° 182 janvier-février 2008, reprend le cheminement des études depuis les années 1940.
  • Les déchets urbains solides comme les déchets agricoles donnent du gaz de méthane si les ordures ménagères (organiques) sont stockés dans un digesteur anaérobie, le plus souvent souterrain.
  • Les déchets urbains liquides qui actuellement sont épurés dans des stations d’épurations serviront à la productions d’huile issue d’algues. Ces algues épurent l’eau, produisent de l’huile et une biomasse végétale . Les algues microscopiques sont capables de "synthétiser 10 fois à 100 fois plus d’huile à l’hectare que les plantes terrestres oléagineuses (huiles de palmes 6000 l/ha, utilisées pour la fabrication d’agrocarburants". (Ennesys, Nanterre ; ExxonMobil, Paris).

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