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Conscientes des conséquences de la combustion des hydrocarbures, dont les réserves s’épuisent, les sociétés actuelles s’orientent vers des modes de production d’énergie électrique qui émettent peu de gaz à effet de serre, responsables du réchauffement climatique. La recherche porte donc sur les procédés qui ne s’appuient pas sur des réactions de combustion.
Sur quels types de conversions énergétiques repose la production d’énergie électrique ?
Trois méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter de combustion.
1. la conversion d’énergie mécanique :
soit directe (dynamos, éoliennes, hydroliennes, barrages hydroélectriques)
soit indirecte à partir d’énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires thermiques, géothermie)
2. la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques)
3. la conversion électrochimique : piles ou accumulateurs conventionnels, piles à hydrogène
Vous allez faire une étude de ces différents dispositifs d’obtention d’énergie électrique sans combustion. Mais pour cela, vous allez vous partager le travail.
Les élèves se répartissent pas équipes de 4. Ils forment ensuite deux binômes au sein de cette équipe.
Le binôme 1 s’intéressera aux éoliennes et hydroliennes, aux centrales nucléaires, aux panneaux photovoltaïques et aux piles ou accumulateur.
Le binôme 2 s’intéressera aux barrages hydroélectriques, aux centrales solaires thermiques, aux panneaux photovoltaïques et aux piles à hydrogène.
Étape 1 :
Chaque binôme répond aux questions suivantes pour ses catégories de centrales.
1. Réaliser les chaines de transformations énergétiques associées à chaque centrale présentée et identifier la ressource primaire d’énergie.
2. Compléter le tableau récapitulatif du cours.
3. En vous aidant des documents et de vos connaissances, identifier les impacts environnementaux et les risques encourus en complétant le tableau correspondant.
Etape 2 :
Le binôme 1 explique ses réponses aux différentes questions au binôme 2 et inversement.
Chacun recopie les différentes chaînes de transformations énergétiques et complète les deux tableaux.
Document 1
Principes de la majorité des centrales électriques
Une centrale électrique est un site industriel destiné à la production d’électricité. Les sources d’énergie primaire sont variables. C’est ce qui détermine les différents types de centrale (éolienne, hydraulique, nucléaire, thermique …)
Document 2 L’hydrolienne
Les hydroliennes exploitent l’énergie marémotrice, qui est une source d’énergie naturelle, non polluante, gratuite et surtout inépuisable et continue. Les courants marins sont prévisibles, on peut donc estimer avec précision la quantité d’électricité produite. Les pales de la turbine ne sont pas dangereuses car elles tournent à un rythme de dix à quinze tours pas minute, ce qui limite les turbulences et ne perturbe pas la faune marine. Enfin, ce dispositif ne rejette aucun déchet. Les hydroliennes ne provoquent pas de gênes sonores (elles sont silencieuses au fond de l’eau et inaudibles en surface) et la plupart d’entre elles sont invisibles hors de l’eau.
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Document 3
Produire de l’énergie électrique à partie d’un combustible fissile
Dans le cœur du réacteur est placé l’uranium 235, un combustible fissile, c’est-à-dire capable de subir une réaction de fission comme par exemple :
Tant que l’uranium 235 est suffisamment concentré, cette réaction nucléaire libère de l’énergie radiative, qui permet de chauffer de l’eau sous très haute pression (circuit primaire). Cette eau très chaude chauffe alors un deuxième circuit d’eau à pression normale (circuit secondaire) : l’eau se transforme en vapeur qui fait alors tourner la turbine liée à l’alternateur. A la sortie de l’alternateur, l’énergie électrique est récupérée.
u ushima l’apr s tsunami
uit ans après le tsunami de mars 2 qui a dévasté la c te nord-est du apon et mis en péril la centrale nucléaire u ushima-Daiichi, le site de u ushima reste un énorme chan er o le risque immédiat semble écarté , mais o les t ches ardues et les imprévus perdurent. Combus ble nucléaire, eau contaminée, déchets et main-d’œuvre sur le terrain, voici les principaux en eux à résoudre pour la société aponaise Tepco qui gère la centrale nucléaire.
« La centrale nucléaire de Fukushima reste une menace », La Croix, 11 avril 2019.
Document 4
La centrale éolienne
Le vent fait tourner des pales qui transmettent ce mouvement à une turbine reliée à un alternateur. Les éoliennes peuvent être placées sur terre comme en mer.
Document 5
Comparaison éolien terrestre et hydrolien
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Document 7
Centrale hydroélectrique
Les centrales hydroélectriques sont associées à un barrage. Le barrage stocke une grande quan té d’eau, qui s’écoule pour mettre en mouvement la turbine de la centrale. L’énergie potentielle de pesanteur stoc ée par l’eau du barrage est convertie lors de cet écoulement en énergie cinétique, puis transférée à la turbine.
Implantation des centrales hydoélectriques
ous n’êtes pas les bienvenus : les ouvriers du chan er de la pe te centrale hydroélectrique de a ita travaillent dans une ambiance plombée par l’hos lité des habitants de ce hameaumontagneux de l’est de la Serbie, pays de rivières.
[...]
a ita, deux logiques s’a rontent : d’un c té, la préserva on de l’environnement et d’un
écosystème indispensable aux popula ons locales de l’autre, l’indépendance énergé que de la Serbie et la lutte contre le « tout charbon ».
ydroélectricité : en Serbie, la bataille des rivières , L’Expansion, 28 juillet 2019.
Document 6
Produire de l’énergie électrique à partir du rayonnement solaire
En plus des panneaux photovoltaïques, il est possible d’exploiter l’énergie solaire à l’aide d’un procédé différent : les centrales solaires thermiques comme Thémis dans les Pyrénées. L’Espagne a inauguré en 2 7 sa première centrale solaire « à concentration », située à 25 km à l’ouest de Séville, Gemasolar en Andalousie. Ce complexe est capable de produire une puissance de 11 MW.
Dans les systèmes de centrales solaires à concentration (Concentrated Solar Power –CSP), les rayons sont réfléchis par des miroirs qui focalisent l’énergie solaire en un seul point, appelé capteur solaire. Dans le projet espagnol, 2650 miroirs mobiles (héliostats) de 120 m² chacun, concentrent un rayonnement de 2 MW au sommet d’une tour de 5 m de hauteur dans laquelle se trouvent le fluide caloporteur (du sel fondu) et une turbine à vapeur.
Document 8 Terres rares
L’une des applica ons les plus réputées des terres rares est liée à leurs propriétés magné ques, en par culier celles du néodyme d, du praséodyme Pr, du dysprosium Dy, du samarium Sm ou encore du gadolinium Gd. Celles-ci ont permis de développer des aimants permanents et par culièrement e caces que l’on retrouve au ourd’hui partout : des moteurs électriques aux générateurs d’éoliennes, des systèmes d’enregistrement magné que haute densité aux appareils d’imagerie médicale. ... Les condi ons d’exploita on et de produc on des terres rares sont toutefois su e es à controverse. ... Les méthodes de sépara on u lisées au ourd’hui font appel à des procédés complexes extrac on liquide-liquide, résines échangeuses d’ions, etc. et notoirement polluants : re ets d’acides, de bases, de solvants, de métaux lourds ou de déchets radioac fs.
Les terres rares, et après ? », CNRS Le journal, 9 mai 2019.
Page 4 sur 5 Document 9
Les panneaux photovoltaïques
Les panneaux photovoltaïques fonctionnent grâce à l’effet photoélectrique. Ils sont constitués de cellules photovoltaïques, composées principalement de silicium, parfois d’indium, de gallium et de germanium.
Elles convertissent l’énergie radiative du Soleil en énergie électrique « utile » mais aussi en énergie thermique « inutile ».
éveloppement du photovolta que
Luc-sur-Aude (Aude), dans la garrigue du Languedoc- Roussillon, le Soleil brille pour tout le monde, mais, surtout, il appar ent à chacun. Depuis la mi-décembre 2 7, une centrale photovoltaïque, nancée et gérée par les habitants, fonc onne. Installé dans un sous-bois de pins, à 8 mètres de ce pe t village des Corbières de 220 habitants, 1,2,3 Soleil est le premier parc solaire citoyen français construit gr ce au nancement par cipa f : 28 par culiers, résidents du village ou des alentours, ont investi dans cette centrale qui produira 320 000 kW⋅h par an, soit la consommation (hors chauffage) des Lucois.
Dans l’Aude, une centrale photovoltaïque nancée et gérée par les habitants », Le Monde, 31 mai 2018.
Au loin, une vingtaine de daims broutent paisiblement les herbes et buissons du causse du Larzac. quelques dizaines de mètres d’eux, un groupe de mou ons, allongés sur le sol, pro te d’un soleil printanier. Seule ombre à ce tableau agreste , ces animaux vivent dans le domaine de Calmels, sur la commune du Cros ( érault), un millier d’hectares voués à la chasse, cerclés d’un grillage de deux mètres de haut qui les ent reclus. Plus grave pour les éleveurs locaux de brebis qui fournissent le lait pour le roquefort, une grande par e de ce paysage devrait être recouverte de
panneaux photovoltaïques.
* Agreste : champêtre.
Sur le causse du Larzac, un pro et de centrale photovoltaïque mobilise les opposants », Le Monde, 29 mars 2019.
La pile à hydrogène
Les piles à hydrogène sont des piles à combustible car la décomposition de H2 en 2H+ et 2 e- est appelée une combustion électrochimique. Le métal permettant cette décomposition est le platine, un métal très rare et précieux.
Sources de la production mondiale de H2
La production de H2 à partir de gaz naturelet de combustibles fossiles libère du CO2. L’électrolyse de l’eau consiste à transformer l’eau en 2 et O2 sous l’action d’un courant électrique. Cette méthode ne libère pas de CO2 mais son rendement est plus faible.
Le stockage de H2
La compression de H2 pour son stockage sous forme liquide requiert beaucoup d’énergie. De plus, les procédés de stockage de H2 représentent des défis technologiques. Le mélange H2 + O2 produisant un gaz détonnant, la moindre fuite de H2 peut avoir de graves conséquences.
Document 11
Vers un épuisement des matières premières ?
Exemples de matières premières critiques nécessaires aux technologies de la transition énergétique et leur principal pays de provenance.
RDC : République démocratique du Congo
Document 12
Les émissions de CO2 des filières permettant
d’obtenir de l’énergie électrique
Page 5 sur 5 Document 13
Piles et accumulateurs
Une pile électrochimique est constituée de deux électrodes de nature différente, généralement métalliques, plongeant dans une solution conductrice (ou électrolyte). Lorsque la pile fonctionne, il se produit une transformation chimique spontanée entraînant un mouvement d’ions dans la solution conductrice et un mouvement d’électrons dans les électrodes reliées par un fil conducteur. Ce mouvement d’électrons est à l’origine de la tension aux bornes de la pile.
La consommation des réactifs entraîne l’usure de la pile.
Une pile rechargeable, ou accumulateur, est une pile dont le fonctionnement est réversible : en appliquant une tension aux bornes de la pile, on force la transformation chimique à se dérouler dans l’autre sens afin de régénérer les réactifs. Cette transformation forcée est appelée électrolyse. Elle permet de recharger un accumulateur (ou batterie) et de stoc er l’énergie électrique sous forme d’énergie chimique.
Piles et environnement
Chaque année, plusieurs centaines de milliers de tonnes de piles sont vendues dans le monde. Ce chi re augmente chaque année, et ce e consomma on n’est pas sans impact sur l’environnement. La produc on d’une pile alcaline nécessite une énergie 50 fois plus importante que celle qu’elle peut fournir.
De plus, 3 des piles usagées en rance sont etées sans être recyclées, générant une pollu on importante.
Document 14
Le lithium : ressource géologique et risque écologique
Avec l’essor des batteries dans les téléphones portables, les ordinateurs ou les voitures électriques, la demande de lithium a explosé dans les dernières décennies.
La consommation mondiale de lithium augmente de 10% par an depuis 2015 et atteint 40 000 t en 2017. Son prix a triplé entre 2014 et 2017.
Bolivie, Chili et Argentine abritent les plus grandes réserves de lithium du monde, sur les hauteurs des Andes. Le salar bolivien d’Uyuni possède une surface de 10 000 km² : ce grand lac salé contient 17%
des réserves de lithium mondiales connues (estimées à 257 Mt).
Le lithium est présent dans les eaux qui lessivent les roches magmatiques. Il se concentre dans les nappes ou lacs salés isolés de la mer. L’évaporation de l’eau dans de vastes bassins conduit à une concentration qui permet la récupération du lithium. Dans les régions o l’évaporation est insuffisante (cas de l’Ar ansas), un traitement chimique est nécessaire : il remet en cause l’approvisionnement en eau potable de la région. Le salar d’Uyuni est un écosystème unique hébergeant de nombreux oiseaux en période de reproduction. Le salar Atacama, au Chili, est au ourd’hui déserté des formes de vie et l’eau qu’il contient est contaminée par les additifs chimiques.
Des préconisations édictées par l’O U en 2 visent à diminuer l’impact environnemental de cette exploitation. Source : CNRS
