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1°ES/L_Thème 3_LE DEFI ENERGETIQUE chapitre 2_Energie : conversion, gestion et utilisation

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ENERGIE : CONVERSION, GESTION ET UTILISATION

Dans le chapitre précédent, nous avons pu voir que face à la demande toujours croissante en

énergie, l’Homme dispose de plusieurs ressources énergétiques.

Comment ces ressources sont-elles converties en énergie ?

Comment alors optimiser la gestion et l’utilisation de l’énergie ?

Nous allons, ici, tenter de répondre à ces questions en identifiant les différentes formes d’énergie qui

peuvent intervenir au cours de l’exploitation d’une ressource. Puis, dans un second temps, nous essayerons de

comprendre la nécessité de stocker, transporter l’énergie produite sans omettre tous les inconvénients liés à

l’utilisation d’énergie.

I. Utilisation des ressources énergétiques disponibles.

1. Les combustibles fossiles.

1. Quel est le rôle principal de ce type de centrale ?

2. 80 % de la production mondiale d’énergie se fait

par ce type de centrale.

Quelle ressource peut-on utiliser dans cette

centrale et quel type de réaction subit-elle ?

Etablir la réaction chimique associée à cette réaction.

3. Préciser deux inconvénients de ce type de centrale.

4. Quel fluide fait tourner la turbine et quels sont les deux changements d’état qu’il subit ?

Document 1 : Conversion d’énergie dans une centrale thermique à flamme


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5. Compléter la chaîne énergétique mise en jeu dans cette centrale thermique à flamme.

6. Pourquoi les centrales thermiques sont-elles construites en bord de rivière ou de mer ?

7. La chaudière brûle 50 tonnes de fioul par heure. Quelle masse m de fioul est consommée en une seconde ?

8. La puissance reçue par cette centrale (issue combustible) est de 560 MW. A la sortie, la puissance disponible est

de 250 MW. Déterminer le rendement de cette centrale. Commenter.

Rq : * Les ressources renouvelables (hydraulique, géothermie, biomasse, éolien, solaire) représentent uniquement 10 % de la

consommation énergétique mondiale (dont 9 % pour la biomasse et 3 % pour l’hydraulique).

2. L’énergie nucléaire.

80 % de la production électrique en France provient de l’………………………… .

http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/la_radioactivite/la_reaction_en_chaine

1. Quel type de réaction se produit dans le

réacteur d’une centrale nucléaire ?

Associer la bonne réaction A ou B en justifiant

par rapport au numéro atomique Z.

……………

…. ……………… ……………

…………

……………

….

Documents 2 :

Réactions nucléaires et Centrale nucléaire

Réaction A : n1

0 + U235

92 → Sr94

38 + Xe140

54 + 2 n1

0

Réaction B : H2

1 + H3

1 → He4

2 + Sr94

38 + γ

http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/la_radioactivite/la_reaction_en_chaine


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2. Qu’engendrent ces réactions et que se passe-t-il alors dans le circuit primaire puis dans le circuit secondaire ?

3. Que permet alors la vapeur du circuit secondaire ? A quoi sert l’alternateur ?

4. Compléter la chaîne énergétique mise en jeu dans cette centrale nucléaire.

5. Peut-on parler de centrale thermique ?

6. Préciser la composition de l’uranium 235 qui réagit dans la réaction A et dire ce que représente la particule n1

0 ?

7. D’après la réaction A : - qualifier le noyau d’uranium 235 ?

- quelle est la conséquence de la libération de 2 (ou 3) neutrons ? Faire un schéma.

8. Comment se prémunir, dans une centrale, contre les risques d’explosion liés à une trop grande libération de

chaleur mis en évidence avec la notion de réaction en chaîne ?

……………

….

……………

…………

……………

….

……………

…………


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9. Dans la nature, on trouve principalement de l’uranium 238, pourtant inutile dans une centrale nucléaire.

Donner sa représentation symbolique et préciser sa relation avec l’uranium 235 et leur différence.

10. Comment qualifier la réaction B ? Où se produit-elle ?

11. 1 gramme d’uranium 235 libère une énergie de 7,5.1010 J alors qu’1 gramme de tritium ( ) libère 56.1010 J.

Déterminer le rapport de l’énergie libérée par chacune de ces réactions nucléaires et commenter.

Répondre aux questions de l’annexe 1 (pages 9 et 10) sur une feuille à part hormis pour la dernière question.

Inconvénients de l’énergie nucléaire provenant des réactions de fission :

Rq : * Dans le Soleil, il se produit aussi des réactions nucléaires mais elles sont dites de fusion : des noyaux légers

s’additionnent pour donner des noyaux plus lourds en libérant de l’énergie lors de l’association. Ce type de réaction présente le

double avantage de : - libérer plus d’énergie que la réaction de fission,

- de ne pas former de produits radioactifs.

C’est pourquoi l’Homme effectue des recherches sur ce mécanisme (programme ITER dont les premiers résultats exploitables

sont attendus pour 2020) afin de le maîtriser pour produire toujours plus d’énergie avec le moins d’inconvénients possible.


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II. Optimisation de la gestion et de l’utilisation de l’énergie.

1. Transporter l’énergie.

Production mondiale de pétrole en 2008

(en millions de barils/jour)

Consommation mondiale de pétrole en 2008

(en millions de barils/jour)

Arabie saoudite 10,782 Etats-Unis 19,498

Russie 9,79 Chine 7,831

Etats-Unis 8,514 Japon 4,785

Iran 4,174 Inde 2,962

Chine 3,973 Russie 2,916

Canada 3,35 Allemagne 2,569

Mexique 3,186 Brésil 2,485

Emirats Arabes Unis 3,046 Arabie saoudite 2,376

Koweït 2,741 Canada 2,261

Venezuela 2,643 Corée du Sud 2,175

Norvège 2,466 Mexique 2,128

Brésil 2,402 France 1,986

Irak 2,385 Iran 1,741

Algérie 2,18 Royaume-Uni 1,71

Nigéria 2,169 Italie 1,639

Production mondiale de gaz

(en milliards de m3)

Consommation mondiale de gaz

(en milliards de m3)

Etats-Unis 582,2 Etats-Unis 657,2

Russie 601,7 Russie 420,2

Canada 175,2 Iran 117,6

Iran 116,3 Canada 100,0

Norvège 99,2 Royaume uni 93,9

Algérie 86,5 japon 93,7

Arabie Saoudite 78,1 Allemagne 82,0

Qatar 76,6 Chine 80,7

Chine 76,1 Arabie saoudite 78,1

Indonésie 69,7 Italie 77,7

Royaume-Uni 69,6 Mexique 67,2

Pays-Bas 67,5 Ukraine 59,7

Turkménistan 66,1 Emirats Arabe Unis 58,1

Malaisie 62,5 Ouzbékistan 48,7

Ouzbékistan 62,2 France 44,2

1. En comparant ces différents tableaux, expliquer la nécessité de transporter de l’énergie.

2. Donner les différents modes de transport utilisés pour le gaz et le pétrole.

Document 3 : Pourquoi et comment transporter l’énergie ? D’après www.planete-energies.com

http://www.planete-energies.com/


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3. A l’intérieur d’un pays, quel mode simple de transfert d’énergie présentant un minimum de pertes est

privilégié ?

Rq : * On préfère le transport d’énergie par l’électricité pour plusieurs raisons :

- la production d’électricité est permise par toutes les ressources (solaires, éolien, centrale à combustion, centrale

nucléaire, centrale hydraulique ...) et elle s’impose alors dans tous les usages : informatique, audiovisuel,

télécommunications, appareils médicaux, voitures électriques, train … ,

- son transport est propre et sans bruit,

- l’utilisation de lignes à électriques à très haute tension permet de limiter les pertes d’énergie sous forme de

chaleur (effet Joule).

* Sur le réseau électrique, consommation et production doivent être égales à chaque instant pour éviter les « délestages »

ou arrêts d’approvisionnement en électricité.

2. Stocker l’énergie.

1. Pourquoi est-il indispensable de stocker l’énergie ? Peut-on le faire sous sa forme électrique ?

2. Dans chacune des photographies, indiquer sous quelle forme est stockée l’énergie ?

3. Quel est l’avantage des centrales hydroélectriques par rapport aux centrales thermiques ?

4. Sous quelle forme est stockée l’énergie dans un véhicule automobile à moteur thermique ?

Ci-contre, de gauche

à droite un ressort

d’horlogerie, un tramway

à air comprimé, un

barrage :

Documents 4 : Comment stocker l’énergie ?


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Autres exemples de stockages de l’énergie :

A. La pile à combustible.

Une pile à combustible consomme du dihydrogène (H2) et du dioxygène (O2) présents dans deux compartiments

différents. Mis en contact, ces gaz réagissent pour libérer de l’énergie électrique et thermique en ne rejetant que de l’eau (H2O) !

Le dihydrogène n’existe pas à l’état brut dans la nature, il doit être produit industriellement en apportant de l’énergie. Il peut

ensuite être stocké (stockage chimique) avant d’alimenter la pile à combustible d’une voiture par exemple. 1 g d’essence fournit la

même énergie que 0,343 g de dihydrogène.

En quoi le dihydrogène peut-il être considéré comme un système de stockage de l’énergie ?

B. L’accumulateur électrochimique.

L’accumulateur électrochimique, comme une pile ou un générateur, transforme de l’énergie chimique en énergie

électrique par une transformation chimique. A la différence d’une pile, il est en outre rechargeable par électrolyse. Le stockage de

l’énergie se fait donc sous forme chimique.

Dans un accumulateur, lors de quelle phase de fonctionnement est stockée l’énergie ?

3. L’effet de serre.

D’après Bordas 1ère L Edition 2007 Collection Lizeaux Baude

L’effet de serre est un phénomène naturel lié à la présence dans

l’atmosphère de gaz qui permettent à la Terre de garder une température

moyenne de 15°C. Sans lui, cette température serait de -18 °C, ce qui

n’aurait pas permis le développement de la vie.

La plus grande partie du rayonnement solaire traverse l’atmosphère pour

réchauffer la surface du globe, puis la Terre, à son tour, réémet cette

énergie sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz à effet de serre

(GES) piègent une partie de ce rayonnement et le renvoient vers la surface

de la Terre. En agissant de manière analogue aux vitres d’une serre, les

GES réchauffent l’atmosphère.

L’utilisation importante de combustibles fossiles depuis le début de l’ère industrielle a engendré une forte augmentation des rejets

de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Ces rejets ont eu pour conséquence d’amplifier l’effet de serre. L’augmentation de cet

effet de serre provoque :

une élévation de la température de la planète,

une évaporation plus importante de l’eau de mer,

une fonte accélérée des glaciers, qui conduit à une augmentation du niveau de la mer et à une

inondation des régions côtières.

Animation : http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=geo-0068-2

Document 5 : Les impacts environnementaux des énergies : l’effet de serre

Energie chimique,

électrique, … Energie chimique Energie électrique formation de H2 pile à combustible

Energie chimique pile

électrolyse

Energie électrique

http://www.biologieenflash.net/animation.php?ref=geo-0068-2


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1. Quel est le principe de fonctionnement d’une serre ?

2. Quelle est la conséquence principale de l’effet de serre pour la planète ? Qu’en découle-t-il ?

3. Peut-on faire une analogie entre la Terre et une serre ?

4. Quels sont les principaux gaz à effet de serre ? D’où proviennent-ils ?

5. Comment diminuer l’effet de serre dû aux activités humaines ?

Rq : Une prise de conscience est donc nécessaire et des mesures sont déjà mises en place (pots catalytiques des

voitures, surveillance qualité de l’air, limitation de la vitesse des automobiles et de l’activité industrielle l’été,

incitations financières avec la mise en place de bonus pour des équipements de type A …)

Compétences exigibles

- Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les transformations d’énergie en termes de conversion.

- Identifier les ≠ formes d’énergie intervenant dans une centrale thermique à combustion fossile ou nucléaire.

- Interpréter l’équation d’une nucléaire en utilisant la notation symbolique du noyau .

- A partir d’exemples donnés d’équation de réactions nucléaires, distinguer fission et fusion.

- Exploiter les informations d’un document pour comparer : les énergies mises en jeu dans des réactions

nucléaires et dans des réactions chimiques / l’utilisation de différentes ressources énergétiques.

- Rechercher et exploiter des informations pour comprendre : la nécessité de stocker et de transporter

l’énergie / l’utilisation de l’électricité comme mode de transfert de l’énergie / la problématique de la gestion

des déchets radioactifs.

- Analyser une courbe de décroissance radioactive.

- Faire preuve d’esprit critique : discuter des avantages et des inconvénients de l’exploitation d’une

ressource énergétique, y compris en terme d’empreinte environnementale.


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http://www.andra.fr/pages/fr/menu1/les-dechets-radioactifs/la-radioactivite-7.html

et la radioactivité expliquée pour tous ; Yves Heuillard (www.ddmagazine.com )

Document 1 : La radioactivité

Dans la nature, la plupart des noyaux des atomes (constituant la matière) sont stables.

Les autres sont instables : ils présentent un excès de particules (protons ou neutrons ou les

deux) qui les conduit à se transformer (par désintégration) en d’autres noyaux (stables ou

non). On dit alors qu’ils sont radioactifs car, en se transformant, ils émettent des rayonnements

dont la nature et les propriétés sont variables (rayonnements alpha, beta, gamma).

Certains corps radioactifs émettent un rayonnement d’une nature voisine des rayons

X utilisés en radiologie, ce sont des rayons gamma, appelés aussi photons gamma. Ils sont

très pénétrants c’est-à-dire qu’il faut des épaisseurs de béton de plusieurs mètres pour les

arrêter.

D’autres émettent des électrons qui ne parcourent que quelques centimètres dans l’air ; ce sont

les rayons bêta, on dit aussi particules bêta.

D’autres enfin émettent un groupe de deux neutrons et deux protons (on appelle ça un hélion) ;

ce sont les rayons alpha, appelés aussi particules alpha. Ils sont arrêtés par une simple feuille

de papier.

Certains corps radioactifs, par exemple du minerai d’uranium, émettent plusieurs types de rayonnement à la fois.

La radioactivité n’a pas été inventée par l’homme. Elle fait partie de l’environnement naturel, aussi bien dans

l’écorce terrestre que dans l’air, le corps humain, ou les aliments. Depuis sa découverte par Henri Becquerel, à la fin du

XIXème

siècle, ses propriétés sont utilisées dans de nombreuses applications industrielles, militaires, médicales, de

recherche… Le niveau de radioactivité, appelé activité, se mesure en becquerel (de symbole Bq). Il correspond au nombre

d’atomes qui se désintègrent par unité de temps (la seconde).

Document 2 : Niveau d'activité et durée de vie

La durée de vie des radionucléides (durée pendant

laquelle les noyaux instables émettent des

rayonnements), est très variable, d’un noyau à l’autre.

On appelle période radioactive (ou demi-vie) le

temps au bout duquel une matière radioactive perd

naturellement la moitié de sa radioactivité. Ainsi au

bout de 10 périodes radioactives, la radioactivité d’un

produit est divisée par 1 000.

Document 3 : Quelques exemples d’activités

Le tableau ci-dessus donne des exemples d'activités pour 1 gramme de matière (iode 131, césium 137, plutonium

239 et uranium 238).

Radioélément Période Activité par gramme de

radioélément (Bq)

Iode 131 8 jours 4,6 millions de milliards de Bq

Césium 137 30 ans 3 200 milliards de Bq

Plutonium 239 24 000 ans 23 milliards de Bq

Uranium 238 4,5 milliards d'années 12 300 Bq

Annexe 1 : Quels déchets pour les centrales thermiques nucléaires ?

http://www.andra.fr/pages/fr/menu1/les-dechets-radioactifs/la-radioactivite-7.html

http://www.ddmagazine.com/

http://www.andra.fr/pages/fr/menu1/les-dechets-radioactifs/la-radioactivite/les-rayonnements-60.html


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Document 4 : Gestion des déchets radioactifs

Cycle du combustible nucléaire

En France, après 3 à 5 ans de stockage dans une piscine, le temps

de laisser décroitre l’activité des produits de fission, le combustible usé

d’une centrale nucléaire contient environ 95% d’uranium réutilisable s’il

est retraité. Les déchets ultimes sont les produits restants, non retraitables et

hautement dangereux.

La vitrification des déchets : Des recherches sont en cours pour le

stockage des déchets ultimes dans des couches argileuses profondes. Le

principal problème est de garantir une totale étanchéité sur une durée

extrêmement longue (plusieurs centaines voire milliers d’années).

Actuellement, ces déchets sont vitrifiés et stockés e France en surface dans

des conteneurs (ou, jusqu’en 2010 exportés pour être stockés en Russie).

Certains pays retraitent leurs déchets en France (usine de la Hague) qui les

récupèrent pour les stocker.

Classification des déchets radioactifs français et leur devenir :

La majeure partie (95%) de la radioactivité totale des déchets radioactifs est liée à la production

d’électricité, même si ces déchets représentent un faible volume.

Demi-vie très courte Demi-vie courte Demi-vie longue

T < 100 jours T < 31 ans T > 31 ans

Très faible activité

< 100 Bq/g

gérés sur place par

décroissance radioactive

stockés sur place

Faible activité

< 105 Bq/g

stockés sur place

centre de stockage à faible

profondeur (15 à 200m) à l’étude

Moyenne Activité

< 106 Bq/g

centre de stockage profond

(500 m) à l’étude

Haute activité

> 106 Bq/g

centre de stockage profond (500m) à l’étude.

Des clefs pour comprendre :

1- Définir l’activité d’un échantillon et préciser son unité.

2- Quelles protections permettent d’éviter les dommages dus aux composés radioactifs ?

3- Qu’est-ce que la demi-vie d’un noyau radioactif ?

4- Soit N0 est le nombre de noyaux radioactifs initial.

Combien reste-t-il de noyaux au bout d’une durée égale à une période ? deux périodes ? trois périodes ?

Application :

5- Le nuage radioactif rejeté les 25 et 26 avril 1986 par le réacteur 4 de la centrale de Tchernobyl, en Ukraine,

avoisinait une activité de 2.1018

Bq. Il contenait notamment de l’iode 131.

Calculer la valeur de l’activité du nuage radioactif au bout de 8 jours ? de 24 jours ?

6- Le traitement de déchets radioactifs élimine-t-ils toujours tous les déchets ?

7- Quelles sont les deux caractéristiques des déchets radioactifs qu’il importe de prendre en compte pour leur

gestion ?

8- Discuter les problèmes posés par la gestion des déchets radioactifs.

9- En conclusion, résumer les inconvénients des réactions de fission sur votre cours.