Thème : Le défi énergétiqueChapitre 4. Besoins et ressources énergétiques

La consommation mondiale d’énergie est dix fois plus importante aujourd’hui qu’au début du XXème siècle. En effet, notre mode de vie actuel nous rend très dépendants de l’énergie, en particulier de celle provenant de ressources énergétiques non renouvelables. Mais celles-ci s’épuisent…Quatre grands secteurs d’activités humaines se partagent l’énergie consommée pour produire de la chaleur, de l’électricité et se déplacer : l’industrie, les transports, l’agriculture et les usages domestiques et tertiaires.

I. L’énergie (activités 1 à 3)

1. Un concept universel

L’énergie représente la capacité d’un système à se déplacer, à se déformer, à s’échauffer ou à refroidir, à changer d’état, à se transformer, à émettre un rayonnement,… L’énergie fait appel à des ressources très variées. L’énergie se présente sous des formes très différentes.

2. Les différentes formes d’énergie

L’énergie mécanique peut être accumulée dans un « réservoir ». Elle existe sous deux formes :- L’énergie cinétique d’un système est l’énergie que possède ce système du fait de son

mouvement, donc de sa vitesse : l’eau en bas d’une chute possède de l’énergie cinétique.- L’énergie potentielle d’un système est liée aux positions relatives de ses parties. L’eau en

haut d’une chute ou celle retenue dans un barrage possède de l’énergie potentielle de pesanteur du fait de son altitude.

L’énergie chimique est une énergie potentielle microscopique, stockée dans les liaisons chimiques entre atomes. Les piles ou les végétaux stockent de l’énergie chimique. L’énergie nucléaire est associée aux nucléons, particules (protons et neutrons) du noyau de l’atome. Le soleil est un réservoir d’énergie nucléaire ; comme le sont toutes les étoiles. L’énergie rayonnante lumineuse est transportée par la lumière. L’émission d’énergie rayonnante par le soleil est au cœur du phénomène de la photosynthèse et du cycle naturel de l’eau sur Terre. L’énergie rayonnante est une énergie de transfert. L’énergie thermique d’un corps est l’énergie cinétique d’agitation microscopique et désordonnée des molécules et des atomes de ce corps. L’énergie thermique est une énergie de transfert. L’énergie électrique est l’énergie de transfert associée au passage d’un courant électrique dans un conducteur.

3. Puissance et énergie

La puissance nominale d’un appareil est la puissance consommée dans des conditions normales de fonctionnement. Elle est exprimée en Watts (W).

Elle est de l’ordre de : - 10 W pour un lecteur MP3- 100 W pour un téléviseur- 1000 W pour un four- 1 MW pour la motrice d’un TGV. - 2600 MW pour la puissance produite par la centrale nucléaire de Flamanville.

Pour qu’un appareil consomme de l’énergie, il faut bien sûr qu’il fonctionne.La relation entre Puissance et Energie pendant une durée de fonctionnement t est :

E=P× ∆ t

Dans cette relation, l’énergie E est exprimée en Joule (J), la puissance en Watt (W) et t en seconde (s).

Ce sont les unités du système international, mais elles ne sont pas adaptées à nos besoins énergiques.On peut donc aussi exprimer l’énergie en kWh, la puissance en kW et la durée en heure.

1kWh = 3,6x106 Joules

Remarque   : On utilise également comme autre unité d’énergie : la tep (tonne équivalent pétrole). Elle correspond à l’énergie obtenue lors de la combustion d’une tonne de pétrole (1 tep = 11 628 kWh).

II. De l’énergie pour combien de

temps   ? 1. Les besoins énergétiques

a. A l’échelle mondialeLes activités humaines requièrent de plus en plus d’énergie. Ceci s’explique par

l’augmentation de la population mondiale le développement économique et industriel

des pays émergents l’apparition de nouveaux modes de vie.

L’inégalité à l’échelle du globe reste importante. En effet, si l’Amérique du nord et l’Europe ont consommé en 2009 quasiment la moitié de la production énergétique mondiale alors que l’Afrique et l’Amérique du sud en ont consommé seulement 3% et 5%.

Avec une croissance de la demande énergétique de 1,5% par an entre 2007 et 2030, les prévisionnistes envisagent un doublement, voire un triplement de la consommation énergétique mondiale d’ici 2050.

L’énergie reste un enjeu, un défi.b. En France

Doc 1   : Evolution de la consommation énergétique en France, par secteur d’activité (en donnée brute ou %).

Les secteurs d’activités ayant consommé le plus d’énergie en France en 2009 sont le résidentiel (44%) et les transports (32%).La consommation énergétique totale est de 1808 TWh en France en 2009, soit 1808000000000000 Wh !

c. A la maison (activité 4)

2. D’où provient l’énergie que nous consommons ? (activité 5)

A l’exception de la géothermie et de l’énergie nucléaire, c’est le Soleil qui est à l’origine des ressources énergétiques que l’homme utilise. En effet, la Terre reçoit par rayonnement environ 9000 fois plus d’énergie que ce que consomme actuellement toute l’humanité.Cette énergie permet la formation de matières végétales puis animales. Cela a donné du pétrole, du gaz et du charbon. En faisant s’évaporer l’eau de mer, le soleil entretient le cycle de l’eau qui permet d’avoir des ressources énergétiques d’origine hydraulique.Les vents et l’énergie éolienne existent grâce aux différences de température dans l’atmosphère provoquées par le Soleil. Le rayonnement solaire s’exploite directement grâce aux technologies solaires thermique et photovoltaïque.La géothermie exploite l’énergie thermique du sous-sol. La Terre a accumulé une partie de cette énergie durant sa formation, le reste provient à 90% de la radioactivité naturelle du manteau et de la croute terrestre.Le nucléaire utilise les minerais d’uranium présent dans le sous-sol.

- Les ressources renouvelables sont exploitables sans limite de durée à l’échelle humaine. Elles proviennent de sources inépuisables ou renouvelables à l’échelle de la vie humaine. - Toutes les autres sont des ressources non renouvelables.

3. Utilisation de l’uranium dans les centrales nucléaires

L’uranium de symbole U est le 92ème élément de la classification périodique. Il existe 3 isotopes naturels de l’uranium : U92

234 , U92235 , et U92

238 .

Rappels : Le noyau de l’atome de symbole X est représenté par : XZ

A avec A : le nombre de nucléons et Z le nombre de charge ou numéro atomique. On appelle isotopes, des atomes dont les noyaux ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents. Pour les nommer, on ajoute à leur nom le nombre de nucléons de leur noyau.Ils ont le même numéro atomique Z mais des nombres de nucléons A différents.Ils ont les mêmes propriétés chimiques.

Tous les isotopes de l’uranium sont radioactifs, mais seul l’isotope 235 est fissile, c’est-à-dire susceptible de donner des réactions de fission nucléaire. ( notion étudiée dans le chapitre suivant)

L’uranium U92238 représente 99,3% de l’uranium naturel. Il faut donc l’enrichir en U92

235 avant de l’utiliser en centrale nucléaire. La fission nucléaire dégage de l’énergie thermique qui sert à produire de la vapeur d’eau, laquelle entraine une turbine. Un alternateur, relié à la turbine, génère de l’électricité.

4. Du pétrole à son utilisation

Le pétrole brut est un mélange de très nombreux hydrocarbures qui sont des molécules composées d’atomes de carbone et d’hydrogène. Ces différents produits sont séparés par distillation fractionnée dans une raffinerie. (activité 6)Le pétrole y est chauffé entre 350 °C et 400°C puis injecté dans la tour. Les différents constituants se condensent plus ou moins dans la tour en fonction de leur température d’ébullition, celui ayant la température d’ébullition la plus basse étant récupéré en haut de la tour.

Compétences visées sur ce Chapitre   : Exploiter des documents et/ou des illustrations expérimentales pour mettre en évidence différentes formes d’énergie. Connaitre et utiliser la relation liant puissance et énergie Rechercher et exploiter des informations sur des appareils de la vie courante et sur des installations industrielles pour porter un regard critique sur leur consommation énergétique et pour appréhender des ordres de grandeur de puissance. Identifier différentes formes d’énergie et savoir si une ressource est renouvelable ou non Rechercher et exploiter des informations pour :- associer des durées caractéristiques à différentes ressources énergétiques ;- distinguer des ressources d’énergie renouvelables et non renouvelables ;- identifier des problématiques d'utilisation de ces ressources. Utiliser la représentation symbolique XZ

A pour distinguer les isotopes. Mettre en œuvre un protocole pour séparer les constituants d’un mélange de deux liquides par distillation fractionnée.