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L Energie en 2050

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Lnergie en 2050Nouveaux dfis et faux espoirs

Bernard Wiesenfeld

SCIENCES17, avenue du Hoggar Parc dactivits de Courtabuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A. France

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ISBN : 2-86883- 818-9Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous procds, rservs pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n'autorisant, aux termes des alinas 2 et 3 de l'article 41, d'une part, que les (( copies ou reproductions strictement rserves l'usage priv du copiste et non destines une utilisation collective D, et d'autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d'exemple et d'illustration, (( toute reprsentation intgrale, ou partielle, faite sans le consentement de l'auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite )) (alina le* de l'article 40). Cette reprsentation ou reproduction, par quelque procd que ce soit, constituerait donc une contrefaon sanctionne par les articles 425 et suivants du code pnal.

O EDP Sciences 2005

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reIntroduction : nergie et activit humaine .................... Partie I Les composantes de l'nergie ................................Chapitre 1 :Notion d'nergie ...............................................................1.1. Qu'est-ce que l'nergie ? .......................................................................... 1.2. diffrentes formes d'nergie ............................................................. Les 1.2.1. Energie libre ....................................................................................... 1.2.2. transformations de l'nergie libre ............................................. Les 1.2.3. Energie stocke ................................................................................. 1.3. Energie et matiere ..................................................................................... 1.3.1. Structure de la matire ..................................................................... 1.3.2. fermions ...................................................................................... Les 1.3.3. bosons ......................................................................................... Les 1.3.4. L'antimatire ..................................................................................... 1.3.5. naissance de l'univers ................................................................. La 1.3.6. thorie de Tout ............................................................................. La 1.4. mesure de l'nergie ............................................................................. La 1.5. systmes nergtiques ...................................................................... Les 1.5.1. Energies primaires ............................................................................ 1.5.2. nergies secondaires (ou vecteurs nergtiques) .......................... 1.5.3. Energie finale ..................................................................................... 1.6. L'nergie lectrique .................................................................................. 1.6.1. Spcificit de l'nergie lectrique .................................................... 1.6.2. Modes de production de l'lectricit ............................................... Chapitre 2 :Les nergies non renouveiabies ................................ 2.1. nergies fossiles ................................................................................ Les 2.1.1. Gnralits ........................................................................................ 2.1.2. centrales thermiques ................................................................. Les..

9 13 15 15 16 16 19 2128 2 9 29 30 30 31 32

36 37 37 39 4 0 41 41 42 45 45 45 49

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6

L 'nergie en 2050

2.2. L'nergie nuclaire .................................................................................. 2.2.1. Gnralits ....................................................................................... 2.2.2. centrale lectro-nuclaire ........................................................... La 2.2.3. L'origine des premires applications de l'nergie nuclaire ........ 2.2.4. Nuclaire et environnement ............................................................

54 54 62 72 79 8587

Chapitre 3 ;Les nergies renouvelables ........................................3.1. L'hydraulique ............................................................................................ 3.1.1. Description des principaux composants d'une centrale de lac ..... 3.1.2. L'amnagement du barrage chinois des Trois-Gorgessur le Yang Ts Kiang .......................................................................

89 91 91 91 95 101 101 104 108 109 111 112 112 114 117 118 118 122 129 129 130 132 135 138 139 139 139 139 141

3.2. solaire .................................................................................................. Le 3.2.1. Soleil et nergie ................................................................................ 3.2.2. L'lectricit solaire ........................................................................... 3.3. L'olien ..................................................................................................... 3.3.1. L'origine du vent ............................................................................... 3.3.2. Principe de fonctionnement d'une olienne .................................. 3.3.3. carte des vents et le potentiel olien ........................................ La 3.3.4. Eolien et environnement .................................................................. 3.3.5. oliennes dans le monde (anne 2000)................................. Les 3.4. biomasse ............................................................................................. La 3.4.1. vgtaux ..................................................................................... Les 3.4.2. dchets organiques ................................................................... Les 3.4.3. conclusion ................................................................................... En 3.5. gothermie .......................................................................................... La 3.5.1. Origine de la chaleur terrestre ........................................................ 3.5.2. production d'lectricit par la gothermie ................................ La

Chapitre 4 :L'hydrogne e t la pile combustible .....................4.1. problmatique des transports routiers .............................................. La 4.1.1. carburants alternatifs ............................................................... Les 4.1.2. nouvelles technologies ............................................................. Les 4.2. Principe de la pile a combustible (PAC) .................................................. 4.3. Principaux types de piles combustible ................................................ 4 4Perspectives industrielles ........................................................................ .. 4.4.1. centrales lectriques ................................................................. Les 4.4.2. centrales cognration .......................................................... Les 4.4.3. transports ................................................................................... Les 4.4.4. L'exemple islandais ..........................................................................

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Table des matires

..................142 142 143 147 151

7

4.4.5. La pile a combustible et la concurrence internationale

4.5. L'hydrogne : un vecteur energtique d'avenir ...................................... 4.5.1. Production de l'hydrogne ................................................................ 4.5.2. Transport et stockage de l'hydrogne

.............................................

Partie II nergie et dveloppement durable ..................Chapitre 5 ;Dveloppement durable et politiques nergtiques ..........................................5.1. Le concept de dveloppement durable

153 153 153 155 157 157 158 162 163 166 168 169 172 175 176 177 178

................................................... 5.1.1. Introduction au dveloppernent durable .........................................5.1.3. Les indicateurs de la durabilit(( ))

5.1.2. Dfinition du concept de dveloppernent durable .........................

...................................................

5.1.4. Les enjeux du dveloppernent durable

...........................................

5.1.5. La Charte de l'environnement .......................................................... 5.2. Rchauffement climatique

....................................................................... 5.2.1. Variation du climat au cours du temps ............................................ 5.2.2. Effet de serre et changement climatique ........................................5.2.3. Aperu des consquences probables d'une augmentation de temprature de 1 a 5,8 " C d'ici a la fin du sicle ................. , 4 5.2.4. Les gaz responsables de l'effet de serre .........................................

5.3. Engagement des pays contre le rchauffement climatique .................. 5.4. Impact sur les politiques nergtiques 5.4.2. La gestion du cycle du carbone 5.4.3. L'volution du mix nergtique

...................................................

5.4.1. La Matrise de l'nergie ....................................................................

................................................................................................................

Chapitre 6 ;Les besoins et les rserves en nergie dans le monde ...................................................................6.1. Les facteurs dterminants de la demande nergtique ........................ 6.1.1. La dmographie ................................................................................ 6.1.2. La croissance conomique et l'intensit nergtique ....................

187 187 191 192 193 194 196 197 197

......................... 6.2.1. L'nergie fossile ................................................................................ 6.2.2. L'nergie nuclaire ........................................................................... 6.3. volution des politiques nergtiques dans le monde .......................... 6.3.1. Gnralits ........................................................................................6.2. Les rserves mondiales en nergie non renouvelables 6.3.2. valuation des besoins en lectricit de la France dans les 50 prochaines annes ......................................................

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L'nergie en 2050

6.3.3. Les perspectives en Europe ............................................................6.3.4. Les perspectives aux USA

204 209

6.3.5. Les perspectives en Asie

................................................................ .................................................................

211217 223 233

Conclusion : nergie et choix de societe ....................... Annexes ..................................................................................................... Index ............................................................................................................

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Introduction

NERGIE/

E7;4CIT/VITEHUMAINELa civilisation technicienne est d'essence universalisatrice Georges Friedmann

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lntroduction

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Rien nest infini. Rien nest ternel. LUnivers est limit dans lespace et dans le temps. LHomme a longtemps cru que la Terre tait infinie et ses ressources illimites.II dcouvre aujourdhui quil vit dans un espace restreint et que la pnurie menace son existence.

LHomme sait depuis toujours que le climat peut perturber son activit.II apprend maintenant que son activit peut provoquer un dsastre climatique.

Cette prise de conscience collective remonte a 1972 lorsque le Club de Rome slve contre la surexploitation des ressources naturelles lie a la croissance conomique et dmographique, et prne la croissance zro. II apparat alors clairement quun dveloppement conomique incontrl est incompatible avec la protection de la plante a long terme. Vingt ans plus tard, la confrence de Rio lgitime le concept de dveloppement durable, qui vise a concilier progrs conomique, dveloppement social et respect de lenvironnement.

***Lobjet de cet ouvrage est de dcrire les diffrentes nergies mises a la disposition de lHomme par la nature et de tenter de dresser le paysage nergtique a Ihorizon 2050. Ce dernier dpend des politiques nergtiques engages dans le monde, qui dfinissent les besoins en ressources.II dpend galement de ltat des rserves dnergie primaire et des exigences en matire de dveloppement durable (conomie dnergie, diminution des dchets, lutte contre le rchauffement climatique...).

La premire partie de louvrage traite des energies et de leurs applications industrielles. Dans le premier chapitre est dfinie la notion dnergie, et sont explicites les diffrentes formes dnergies et les inter-conversions entre elles. Lquivalence entre masse et nergie nous amne a nous intresser de plus pres la matire. Quest-ce que la matire ? Do vient-elle ? Comment sest form lunivers ? Quy avait-il avant le Big Bang ?II est galement voqu les travaux des physiciens a la recherche dune loi unique pour dcrire les phnomnes fondamentaux de la nature. Cest la thorie de Tout, qui nous permettrait par le calcul de remonter le temps jusquau Big Bang.

Les chapitres 2 et 3 dveloppent les nergies primaires mises a la disposition de lhomme et leurs applications industrielles, a savoir les energies non renouvelables (hydrocarbures - gaz, ptrole), le charbon et le nuclaire (uranium, plutonium, thorium) (chap. 2) et les nergies renouvelables (hydraulique, solaire, olien, biomasse et gothermie) (chap. 3). Pour chaque nergie, une explication est donne sur son origine physique : par exemple, sur la formation des gisements dhydrocarbures, ou encore sur lorigine du vent et de la chaleur souterraine.

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L nergieen 2050

La part consacre au nuclaire est importante tant donn la complexit du sujet (il est plus difficile dexpliquer le processus de production de chaleur par la fission nuclaire que par la combustion du bois ou du charbon) et le rle majeur que cette nergie est appele jouer dans les 50 prochaines annes. Un chapitre entier est consacr lhydrogne, qui nest pas une nergie primaire mais un vecteur nergtique, et a son utilisation comme combustible dans la pile a combustible. En effet, lpuisement annonc des rserves dhydrocarbures oblige lHomme a rflchir a des solutions de substitution dans les transports, et lhydrogne peut constituer en ce sens une voie de progrs. La deuxime partie de louvrage traite des relations entre nergie et socit. Dans le chapitre 5 sont dfinis le dveloppement durable, ainsi que la charte de lenvironnement et ses trois grands principes : le principe de prvention, le principe de prcaution et le principe pollueur-payeur. Plusieurs paragraphes sont consacrs au rchauffement climatique, aux gaz a effet de serre et a leurs effets a moyen terme sur les climats de la plante. Quels sont les risques que nous encourons ? Quelles sont les mesures prises par les tats ? Quelles sont les consquences du dveloppement durable sur les politiques nergtiques ? Le chapitre 6 dfinit les besoins en nergie a lhorizon 2050, donne une valuation des reserves en energies non renouvelables et dcrit les volutions des politiques nergtiques dans le monde jusqua 2050, anne de transition vers I>(( aprs-ptrole )>. Enfin, la conclusion fait le point, a la lumire des analyses faites dans louvrage, sur la rpartition souhaitable du mix nergtique, ainsi que sur les politiques qui doivent tre menes afin de lutter efficacement contre le rchauffement climatique et, plus gnralement, de respecter les prceptes du dveloppement durable.

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Partie I

LES COMPOSANTES DEL ~NERGIELa societe tout entire repose sur lindustrie

Saint-Simon

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Notion dnergie1.I. Quest-ce que lnergie ?Tout dans lunivers est nergie. Nous savons en effet depuis le dbut du sicle dernier quil existe une quivalence entre lnergie et la masse. Cette quivalence est formalise par la clbre formule E = mc2 (Albert Einstein, 1905)dans laquelle E reprsente lnergie, m la masse e t c la vitesse de la lumire. Ainsi, sans nergie, pas de matire et sans matire, pas dunivers. Mais quest-ce vraiment que lnergie ? Lnergie est la grandeur qui reprsente la capacit dun systme a produire du mouvement. Dans la notion dnergie, il y a donc non seulement le mouvement lui-mme, mais galement la capacit en crer. Cest un des concepts fondamentaux de la physique, dont lune des proprits est de se conserver, quel que soit le processus physique mis en jeu. II ne peut donc y avoir ni cration, ni disparition dnergie, mais simplement transformation dune

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Lnergie en 2050

forme dnergie en une autre, ou encore transformation de la matire, par transfert dnergie dun systme a un autre. Cest le principe general de conservation de lnergie ou premier principe de la thermodynamique.II existe deux formes dnergie. Lune, lie a la tension, est lnergie stocke. Lautre, appele nergie libre, est associe au mouvement.

Lnergie mcanique, par exemple, se dcompose en une nergie stocke, dite potentielle, et en une nergie libre dite cintique : la pomme sur larbre contient une nergie potentielle, lie sa hauteur, qui se transforme en nergie cintique associe a sa vitesse lorsquelle tombe de larbre. Ainsi, dans sa chute, la pomme perd de la hauteur mais gagne en vitesse et son nergie totale reste constante. Lnergie permet galement, comme il vient dtre dit, de transformer la matire, de crer des substances nouvelles. Ainsi, lorsquon retraite des dchets mnagers, on fabrique de nouveaux produits propres a la consommation. On fabrique par exemple des vtements polaires a partir de bouteilles de plastique recycles (voir 3 3.4.2). De mme, quand nous retraitons le combustible us dune centrale nuclaire, nous fabriquons un nouveau combustible. On rcupre ainsi le plutonium cr dans le racteur nuclaire qui, sans retraitement, serait limin comme dchet. Dans ces deux exemples, le recyclage est une conomie de matire. Cest galement une conomie dnergie.

I.2. Les diffrentes formes dnergie linstar de la pomme, on observe dans la nature diverses formes dnergies qui peuvent sinter-convertir.Parmi ces diffrentes formes, distinguons celles de type libre de celles de type stock.

1 2 I . inergle libre ..Lnergie libre peut se prsenter sous quatre formes diffrentes :- cintique, - thermique, - lectrique, - rayonnante.

1.2.I . 1. nergie cintiqueLnergie mcanique apparat lorsque le systme observ bouge. titre dillustra. reprsente un objet solide en mouvement linaire vers la droite. tion, la figure 1 1 En ralit, si lobjet est en mouvement, cest parce que toutes les molecules qui le composent se dplacent dans la mme direction, dans le mme sens et a la mme vitesse.

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1 - Notion dnergie

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Tous les atomes se dplacent de faon ordonne.Figure 11Objet solide en mouvement linaire. . .

7.2.7.2. h e r g i e thermique (ou chaleur)Supposons que lobjet observe soit un gaz enferme dans une enceinte tanche. Chaque molecule de gaz se dplace de faon dsordonne, heurte dautres molcules sur son passage et rebondit contre les parois de lenceinte. Au niveau du gaz dans son ensemble, lagitation thermique provoque par les mouvements dsordonns des molecules, ainsi que par les vibrations des atomes a lintrieur des molecules, dfinit la temperature du milieu. Ainsi, la chaleur est-elle une manifestation de lnergie cintique. chaque collision, les molecules transmettent de lnergie cintique de proche en proche. Cest le phnomne de propagation de la chaleur. Plus les molecules bougent, plus lagitation thermique du milieu est grande et plus la temperature ambiante est leve. Si les molecules sont inertes, la temperature est thermodynamiquement nulle. On obtient alors le O degr absolu ou O Kelvin (- 273,15degrs Celsius (C)). II nexiste pas de temperature qui lui soit infrieure. Dans le cas dun objet solide, les molecules restent en apparence fixes dans la matire mais les atomes vibrent de faon desordonne a lintrieur des molecules et ce, dautant plus fortement que la temperature est leve.

Tous les atomes vibrent de faon dsordonne a lintrieur des molecules.Figure 1.2. Objet solide immobile a une temprature donne.

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L nergie en 2050

7.2.7.3. fnergie lectriqueCette nergie correspond au dplacement de particules charges lectriquement, appeles lectrons, dans la matire. Un atome est constitu dun noyau autour duquel gravite un cortge dlectrons. Si certains de ces lectrons peuvent schapper de leur atome dorigine et voluer librement dans la matire, on est en prsence dune matire conductrice. Ces lectrons libres pourront tre canaliss pour crer un courant lectrique. Si tous les lectrons du cortge restent lis a latome dorigine, on a affaire a un isolant lectrique. Aucun courant lectrique ne peut alors tre cr.

7.2.7.4. h e r g i e rayonnante (ou rayonnement)II sagit du dplacement de particules de masse nulle, appeles photons, qui sont intimement associes a une onde lectromagntique, visible (lumire) ou invisible (infrarouge, ultraviolet, rayon X, rayon gamma...). Ce couplage entre onde et photon, gnralis aux autres particules (dualit onde-corpuscule),fut mis en vidence par Louis de Broglie, qui reut le prix Nobel de physique en 1929 pour ses travaux sur ce nouvel axe de dveloppement de la physique appel mcanique ondulatoire.

Ces particules de masse nulle se dplacent a la vitesse de la lumire (300 O00 km/s). Le rayonnement contiendra dautant plus dnergie que la frquence de londe associe sera leve. Ainsi, le rayonnement ultraviolet est plus nergtique que le rayonnement visible ou infrarouge et le rayon gamma emmagasine plus denergie que le rayon X. Londe lectromagntique se Caractrise par sa frquence ou par sa longueur donde h , qui est lie a la frquence 2) par lexpression : h = c/u, c reprsentant la vitesse de la lumire. Le tableau suivant donne lordre de grandeur des longueurs donde des principaux types dondes de photons :Tableau 11 Longueur donde des principaux types donde. . .

En-dessousde 10 pm 10 pm 10 nm 0,3 pm 0,4 pm 0,4 pm a 0,7 pm 0,7 pm a 2,5 pm mmm m a km p (pico) : 10-12 m (miiii) : 10-3 n (nano) : 10-9 m (mtre)

Rayon gamma Rayon XUltraviolet Lumire visible

Infrarouge Micro-onde Onde radio

p (micro) : 10-6 k (kilo) : lo3

Remarque : dans le domaine de la radioactivit, on est amen a considrer des rayonnements de particules autres que le photon (appel radioactivit gamma).

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1 - Notion dnergie

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En effet, on considre la radioactivit alpha (rayonnement de noyaux dhlium) et la radioactivit bta (rayonnement dlectrons ou de positons).

1.2.2. Les transformations de /nergie libreLes quatre formes dnergie libre peuvent sinter-convertir grce a des dispositifs appropris, appels convertisseurs dnergie (voir fig. 1.3).Gnrateur Moteur thermique

lectrique radiateur

nergie ELECTRIQUE

Thermocouple

AmpouleRAYONNANTE

0 nergie libre

+ TransformationdnergieConvertisseur dnergie

Figure 1.3. Transformations des energies libres et exemples de convertisseurs dnergie.

Remarque : i nexiste pas de procd industriel convertissant directement le l rayonnement en nergie mcanique bien que le phnomne physique existe (moteur a pression de radiation ou voile solaire). ilen est de mme pour la conversion rciproque.Toutes les nergies libres nont pas le mme niveau de qualit. Certaines sont en effet plus facilement convertibles en dautres formes et sont ainsi considres comme plus nobles. Lorsquun objet se dplace, emmagasinant une nergie mcanique, nous avons vu que toutes les molcules se dplacent de faon ordonne contrairement a lnergie thermique qui impose aux atomes des mouvements dsordonns. Le passage de lnergie mcanique a lnergie thermique peut se faire spontanment (sans apport dnergie) alors que dans le sens inverse il faut disposer dun moteur thermique qui apportera une nergie extrieure au systme.

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L nergie en 2050

Dune manire gnrale, il ne peut y avoir spontanment quune dgradation de la qualit nergtique cest--dire un passage de lordre vers le dsordre. Ceci est un principe fondamental. Le niveau de dsordre dun systme se mesure par son entropie. Plus le dsordre est grand, plus lentropie est leve. Si un systme isol se trouve dans un tat hors dquilibre, il subira forcment une augmentation ultrieure de son entropie. Cest la loi daugmentation de lentropie ou second principe de la thermodynamique, dcouvert par R. Clausius et mis en lumire dans son approche statistique par L. Boltzmann. Lentropie de tous les systmes isols observables dans la nature ne dcrot jamais. Elle augmente ou au mieux, reste constante. En outre, tout processus impliquant des objets macroscopiques peut tre dcompos en processus rversibles et irrversibles. Un processus irrversible saccompagne toujours dune augmentation de Ientropie, et un processus rversible, dune conservation de lentropie. En rsum, toute transformation spontane dune nergie libre en une autre est un processus irrversible qui saccompagne dune augmentation du dsordre, cest--dire de lentropie. La qualit de lnergie se dgrade. Un organisme vivant se caractrise par un niveau dorganisation trs lev, quil maintient par un apport extrieur dnergie (les aliments). Son volution spontane conduit a une augmentation du dsordre, a la destruction de son organisation, cest--dire a la mort. En revanche, la transformation spontane de lnergie potentielle en nergie cintique est un processus rversible. Elle saccompagne du maintien de lordre, donc de lentropie. La qualit de lnergie ne se dgrade pas. Cest le cas du pendule. Lors du mouvement oscillatoire, il y a conversion rciproque de lnergie potentielle, Caractrise par la hauteur du pendule, en nergie cintique caractrise par sa vitesse.

\\

I . -_ -

Vitessec/

Hauteur

Figure 1.4. Conversion dnergie dans le pendule.

Lnergie potentielle est une forme dnergie stocke parmi dautres. Nous allons les dcouvrir maintenant.

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1

- Notion dnergie

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1.2.3. hergie stockeContrairement lnergie libre, lnergie stocke peut, par dfinition, se conserver sur de longues dures en conservant ses qualits intrinsques. Les diffrentes formes dnergie stocke sont : - lnergie potentielle ; - lnergie chimique ; - lnergie nuclaire.

7 2 3 7 nergie potentielle ....Nous lavons dj voque. II sagit dune nergie mcanique stocke dont la forme libre associe est lnergie Cintique. On accumule de lnergie potentielle en faisant travailler une force a contre-sens. En laissant ensuite travailler cette force dans son sens naturel, lnergie potentielle emmagasine est libre :- la pommesur Iarbreemmagasine unenergie potentielledueasa hauteur, quise

transforme en nergie cintique lorsquelle tombe de larbre. La force mise en jeu est le poids de la pomme. On accumule de lnergie potentielleenfaisanttravailler le poids a contre-sens, cest--dire en faisant remonter la pomme sur larbre ;- un ressort tendu, leau retenue derriere un barrage constituent un stock

dnergie potentielle.

nergie potentielle

1nergie cintique

Figure 1.5. Inter-conversion dnergie potentielle et dnergie cintique.

723.2.nergie chimiqueAlors que lnergie potentielle utilise une force lie a la matire (il sagit souvent du poids, comme dans lexemple de la pomme), lnergie chimique met en jeu des forces qui lient les atomes entre eux dans les molcules. On est dans le domaine de la physique de latome, au niveau de son cortege lectronique, ou physique atomique.

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Lnergie en 2050

La reaction chimique consiste donc a modifier les molcules en agissant sur les forces de liaison entre atomes. Cela se traduira soit par une absorption de chaleur (reaction endothermique) soit par un dgagement de chaleur (raction exothermique). Dans ce dernier cas, on aura libr une nergie stocke dans la matire par un processus chimique.

titre dillustration, citons les rserves dnergie chimique stockes dans les mines de charbon ou les rservoirs dhydrocarbures (ptrole ou gaz).Par raction chimique de ces combustibles fossiles avec loxygne de lair, Inergie stocke est libre sous forme de chaleur. Les applications industrielles sont multiples : ptrole raffine pour le fonctionnement dun moteur de voiture (essence) ou davion (krosne), gaz de ville (mthane) pour le chauffage urbain, charbon (lignite, houille) pour la production dlectricit dans une centrale thermique. II est possibledestockertroisdesquatreformesdnergie libre en nergie chimique :- la photochimie (ex. : la photosynthse des plantes -voir

5 3.4.1) permet de stocker en nergie chimique lnergie rayonnante du Soleil ;llectrolyse permet de convertir lnergie lectrique dune batterie daccumulateur en nergie chimique.

- la thermolyse est une synthse chimique stockant lnergiethermique des ractifs ;-

La quatrime nergie libre, lnergie cintique, ne peut pas tre convertie en nergie chimique, mais linverse est possible (ex. : au moyen dun muscle chez lanimal).

nergie CINETIQUE

Batterie Pile

T

Muscle

tectroiyse

chimiluminescent Systme

0

nergie libre nergie stocke Transformation dnergie - Convertisseur dnergie

0

T Inergie

thermolyse

Racteur photochimique Photosynthse

-+

Figure 1.6. Transformations entre nergie chimique et energies libres et exemples de convertisseurs dnergie.

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1 - Notion dnergie

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1 2 3 3 nergie nuclaire ....Lnergienuclaire met enjeu les forces qui lient les nucleonsentreeuxdans les noyaux desatomes. On est dans le domaine de la physique du noyau, ou physique nuclaire. Le noyau dun atome est constitue de nucleons qui sont soit des neutrons (charge lectrique nulle), soit des protons (charge lectrique positive). Si on spare tous les nucleons dun noyau et quon les pse sparment, on constate de faon surprenante que la masse dun noyau est plus faible que la somme des masses des nucleons qui le constituent (voir fig. 1.7). La difference sappelle le dfaut de masse et il est equivalent, daprs la thorie dEinstein dquivalence entre la masse et lnergie, une nergie appele nergie de liaison.

1

1 P :1 o n : neutron

$He:

hlium 4

A M :dfaut de masseFigure 1.7. nergie de liaison dans lhlium.

Les physiciens ont mesure lnergie de liaison moyenne par nucleon AE/A pour lensemble des noyaux des atomes que lon trouve dans la nature, et ils ont abouti des rsultats tonnants. On constate en effet quil y a augmentation du dfaut de masse, cest--dire dgagement de chaleur, lors de la fission (cassure) dun noyau lourd (nombre de masse suprieur 60, correspondant a peu prs au nickel) ou bien lors de la fusion (assemblage) de deux noyaux lgers (nombre de masse infrieur 60). Ces ractions sont exothermiques. A contrario, la fission dun noyau lger et la fusion dun noyau lourd requirent de lnergie : ce sont des reactions endothermiques (voir fig. 1.8). Dans les ractions de fission dun noyau lourd ou de fusion dun noyau lger, une partie de la masse sest transforme en nergie : cest le principe de production dnergie nuclaire, soit par fission des noyaux duranium ou de plutonium dans le cur dune centrale nuclaire en fonctionnement (exemple REP du parc EDF) ou dans lexplosion dune bombe A (exemple dHiroshima ou de Nagasaki), soit par fusion des noyaux de deuterium et de tritium dans un racteur a fusion contrle ou dans lexplosion dune bombe H.

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24

Lnergie en 2050

I

fission

O

noyaux lgers

60

noyaux lourds

A

Figure 1.8. Exemple de ractions exothermiques : la fission dun noyau lourd et la fusion dun noyau lger.

Au sein des toiles, nous avons affaire a une chane de ractions de fusion, qui dmarre par la fusion de deux atomes dhydrogne (ou deux protons) et fait intervenir ensuite la fusion dautresIments(helium 3et4, lithium 7, beryllium 7 etdeutrium).H +H , ,2 1 1 1

1+

H ,3

2

+e + u l +y,He7

O +

H ,,y/% ,%>3

+H ,,He

,He

,He

+ ,He

3

-

+ 2H ,

+4 ,He

-1

,Be + y7

7

,Be7

+- e l1

O -

47 .

3Li + u

3Li + H ,H : proton ; le ,7

-

12,He4

1

O +

: positon ; H : deuterium ; 2) : neutrino ; ,He : helium 3 ; ,He : hlium 4 ; ,0 -

2

3

,Be : beryllium ; y : rayonnement gamma ; - e l

: lectron ; 3 L ~ lithium 7 :

. .

Au total. on obtient : 41H + 2-

O, e

+

:He

+ 2 u + 27

MeV*

(*) MeV = Mga lectron-Volts (millions dlectron-Volts).

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1

~

Notion dnergie

25

Llectron-volt est une unit dnergie gaie lnergie acquise par un lectron subissant une variation de potentiel de 1voit.

1 = 1,6.10-19 eV Joule.Pour raliser la raction de fusion de deux noyaux, qui ont tous deux une charge positive, il faut vaincre la barrire de repulsion lectrique afin de les rapprocher suffisamment lun de lautre. Une solution consiste a dtruire la structure de latome en crant un nouvel tat de la matire, appel plasma, par augmentation de la temprature du milieu audela de cent millions de degrs Celsius. Ce quatrime tat de la matire aprs les tats solide, liquide et gazeux, est constitu dlectrons libres (le cortge lectronique a t dtruit par lagitation thermique intense) et de noyaux qui, anims de trs grandes vitesses, peuvent fusionner par collision.

ce jour, la fusion contrle nest pas matrise et il est encore ncessaire de rsoudre des problmes technologiques complexes avant datteindre le stade du prototype industriel, qui nest pas attendu avant plusieurs dcennies.Les recherches les plus avances ont t menes jusqua prsent sur les installations Jet a Culham (Angleterre) et Tore Supra a Cadarache (France). Ces installations, appeles Tokamak (acronyme russe signifiant chambre magntique torodale )>),ont pour objectif de maintenir a une temprature suprieure a 100 millions de degrs un plasma confine dans un champ magntique annulaire cr par un lectroaimant supraconducteur (voir fig. 1.9-a).((

Cest le procd de fusion par confinement magntique. Un autre procd de fusion, qui fait lobjet dtudes en laboratoire, consiste a irradier trs rapidement avec de puissants faisceaux laser, une microbille contenant un mlange a forte concentration de deutrium et de tritium, enrobe dun ablateur (voir fig. 1.9-b). Lorsquil est irradi par le faisceau laser, Iablateur chauffe puis est ject en induisant une raction qui comprime la cible (implosion). Cest le procd de fusion par confinement inertiel. Le programme ITER constitue la prochaine tape sur la voie de la fusion contrle par confinement magntique : il sagit de raliser et de contrler la combustion autoentretenue dun plasma de deutrium et de tritium dgageant une puissance de 500 MW sur une priode de plus de 400 secondes et de qualifier les technologies ncessaires la conception dun futur racteur fusion. Le site de Cadarache, en comptition avec le site japonais de Rokkasho-Mura, a t finalement choisi en juin 2005 pour accueillir linstallation ITER. Sa construction durera dix ans et son exploitation une trentaine dannes, pour un investissement total de dix milliards deuros, soit plus de trois fois le prix dun racteur nuclaire de type EPR. Si lexprience savre concluante, on pourra alors envisager la construction dun prototype de racteur a fusion dont la fonction sera de rcuprer la chaleur de fusion dans la couverture tritigne au lithium entourant le plasma, pour produire de la vapeur (voir fig. 1.10).

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26Bobines magntiques torodales

L 'nergie en 2050

\

Bobines magntiques polodales

Plasma D-T

\

Bobine magntique centrale

a -Tokamak

confinement magntique Ablateur

----------_faisceaux laser

D-T solide

4

+3,4 mm

b - Microfusion par laser confinement inertiel

Figure 1.9. Installations d'tude de la fusion contrle.

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1 - Notion dnergie

27

Cette couverture a deux fonctions distinctes :- rcuprer lnergie cintique des neutrons issus de la raction de fusion dans

le plasma (voir fig. 1.10) ;-

rgnrer le tritium ncessaire a la fusion avec le deuterium, par les deux ractions suivantes : on + g L ~+

1

6

.

-

H ,

3

+ ,He + 4,78 MeV1

4

1 7 . 3 4 o n + 3 L ~ ,H+,He+,n-

2,47 MeV.

1 6 . . . 3 4 7 . on : neutron ; 3Li : lithium 6 ; , : tritium ; ,He : hlium 4 ; gLi : lithium 7 H

Gnrateur de vapeur

Rseaux lectrique

D : deutrium T : tritium Li : lithium

D

Figure 1.10. Principe du racteur fusion contrle par confinement magnetique.

Remarque : le deutrium est abondant dans la nature. I peut-tre par exemple I extrait de leau de mer (33 g p a r m3). Le lithium provient de lcorce terrestre. Les ressources sont estimes 2000 ans.La fusion contrle pose ce jour de nombreux problmes particulirement complexes a rsoudre, concernant principalement le maintien du plasma a trs haute temperature, lextraction de la chaleur produite dans le plasma, la rcupration de lnergie des neutrons, la cohabitation de la trs haute temprature du plasma avec la trs basse temprature des aimants supraconducteurs, la production du tritium dans la couverture de lithium... En revanche, la raction de fission contrle est relativement simple a raliser par bombardement neutronique dun noyau fissile car le neutron, lectriquement neutre, nest pas devie sur sa trajectoire par le cortge lectronique (charg ngativement) qui entoure le noyau ou par le noyau cible lui-mme (charg positivement).

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28

Lnergie en 2050

Cest ce procd qui est utilis dans le cur dun racteur nuclaire pour produire de lnergie. Fusion deutrium -tritium2

H ,

3 +H ,

-

4

,He + o n + 17,6 MeV.

1

Fission de luranium 235235

92U + on

1

-

94

38Sr + X ,e

140

+2 , n1

1

+ 200 MeV.: uranium 235 ;

H : deutrium ; H : tritium ; , e : helium 4 ; on : neutron ; 2z , , H :U94

2

3

4

: strontium 94 ; X ,e

140

: xnon 140

Nota :les noyaux Sr et Xe sont des exemples de produits de fission de luranium 235, mais il en existe beaucoup dautres : iode 129, csium 137, techntium 99, zirconium 95, krypton 85... qui peuvent rsulter de la fission avec leur probabilit propre.

Remarque :nous ne savons pas, aujourdhui, stocker lnergie sous forme dnerl gie nuclaire. I nous faudrait pour cela savoir fusionner des noyaux lourds en y apportant lnergie ncessaire. Cela pose a lvidence des problmes techniques considrables.

nergie NUCLAIRE

Racteur

nuclaire

nergieTHERMIQUE

Figure 11 . . 1Transformation entre nergie thermique et nergie nuclaire.

I. .nergie et matire 3Nous avons dfini lnergie et nous savons par ailleurs quil existe une equivalence entre la masse et lnergie. Aussi est-il legitime de regarder la matire de plus prs.

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I

~

Notion dnergie

29

1.3.1. Structure de la matireLa matire est faite de molcules ; la molecule datomes ; latome dun noyau et dlectrons qui gravitent autour de lui ; le noyau de nuclons (neutrons et protons) et enfin le nuclon de quarks (quark up et quark down - voir fig. 1.12).

lectron

Proton

Quark up

Matire

Molcule

Atome

Noyau

Nuclon

Quark

Figure 1 1 . . 2 Structure de la matire.

Les quarks sont des particules lmentaires, cest--dire des entits simples non dissociables. Dune manire gnrale, les particules lmentaires peuvent tre classes en deux catgories distinctes :- Les fermions, qui sont des particules de spin demi-entier. Is rpondent a la statistique de Fermi-Dirac. l - Les bosons, qui sont des particules de spin entier ou nul.

Ils rpondent la statistique de Bose-Einstein.

1.3.2. Les fermionsDans ltat actuel des connaissances, toute la matire de lunivers, inerte ou vivante, est compose de quarks u (up) et d (down) et dlectrons, auxquels il faut , ajouter le neutrino lectronique u. Ce sont les particules lmentaires constitutives de la matire. Elles forment une famille dans la catgorie plus large des fermions. Les fermions lgers sont appels leptons. Les fermions lourds sont appels baryons. I I existe deux autres familles de fermions que lon rencontre dans lunivers mais qui ne font pas partie intgrante de la matire ordinaire telle que nous la connaissons. Les trois familles de fermions sont reprsentes dans le tableau 1.2.

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30

Lnergie en 2050

Tableau 1.2. Les trois familles de fermions.

lectron Lepton

muonvcI.

tauonVT

ve neutrino lectroniqueBaryon quark up (u) quark down (d)

neutrino muonique quark strange (s) quark charm (c)

neutrino tauique quark beauty (b) quark top (t)

Remarque : on observe dautres baryons appels hyprons. Ils sont plus lourds quun nuclon et leurs dures de vie sont extrmement faibles, infrieures a la nanoseconde. l e u r tude dpasse le cadre de louvrage.

1.3.3. Les bosonsII existe, dans la nature, quatre forces dinteraction entre fermions, responsables de la cohsion de lunivers : la force dinteraction forte, responsable de la cohsion du noyau des atomes : la force dinteraction faible responsable de certains processus radioactifs : la force dinteraction lectromagntique responsable de la cohsion des atomes et des molcules (lois de llectromagntisme) : et, enfin, la force dinteraction gravitationnelle responsable de la cohsion des galaxies.Ce sont des particules lmentaires, appeles bosons lgers, qui sont responsables de ces diffrentes interactions. On les nomme respectivement gluon, boson intermdiaire, photon et graviton (non encore dcouvert) (voir tableau 1.3).Tableau 1.3. Les bosons.

intermdiaires W+, W-,Zo, Ho ? (boson de Higgs)

1.3.4. L antimatireChaque particule lmentaire possde son anti-particule qui ne lui diffre que par ses proprits lectriques (charge) et magntique (moment magntique), qui sont inverses. Ainsi, Ianti-lectron est le positon de charge positive, lantiproton est charg ngativement... Thoriquement, en combinant des antiparticules lmentaires, on pourrait obtenir des anti-atomes, puis des anti-molcules, et enfin de lantimatire. Cependant, dans notre environnement, la dure de vie de lantimatire est extrmement courte car a leur contact, matire et antimatire sannihilent en dgageant de lnergie.

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1

~

Notion dnergie

31

La premiere antiparticule identifie fut le positon (anti-lectron) produit par la collision des rayons cosmiques avec les particules de latmosphre terrestre. Lobservation remonte a 1932. Depuis, lhomme en fabrique couramment dans les acclrateurs de particules (collisionneurs). titre dexemple, on utilise lantimatire en mdecine, lorsquon construit une image a trois dimensions a partir dun appareil photo trs particulier appel tomographe a positon.(())

Le fluor 18, radiolment metteur p (positon) est produit artificiellement dans un acclrateur de particules de type cyclotron, puis est incorpor dans une molcule de glucose, pour donner le 18 FDG (18 fluoro-desoxy-glucose). Cette molcule est injecte par voie intraveineuse et va se fixer dans des cellules a fort mtabolisme glucidique (cellules Cancreuses, phnomnes inflammatoires et infectieux...). II suffit alors de capturer puis traiter informatiquement les positons mis par ces cellules (tout comme lappareil photo capture et traite la lumire mise par lobjet photographi) pour localiser par limage des tumeurs ou des mtastases dont le diamtre peut tre infrieur au centimtre.

1.3.5. La naissance de /UniversII est aujourdhui communment admis que lunivers sest form il y a 13,7milliards dannes a la suite dun vnement initial appel Big Bang. Cela est conforme a la croyance judo-chrtienne en la Cration, par opposition a la conception hellnistique dun Univers sans dbut ni fin.

Immdiatement aprs le Big Bang, toutes les forces et particules dinteraction sont indiscernables. Ensuite, a mesure que la temprature dcroit, la force dinteraction unique se dcompose en deux forces (lectronuclaire et gravitationnelle), puis en trois (lectrofaible, forte, gravitationnelle) et enfin en quatre (lectromagntique, faible, forte et gravitationnelle), correspondant aux quatre forces dintraction actuellement connues. Dtaillons les principales tapes de la Cration de lunivers :- Avant un instant trs proche du ((tempsO,gal a seconde (temps de Planck) daprs la thorie de la physique quantique applicable a linfiniment petit (lunivers ne mesure alors que mtre de diamtre), on se situe dans une zone qui nous est, dans ltat actuel des connaissances, parfaitement inaccessible.

--

seconde, la temprature est gale a degr Kelvin (K) et lnergie par particule est de 1019GeV. Les aspects quantiques deviennent alors ngligeables. K

seconde aprs le Big Bang, le thermomtre cosmique indique et lnergie moyenne par particule est de 1015GeV.

- II y a alors sparation entre interaction forte et interaction lectrofaible (cest-

-dire faible et lectromagntique unifies). II ny a presque plus dchange entre baryons et leptons. - seconde, il y a sparation entre linteraction faible et linteraction lectromagntique. La densit, denviron grammes par Centimtre cube, est

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L nergie en 2050

trs suprieure a la densit nuclaire. II ny a pas encore de proton ni de neutron, mais seulement des quarks libres et des lectrons. La temprature K (100 GeV). est de- Cest a

seconde (T=1013 K) que les quarks se regroupent trois par trois pour former les protons et les neutrons, qui restent en quilibre jusqua une seconde, priode a laquelle les neutrinos se sparent de la matire. Lnergie est alors de 1 MeV par particule (T=lO1 K). Sil devient un jour possible dobserver ces neutrinos, nous serons alors capables de sonder lunivers jusqu ce moment. diale qui conduit la formation des premiers noyaux dhydrogne et dhlium.

- 100 secondes aprs le Big Bang (T=109 K) dbute la nuclosynthse primor-

380 O00 ans (T=3000K), il y a dcouplage entre la matire et les photons. Ces derniers se propagent dans lunivers qui devient subitement transparent. La lumire ainsi libre en tout point de lespace peut tre aujourdhui dtecte par nos tlescopes : cest le rayonnement cosmologique, ou Rayonnementfossile ), gal a 3 K, qui tmoigne du bien-fond de la thorie du Big Bang. II fut dcouvert par Penzias et Wilson en 1965, ce qui leur valut le prix Nobel de physique en 1978. Enfin, les electrons peuvent tre interceptes par les noyaux dhydrogne et dhlium. Cest la naissance des premiers atomes ... 1

1.3.6. La thorie de ToutDepuis longtemps, lHomme a cherche une loi unique pour dcrire les phnomenes fondamentaux de la nature. cette loi unique correspondrait une particule dinteraction unique. Ainsi, cette thorie permettrait-elle par le calcul de remonter le temps jusquau Big Bang. Les domaines de la physique investigus concernaient, a lorigine, la Terre et lespace, puis les phnomnes lectriques, magntiques et optiques et enfin, la structure intime de la matire. Les Grecs considraient, dune part, le monde den haut, la vote cleste, parfaite et ternelle, et dautre part le monde den bas, celui des hommes, o rgnaient corruption et prcarit. La Terre tait immobile au centre de lUnivers et tous les corps clestes se dplaaient sur des sphres. Cette conception cosmologique domina jusqua la Renaissance ou Copernic, le premier, affirma quen ralit la Terre tournait sur elle-mme et autour du Soleil (1543).

la suite des travauxde Kepler et Galile qui Confirmrent les rsultats de Copernic en dpit des interdits de lglise, la premire idee dunification entre mcanique celeste et mcanique terrestre revint a Newton qui proclama que tous les corps taient soumis a une mme loi physique, la loi de la gravitation (1687), responsable a la fois du mouvement des astres et de la chute des corps. Ainsi put-il justifier la forme elliptique des trajectoires des plantes autour du Soleil et calculer la vitesse de chute dune pomme de son arbre partir de la mme loi.

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1 - Notion dnergie

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la fin du XIXe sicle, Maxwell labora une thorie unifiant les domaines de la physique apparemment aussi diffrents que llectricit, le magntisme et Ioptique. II rcrivit, a partirdestravauxde Faraday, les loisdeCoulomb etdAmpresur les effets lectriques et magntiques et aboutit finalement, aprs avoir introduit une hypothse (non valide a lpoque) sur la vitesse de la lumire, a un systme dquations diffrentielles qui mit en vidence le caractre lectromagntique de la lumire. Plus prcisment, la lumire pouvait tre assimile a une onde lectromagntique dont les champs lectrique et magntique, perpendiculaires entre eux, oscillaient perpendiculairement a leur direction de propagation (voirfig. 1.13). Ses prdictions furent confirmes exprimentalement par Hertz en 1888.

E Champ lectrique B Champ magntique h Longueur donde T Priode C Vitesse de la lumire

Figure 1 1 .Onde lectromagntique. .3

Une dcennie plus tard, Einstein constata que les quations de Maxwell conduisaient a des interprtations physiques diffrentes lorsque lobservateur tait en mouvement par rapport au rfrentiel de lexprience. Cest en recherchant une rponse a cette difficult quil labora en 1905 la thorie de la relativit restreinte qui stipula, dune part que les lois de la physique devaient sexprimer de la mme manire dans tous les systmes de rfrence, dautre part que les quations de Maxwell respectaient ce principe ds lors que la vitesse de la lumire avait une valeur constante quel que soit le rfrentiel : ( La lumire se propage dans /espace vide avec une vitesse bien dfinie c qui est indpendante de /tat de mouvement du corps metteur (voir fig. 1.14). En dautres termes, bien que finie, la vitesse de la lumire se comportait comme une valeur infinie (linfini plus quelque chose donne linfini).))

La dcouverte de la radioactivit p conduisit le physicien italien Enrico Fermi a envisager, au dbut des annes 30, lexistence dune nouvelle force dinteraction,

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Lnergie en 2050

2;

\An/lr+ cC Vitesse de la lumire par rapport au mobile A Vitesse de la lumire par rapport au sol

;/~B

I

,, ,I

C

; ; / > &el

02

Vitesse de lindividu B par rapport au mobile A Vitesse de lindividu B par rapport au sol

0,

0 1 +0 2

Figure 1.14. Vitesse de la lumire : constante universelle.

linteraction faible. Quelques annes plus tard, Richard Feynman labora les bases de llectrodynamique quantique (QED) dont lobjet est de dcrire les interactions entre lectrons et photons. Dans la QED, les phnomnes lectromagntiques mettaient en jeu des lectrons dont les interactions taient reprsentes par un change de photons (voir fig. 1.15).el

icie2 e2(1

change de photons

Figure 1.15. Diagramme de Feynman representant le processus dinteraction lectromagntique (QED).

Par analogie, les premieres thories sur la radioactivit mirent en jeu des particules dinteraction faible appeles bosons intermdiaires. En tentant de gnraliser sa thorie aux autres interactions fondamentales, Feynman dcouvrit que la force dinteraction faible (boson intermdiaire) et la force dinteraction lectromagntique (photon) taient des manifestations dune seule force dinteraction dite lectrofaible n. Ses travaux lui valurent le prix Nobel de physique en 1965. Cependant, pour tre complte, la thorie lectrofaible suppose lexistence dune particule dinteraction faible supplmentaire trs spciale : le boson de Higgs (HO). Cette particule est thoriquement ncessaire pour expliquer lorigine de la masse

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1 - Notion dnergie

35

des particules. Elle na jamais t mise en vidence exprimentalement, Lacclrateur de particule LHC (Large Hadron Collider) en construction au CERN devrait apporter une rponse dfinitive quant a lexistence attendue du boson de Higgs partir de 2007. La phase suivante dunification est la synthse lectronuclaire. Elle suppose lunification de linteraction forte et de linteraction lectrofaible. Cest la thorie de grande unification (GUT).

lorigine, le japonais Yukawa introduisit une particule dinteraction appele mson x (ou pion) (1936) pour expliquer la cohsion des protons lintrieur du noyau atomique alors quils dussent logiquement se repousser du fait de leur mme charge positive. Cependant, les expriences faites en haute altitude et en laboratoire montrrent que le mson xtait lui-mme soumit a linteraction forte qui savra de fait mal comprise. Cette difficult fut surmonte en 1964 par les physiciens Murray Gell-Mann et George Zweig qui dcouvrirent une nouvelle particule constitutive des protons et des neutrons baptises quark ). Ce nest quen 1975 que les premiers quarks furent dtects exprimentalement. Une nouvelle particule dinteraction forte, le gluon, fut en outre introduite, dont lexistence fut confirme exprimentalement quelques annes plus tard au centre de recherche de Desy (Allemagne). Pour diffrencier les diffrents quarks, on introduisit une nouvelle proprit appele couleur (bleue, verte ou rouge), do le nom de chromodynamique quantique (QCD)donn la thorie de linteraction forte (chromos signifie couleur en grec). Selon cette thorie, linteraction forte, responsable de la cohsion des neutrons et des protons dans le noyau atomique, rsulte dun change de gluons entre quarks, de mme que linteraction lectromagntique rsulte dun change de photons entre lectrons. La figure 1.16 dcrit le processus dinteraction forte a laide dun diagramme de Feynman : un quark up bleu devient rouge en mettant un gluon bleu absorb par un quark down rouge qui devient bleu.(,

Mlange eau-vapeur

a - Systme double flash

Vapeur

b - Systme double puits

Figure 3.19. Schmas de principe de deux modes de production dlectricit dorigine gothermique.

Si la roche chaude nest pas poreuse mais sche, on peut nanmoins en extraire la chaleur en injectant une eau sous pression le long dune faille de la formation gologique. Cest notamment le cas en France o plusieurs sites a roche sche connaissent un gradient gothermique important : a Soultz (Alsace), un projet europen envisage un forage a prs de 4 O00 m de profondeur, o lon atteint la temprature de 200 O C . Sur ce site, on exploite la fissuration du granite pour canaliser leau injecte. Lobjectif consiste raliser une installation pilote de 6 MWe, puis un prototype de 25 MWe a partir de trois puits dinjection.

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Lnergie en 2050

Pour produire de llectricit, il faut disposer dune temperature deau suprieure a 150 C - une temprature plus basse permettant seulement de produire de la chaleur, pour le chauffage urbain ou dautres applications spcifiques. Par exemple, a Reykjavik (Islande), plus de 80 % des habitations sont chauffes par voie gothermique. En outre, leau chaude circule lhiver sous les trottoirs de la ville, empchant ainsi laccumulation de neige et de glace. Cette nergie est utilise galement dans de nombreuses industries, par exemple au Nord de lle, a Myvatn, o lusine de Schage de la diatomite (roche forme de diatomes et utilise comme abrasif) produit 50 tonnes de vapeur par heure pour traiter les boues dragues du lac voisin. Tous les sites produisant a ce jour une lectricit dorigine gothermique utilisent un reservoir humide ,cest--dire constitu dune roche chaude poreuse imprgne deau.((

Une installation standard de production dlectricit gothermique utilise le procd double flash (voir fig. 3.19-a).(( ))

Une partie de leau emprisonne dans le reservoir souterrain est vaporise lors de sa remonte par le puits dextraction. La vapeur est dans un premier temps spare de leau par centrifugation dans un cyclone. Si elle est encore suffisamment chaude, leau rcupre est nouveau vaporise dans un ballon. Finalement, la vapeur rcupre par ces deux dispositifs est dtendue dans une turbine associe classiquement un alternateur gnrateur de courant lectrique. Lorsque leau chaude souterraine est trop pollue en sels ou sulfures, on utilise un circuit secondaire ferm dont leau est vaporise au contact du circuit deau dextraction dans un changeur de chaleur. On renvoie alors leau soutire dans sa couche gologique dorigine par un autre puits. Cest le systme du double puits (voir fig. 3.19-b). Cette rinjection permet de maintenir la pression deau dans la nappe souterraine mais elle doit se faire loin du premier puits pour ne pas refroidir la zone dextraction et par consquent abaisser le rendement thermique du systme. Un tel systme a t install Melun en 1969. Leau y est prleve dune couche profonde de 1500 a 2 O 0 0 mtres, fortement chargee en substantes polluantes et corrosives. Utilisations possibles du fluide gothermique en fonction de la temperature (selon Lindal) :T(

C l> 150

Utilisation

Production dlectricit vaporation de solutions hautement concentres Rfrigration par absorption Prparation de la pte papier Schage de la diatomite Schage du poisson Schage du bois Fabrication dalumine par le procd Bayer Schage de produits agricoles

180

170

160 150 140

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3

~

Les nergies renouvelables

125

UtilisationConserverie

130

vaporation dans la fabrication du sucre Extraction de sels par evaporation et cristallisation

120

Production deau douce par distillation Schage de parpaings de ciment Schage de matriaux organiques, algues, lgumes ... Lavage et schage de la laine

110 10090 8070

Schage du poisson (limite infrieure) Chauffage urbain ; chauffage de serres Refrigeration (limite infrieure) levage danimaux Culture de champignons Balnothrapie

60

50 4030

Chauffage du sol ; chauffage urbain (limite infrieure) Piscine, fermentation ; chauffage de serres par paillage radiant

20

PiscicuItu re

3 5 2 2 Conclusions pour la France ....La France mtropolitaine ne semble pas disposer de gisements importants et ses potentialits restent a dmontrer. De nombreux programmes dutilisation de lnergie gothermique a basse temprature ont vu le jour a la fin des annes 1970 pour satisfaire aux besoins de chauffage dimmeubles ou de grands ensembles, notamment en rgion parisienne. Cependant, les prix bas du ptrole et d u gaz ont stopp le dveloppement dinstallations nouvelles qui, en tout tat de cause, ne produisaient pas dlectricit. En revanche, les dpartements doutre-mer, Martinique, Guadeloupe et Runion, sont videmment, du fait de leur gologie et de leur volcanisme, plus favorables la production dnergie gothermique.

Remarque :lnergie gothermique est-elle une nergie renouvelable ? Comme ila t dit plus haut, on nexploite pas le flux gothermique, en gnraltrop faible, mais la quantit de chaleur qui a t emmagasine dans le sous-sol grce a ce flux au cours des millnaires. Aussi peut-on parler de rservoir de chaleur, ou bien encore de gisement de chaleur, comme on parle de gisement de ptrole ou de charbon avec nanmoins la diffrence majeure que lHomme consomme plus vite les rserves de ptroles ou de charbon quelles ne se reconstituent, alors quau rythme de leur exploitation, on ne parle pas dpuisement des rservoirs gothermiques. Ainsi, les rservoirs de chaleur sont en permanence et pour des milliards dannes rchauffs par le flux de chaleur terrestre, compte tenu des priodes

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Lnergie en 2050

radioactives trs longues du thorium (14 milliards dannes) et de luranium ( 4 3 milliards dannes). f a r consquent on peut considrer lnergie gothermique comme renouvelable, a linstar de la biomasse qui est renouvele par lnergie solaire.

Rsum du chapitre 3On distingue :

- les nergies renouvelablesconventionnelles(ERC) - hydrauliqueet biomasse ;- les energies renouvelables nouvelles (ERN) - olien, solaire, gothermique.

Elles font actuellement lobjet dun engouement particulier car elles contribuent a :- lamnagement du territoire.

- la lutte contre le rchauffementclimatique,- la recherche de systmes de production lectrique dcentraliss, notamment dans les pays en dveloppement,- la recherche de solutions innovantes dans le cadre du dveloppement durable.

Nanmoins, si on les analyse de plus pres, on constate que :- lhydraulique possde un fort potentiel de dveloppement dans certains

pays, mais il ne faut pas ngliger les problmes environnementaux : en Chine, par exemple, le barrage des Trois-Gorgessur le Yang Ts Kiangdve loppera en 2009 la puissance colossale de 18 720 MWe (soit lquivalent dune vingtaine de racteurs nuclaires) mais il faudra inonder prs de 600 km en amont du barrage et dplacer pres de 1,5 million de riverains ;- la biomasse provient principalement de la transformation de lnergie

sotaire en eiiergie chimique par photosynthese Deux sources principales peuvent tre utilises pour produire de lnergie: les vgtaux et les dchets organiques. Les applications sont varies (biocarburants pour automabiles. bio-conibustibles pour chaudires...). t a biomasse ne peut reprsenter une ressource significative pour la production dlectricit dans les pays dvelopps mais peut constituer tin appoint Lcesite est un exemple intressant de gestion des dchets organiques. II permet notanment dconomiser lnergie en exploitant le contenu nergtique des dchets, et de recycler tes dchets valorisables ;

- les nergies olienne et solaire sont intermittentes et alatoires. En outreleur densit de puissance est trs faible. Elles sont intressantes dans la mesure o elles constituent une ressource nergtique susceptible dconomiser les nergies non renouvelabteset sont particulirement bien adaptes a des sites isols, loin du rseau lectrique. Cependant le coGt de leur lectricit est encore trop cher :trois fois plus cher que llectricit nuclaire pour lolien et dix fois plus cher pour le solaire.

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3 - Les nergies renouveiabies

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Lnergie thermique solaire (chauffage dhabitation, chauffe-eau) est encourager lorsque les conditioris densoleillement le permelterit ;- la chaleur de la Terre provient principalement de la radioactivit des roches

contenues dans le manteau et la crote terrestre. Les lments radioactifs responsables sont luranium, le thorium et le potassium. Lnergie gothermique peut tre exploitee pour produire de llectricit lorsque leau chaude souterraine prleve possde une temprature suprieure 150 OC. Pour des tempratures plus faibles, diverses applications peuvent prsenter un intrt dans le cadre dune politique dconomie dnergie : chauffage urbain, schage du bois, culture de champignons, balnothrapie

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4.1. La problmatique des transports routiersLes transports routiers utilisent presque exclusivement lnergie primaire fossile (ptrole) dont les rserves sont limites une cinquantaine dannes (voir Ej 6.2.1) et dont la combustion met des gaz a effet de serre (voir Ej 5.2.4). Une voiture consomme en moyenne 14 tonnes dessence au cours de son existence (value a 1 0 ans), ce qui correspond une mission dans latmosphre denviron 4 0 tonnes de dioxyde de carbone.II est donc ncessaire de rflchir des aujourdhui a des solutions de substitution afin de lutter efficacement contre le rchauffement climatique et de prparer les prochaines gnrations de voitures.

Bien que centenaire, lindustrie automobile est encore a ce jour en pleine volution. En effet, paralllement aux combutiblesclassiques utilissdans les moteurs

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explosion (essence) et les moteurs Diesel (gasoil), se sont dvelopps des procdes faisant appel dautres carburants. Les plus connus sont le GPL (gaz de ptrole liqufi) et le GNV (gaz naturel pour vhicules), mais il en existe dautres tels que lthanol ou le mthanol. Citons galement le melange de fuel et deau appel aquazole ,compose de 85 % de gasoil, 13 % deau et 2 % dadditif chimique tensioactif ncessaire a la dilution de leau dans le gasoil, destin aux poids lourds et autobus, et dvelopp aujourdhui par Total Fina Elf. Lutilisation de ces carburants alternatifs, dont certains ne sont que des additifs aux combustibles classiques, ne permet pas de rduire de faon significative les missions de gaz a effet de serre. En consquence, une autre voie de progrs consiste a recourir auxvhicules lectriques. Cela ne constitue pas une innovation en soi puisque le premier vhicule lectrique date de la fin du XIXe sicle, mais ce nest quaprs les dveloppements raliss sur les piles dans le domaine spatial et la survenue de la premiere crise ptrolire en 1973, qui a fait prendre conscience de la ncessit de sortir de la dpendance au ptrole du Moyen-Orient pour viter la flambe des prix et la rupture dapprovisionnement en ptrole, que les constructeurs automobiles ont commenc a sintresser Srieusement a ce type de vhicule.