S1 ch13Mise à disposition des ressources

Enseignement Technologique Commun

Dans son activité économique, l’homme utilise ou transforme de la matière et de l’énergie.

Ces ressources peuvent être Non renouvelables : Le stock est limité à la quantité

disponible. Il s’épuise donc au fur et à mesure de l’exploitation.

Renouvelables : Le stock se régénère continuellement, la ressource est donc disponible tant qu’on ne l’exploite pas plus vite que son taux de régénération.

Exemples :Matière Energie

Renouvelable bois solaire

Non renouvelable cuivre uranium

Comme on peut le voir, l’énergie peut être produite à partir de matière

I. Les matières premièresLes matières premières sont extraites (mine, puit, exploitation, …), transportées, transformées (raffinerie, haut fourneau, scierie, …) puis à nouveau transportées vers une industrie qui les façonnera en produit. Ces étapes, comme toutes les étapes du cycle de vie du produit qui sera fabriqué, utilisé puis recyclé, a un impact sur l’environnement :

Pollution : l’extraction des gaz de schiste nécessitent une grande quantité d’eau additionnée de produits divers : Lien Gaz de schiste

Nuisances : l’exploitation du gaz de Lacq libère un gaz nauséabond, le SO2, qui perturbe la vie des habitants de la région

Consommation d’énergie : la transformation du minerai de fer en acier dans un haut fourneau nécessite une énorme quantité d’énergie.

Cet impact peut être limité en recyclant les matériaux (ainsi, on en extrait moins) ou en les valorisant (on donne à l’objet une seconde vie, ou on en extrait de l’énergie)

Il existe différents types de matériaux

A. Les métaux

Ils peuvent être ferreux (aciers et fontes) ou non ferreux (cuivre, zinc, …)

Ils sont obtenus par transformation du minerai ou à partir de filière de recyclage, qui n’est pas négligeable : la moitié de l’acier consommé provient de la filière recyclage.

Les métaux sont rarement utilisés purs : on ajoute souvent des éléments chimiques supplémentaires. Ces ajouts permettent d’améliorer certaines propriétés mécaniques ou physiques du matériau comme la résistance mécanique, la conductivité électrique, … On obtient alors un alliage.

1. Les métaux ferreux :Ces sont les aciers et les fontes. Il s’agit d’un alliage cristallin de fer et de carbone (le fer pur, ou fer blanc, est trop mou pour être utilisable)

Acier : entre 0.02 et 1.67% de carbone Fonte : entre 1.67 et 6.67% de carbone

Il est impossible de rajouter plus de carbone.Un acier peut être trempé (chauffé puis refroidit brutalement) afin de gagner en dureté.

Très souvent, on rajoute d’autres composants chimiques : X2CrNi18-10 : acier inoxydable avec 0.02% de carbone, 18% de Chrome et 10% de

Nickel 35 Ni Cr Mo 16 : acier pour traitement thermique (trempe) avec 0.35% de carbone et

4% de Nickel, des traces de Chrome et de Molybdène

Il existe ainsi des milliers de sortes d’aciers, qui ont des applications différentes grâce à leurs propriétés spécifiques. On peut même obtenir de l’acier transparent !

2. Les métaux non ferreux :Cette catégorie regroupe tous les autres métaux : cuivre, aluminium, zinc, or, titane, …Comme pour l’acier, la composition chimique précise des alliages permet des utilisations différentes :

Al Si13 : alliage d’aluminium et de silicium(13%), utilisé en fonderie Al Cu4 Mg : alliage d’aluminium, de cuivre (4%) et de magnésium, utilisé en usinage

Certains alliages non ferreurs sont très connus : Le laiton est un alliage de cuivre et de zinc Le bronze est un alliage de cuivre et d’étain

B. Les matières plastiques

Bauxite (aluminium)Chalcopyrite (cuivre)

Un plastique est un mélange contenant une matière de base (un polymère constitué principalement de carbone, de l'hydrogène avec de l'oxygène, et de l'azote) qui est susceptible d'être moulé, façonné, en général à chaud et sous pression, afin de conduire à un semi-produit ou à un objet.

Elles sont essentiellement issues de la transformation du pétrole, dans une raffinerie. Elles peuvent aussi être obtenues à partir de végétaux (amidon de maïs, hévéa). Dans ce cas, la matière est compostable.

Seulement 4% du pétrole brut est transformé en plastique.

Il y a 3 types de plastiques :

1. Les thermoplastiques :Les thermoplastiques se déforment et sont façonnables sous l'effet de la chaleur, gardant cette forme en refroidissant (analogie avec la cire des bougies). Ce phénomène réversible permet leur recyclage : les objets sont broyés et « refondus » pour en élaborer d'autres.

Exemples : PE : polyéthylène, utilisé pour les sacs plastiques PVC : polychlorure de vinyle, utilisé pour les tubes, gaines électriques, gouttières,

vêtements, jouets, fenêtres, volets, meubles de jardin, lambris, bardages, films agricoles…

PC : polycarbonate, matière transparente (DVD, lunettes) et résistante (visières de casques)

2. Les thermodurcissables :

Production de bioplastique

Les thermodurcissables prennent leur forme définitive après la réaction chimique (polymérisation) accompagnant leur transformation. La structure réalisée avec une résine thermodurcissable ne peut varier et se trouve géométriquement figée (analogie avec la cuisson d'un œuf). Ils ne sont donc pas recyclables.

Exemple : les aminoplastes, qui servent à produire des ustensiles de cuisines, du matériel électrique, …

3. Les élastomères :Les élastomères sont des polymères présentant des propriétés remarquables en élasticité, amortissement et étanchéité (air, eau).

Exemple : caoutchouc, néoprène (combinaisons de plongée)

C. Les matériaux naturels :Ce sont des matériaux que l’on trouve dans la nature.

Ils peuvent être renouvelables, directement utilisables par l’industrie. D’origines organiques, ils sont alors biodégradables ou compostables. Dans cette catégorie, on trouve le bois, la laine, le cuir mais aussi le caoutchouc, qui est une matière plastique naturelle

Ils peuvent aussi être non renouvelables : c’est le cas des roches minérales (marbre par ex) et des différentes terres

D. Les matériaux minérauxDans cette catégorie, on trouve :

les roches, qui peuvent être naturelles (marbre) ou non (plâtre) les céramiques (faïence, porcelaine) les verres (verre, cristal, …)

E. Les matériaux composites :Ce sont des assemblages d'au moins deux matériaux non miscibles (qui ne se mélangent pas) et dont les propriétés se complètent afin d’obtenir un matériau hétérogène dont les performances sont supérieures. Ils ne sont donc pas obtenus à partir d’une ressource en particulier

Dans un matériau composite, on distingue : le renfort, qui constitue le squelette de la pièce et qui supporte l’essentiel des efforts la matrice, qui assure la cohésion de l’ensemble, répartit les efforts et joue un rôle de

protection des renforts

Exemple : Renfort + Matrice = Composite

Treillis d’acier + Béton = Béton armé

Fibres de carbone + Résine = Coque de bateauFibres de bois + Colle = Aggloméré

Polystyrène expansé + Ciment = Béton flottant

Le nombre incalculable de combinaisons possibles de matériaux laisse imaginer des possibilités fantastiques d’applications ; qui restent à découvrir.

F. Les nanomatériauxUn nanomatériau est un matériau (sous forme de poudre, aérosol ou quasi-gaz, suspension liquide, gel) possédant des propriétés particulières à cause de sa taille (<100 nm) Il s’agit de matériaux nouveaux, obtenus par dégradation de la matière ou par assemblage d’atomes.

Les applications sont très vastes, il reste beaucoup de recherche : crème solaire (nanoparticules métalliques au dioxyde de titane) implants osseux (nanopoudres de céramique) microprocesseurs (nanocristal de diamant) fils micrométrique ultrarésistant (nanotubes de carbone) nano-revêtements (imperméabilité, colle, résistance, …) …

Leur petite taille les rend susceptible de traverser la peau et les muqueuses. On ne connait pas encore leur toxicité, ni pour les humains, ni pour l’environnement. En vertu du principe de précaution, il convient d’utiliser ces matériaux avec la plus grande prudence :

Précautions Nanomatériaux

G. Disponibilité et coût de différents matériaux

Matériaux Coût (€/Kg) Disponibilité Recyclabilité

Bois 0.5 Renouvelable NonPVC 1 2050 Oui

Brique 1 NonBéton armé 0.05 Oui

Acier 0.05 OuiCuivre 5 2040 Oui

Zinc 1 2025 OuiTitane 50 Oui

Aluminium 2 2040 Oui

Tous ces matériaux ne peuvent exister sans matières premières, dont les quantités sont limitées sur notre planète. Certaines ressources deviennent donc stratégiques (comme le pétrole), en particulier les terres rares, composés chimiques dont certaines réserves s’épuisent très vite. C’est le cas de l’indium, métal indispensable pour les écrans tactiles.

II. Les énergiesEn utilisant le feu, l’homme préhistorique a commencé à exploiter une source d’énergie. La maîtrise de l’énergie est donc à la base de notre civilisation.

A. Origine de l’énergieL’énergie disponible peut provenir de différentes sources :

Origine fossile : Les énergies d’origine fossile nécessitent l’extraction de ressources (pétrole, charbon, gaz naturel). Leur disponibilité dépend donc du stock présent sur notre planète. Etant issus de la décomposition de la biomasse, ces énergies n’existent nulle part ailleurs dans le système solaire (sauf le méthane)

Origine nucléaire : La fission de l’uranium produit une grande quantité d’énergie. La production de cette énergie nécessite donc l’exploitation d’une ressource minérale non renouvelable. Dans le futur (horizon 2080 dans le meilleur des cas), la fusion de l’hydrogène pourrai permettre de fournir à l’homme une quantité quasi infinie d’énergie.

Origine renouvelable : Les énergies renouvelables sont inépuisables, mais cela ne veut pas dire qu’elles sont infinies.

o Energie hydraulique : on ne peut pas produire d’énergie plus vite que sa régénération

o Energie solaire : dépend de la quantité d’énergie qui atteint le sol et de l’efficacité de la conversion en énergie électrique

o Energie éolienne : dépend des conditions météo.

Outre ces 3 types d’énergies bien connues, il existe d’autres sources d’énergie renouvelable :

o Centrale hydrolienne : même principe que l’éolienne, mais sous l’eau. L’avantage est que les courants marins sont quasi constants. Le premier parc hydrolien au monde entrera en fonction en septembre 2012 à Paimpol, en Bretagne.

o Géothermie : en surface, elle exploite la chaleur du soleil (chauffage individuel). En profondeur, elle exploite la chaleur de la terre (production d’électricité en Islande et exploitations de sources d’eau chaude pour le chauffage collectif)

Biomasse : Cette énergie, issus de la production animale ou végétale, est transformée par combustion en chaleur ou électricité. Elle est renouvelable si les quantités consommées ne dépassent pas les quantités produites. Parmi ces énergies, on peut citer le bois, le biogaz, le diester.

B. Les modes de production d’énergieL’énergie produite peut être convertie en électricité ou en chaleur.La production directe de chaleur (chauffage) impose une utilisation immédiate et locale (on ne peut pas transporter la chaleur, ni la stocker durablement)

La cogénération permet d’exploiter le surplus de chaleur d’un procédé pour la transformer en électricité.

La production d’électricité peut être : Industrielle : l’électricité, produite dans une centrale en grande quantité, alimente les

consommateurs grâce à un réseau de transport et de distribution Individuelle : L’électricité est produite directement par le consommateur en petite

quantité, avec des équipements utilisant généralement des énergies renouvelables, pour une autoconsommation immédiate. Le groupe électrogène (fonctionnant à l’essence) permet aussi de produire de l’électricité.

C. Le mix électrique ou énergétique :

Le mix énergétique est la proportion des différentes sources dans la production d'énergie.

En France, la production d’énergie nucléaire représente 41% de l’énergie totale produite et 74% de l’électricité produite.

Cela sert à calculer l’impact environnemental dû à la production d’énergie ou d’électricité.

Ce mix permet de déterminer par exemple l’impact carbone de la production d’1 KWh. Il est de 83g de CO2 en France et 498g de CO2 en Italie

Energie Coût relatif Disponibilité GES (g CO2/KWh)Nucléaire + 2040 6

Pétrole ++ 2050 891Charbon + 2160 978Eolienne +++ Renouvelable 3 à 22Solaire +++ Renouvelable 60 à 160

Biomasse + Renouvelable sous condition 0 sous condition

Hydroélectricité + Renouvelable 4Gaz naturel ++ 2070 883

III. Utilisation raisonnée des ressourcesLes ressources de notre planète doivent être consommées de façon raisonnée afin d’éviter le gaspillage et la pollution.

Pour cela, plusieurs solutions complémentaires sont possibles (on ne parle pas ici de comportement individuel, mais d’exploitation industrielle) :

Développer l’utilisation d’énergies renouvelables Développer l’utilisation de matières renouvelables Utiliser des matériaux recyclables afin de réemployer la matière jetée Valoriser les matériaux :

o Réutilisation de matériauxo Valorisation biologique par compostageo Valorisation énergétique par incinération

Développer la co-génération : utiliser la chaleur dégagée par un procédé pour produire de l’électricité