L’énergie du XXIème siècle, Société philomatique d ’Alsace et de Lorraine, Strasbourg le 3 mai 2011
L’énergie du XXIème siècle
Conférence-débat
1
Charles Hirlimann
Chercheur à l’institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg
Directeur adjoint : affaires européennesDirection des relations internationales du CNRS
L’énergie du XXIème siècle, Société philomatique d ’Alsace et de Lorraine, Strasbourg le 3 mai 2011
L’énergie peut prendre deux ensembles de
formes
L’énergie
potentielle
L’énergie
cinétique
E = m g h
E = ½ m V2
statique
dynamique
Unité = Joule
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Encensoir de Compostelle
80 kg
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L’énergie change de
forme
L’énergie
potentielle
L’énergie
cinétique
E = m g h = 80 kg . 10 . 10 m = 8000 J
V = ( E / 2 m) ½ = ( 8000 / 2 . 80) ½ = 7 m/s
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L’énergie est polymorphe
Chaleur = agitation des atomes
Travail = déplacement d’une force
Électricité = déplacement d’électrons
Éolien, photovoltaïque, hydraulique
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La mesure de l’énergie 1
1 joule = travail d’une force de 1 Newton sur un mètre
Élévation d’un poids de 100 g sur un mètre
1 N ≈ 0,1 kg x g (10 m/s2)
Sur la Lune la gravité est 6 fois moindre
Il faut lever un poids de 600 g
Le Joule est une petite unité, il faut effectuer un travail de 1000 J = 1 kJ pour remonter 10 l d’eau d’un puits de 10 m
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1 kW = 1 000 Joules / 1 seconde
1 kWh = 1 kW x 3 600 secondes
= 3 600 000 J = 3600 kJ
La puissance = énergie/seconde
La mesure de l’énergie 2
La puissance électroménager ≈ kW
Les consommations = milliers de kJ
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La mesure de l’énergie 3
baril d'équivalent pétrole
bep 6,12.109 J
tonne d'équivalent pétrole
tep4,19.1010 J
1 calorie = 4,18 J Pour 100gValeur énergétique moyenne : 456 kcal ou 1917 kJProtéines : 6,4 gGlucides : 71g dont sucres 31,4 gLipides : 16,3 g dont saturés 9.5 gFibres : 2,8gSodium : 0,18g
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L’énergie se
conserve
Premier principe de la thermodynamique
Second principe de la thermodynamique
Interdit les mouvements perpétuels de première espèce sans sources de chaleur
Les transformations
sont irréversiblesInterdit les mouvements perpétuels de seconde espèce à une source de chaleur
Thermodynamique
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Un homme en bonne santé
peut produire environ 75 W
en continu
X
30
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Petite
voiture
60 ch
équivalent « esclaves » =
600
La disparition de
l’esclavage
coïncide avec
l’apparition de la
machine à vapeur
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À son bord, Bryan Allen (en) franchit la Manche le 12 juin 1979 en 2 h et 49 min pour les 36 km, soit à une vitesse de 13 km/h.
Un athlète
entraîné peut
développer en
continu 400 W
sur une période
assez longue
Le Gossamer Albatross
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Les formes primaires d’énergie
Fusion
Fission
Gravitation
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Les formes secondaires d’énergie
L’énergie est multiformesa forme finale est la chaleur
Chimique : feu
Électromagnétique : lumière
Mécanique : travail
Calorifique : géothermie
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Principe d’une centrale au charbon
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http://energie.edf.com/en-direct-de-nos-centrales-45641.html
Centrales thermiques
Modulables au gaz
Forte production de CO2
Puissance : 100 MW à 500 MW
Permanente, txp ≈ 95%
Durée de vie ≈ 50 ans
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250 M€ de coûts indirects sont externalisés donc payés par les impôts
1 kWhe = 7,15 cts
1 kWhi = 19,95 cts
Coûts indirect du charbon EUA 2010
- 80% frais de santéCardiovasculairepulmonairesaturnisme
- pollution nucléairethorium
- pollution atmosphérique
CO2 azote- Pollution phréatique
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Réaction en chaîne
Centrales nucléaires, fission
Fission
E = m c2
La masse finale est plus faible que celle de
U235
Énergie cinétique de neutrons
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Réacteur à eau bouillante
1 - barre d'arrêt d'urgence
2 – barre de contrôle
3 – assemblage combustible
4 – protection biologique
5 – sortie de vapeur
6 – entrée de l’eau
7 – protection thermique
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Centrales nucléaires, fission
Partiellement modulables
Durée de vie ≈ 50 ans
Puissance : 500 MW à 1 GW par tranche
Production de déchets nucléaires
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Statistiques OCDE 2008 pour la France
62 millions d’habitants, 4300 tués sur la route
Approvisionnement total en énergie : 270 MtepProduction d’énergie : 136 Mtep dont- 413,3 TWh nucléaires (76,2%) électrique, 35 Mtep- 20,25 Mtep renouvelables
Centrales nucléaires : 59 (+1) JP 54 (25%), EUA 104 (20%)
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Bilan énergétique 2008 pour la France
45%
31%
15%
5%5% électricité
pétrolegaz naturelrenouve-lablescharbon
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I
nternational
T
hermonucle
ar E
xperimental
R eactor
Fusion
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Éruption
solaire
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Énergie solaire photovoltaïque 2
Constante solaire : 1,367 kW/m²
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?lang=fr&map=europe
1210 kWh/m2/an à Strasbourg
Pertes : orientation, saison, albédo, latitude
Un carré de 330x330 m2 suffirait aux 4,7 PWh/an de la France
MAIS
Un carré de 60x60 km2 est nécessaire aux 4,7 TWh/an de le France
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Énergie solaire photovoltaïque 1
Intermittente prédictible, txp ≈ 7% DE, 16% US
Txp = taux de production annuel
Amortissement énergétique en baisse
Peu de maintenance, mais rendement limité
Silicium : mono-cristallin, r ≈ 15%polycristallin, r ≈ 10%
amorphe, r ≈ 8%
Coût élevé, mais en baisse
Durée de vie ≈ 20 ans
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Énergie solaire éolienne
Intermittence : txp 20% (RTE, 2010)
Instabilités de réseau -> centrale au gaz
Puissance : 1 MW à 5 MW
Maintenance : localisation et dispersion
Technologie de + en + lourde mais qui reste simple
Durée de vie ≈ 25 ans
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merci pour votre attention
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L'énergieWilson Mitchell et les rédacteurs de Time-Life, 1965
Energia per l'astronave TerraNicola Armaroli, Vincenzo BalzaniZanichelli, Bologne 2008
Sustainable Energy, without the hot airDavid JC MacKayUIT, Cambrige UK, 2009
Références
Wikipedia
L’énergie du XXIème siècle, Société philomatique d ’Alsace et de Lorraine, Strasbourg le 3 mai 2011
De tout temps l’homme a été fasciné par le danger
Ötzi
C’est toujours en surmontant ses craintes qu’il a su progresser
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Genèse 1 v 22Croissez et multipliez, et remplissez les eaux dans les mers; et que les oiseaux multiplient sur la terre.