Problèmes énergétiques : Les filières

Page mise à jour le 8 octobre 2018

Usages, formes et sources d’énergie

Usage des énergies

Visionnement de la vidéo. Voir aussi le support du cours. Je retiens surtout :

  • Utilisation de l’énergie dans l’agriculture. Poste le plus important : engrais et pesticides car fabriqués à partir de dérivés du pétrole. Gains de productivité considérables mais au prix d’un contenu énergétique élevé, sans compter un fort impact sur l’environnement.
  • Consommation d’énergie commerciale : charbon, gaz, électricité… énergies distribuées par des réseaux commerciaux formalisés
  • En dehors de ces réseaux… => sociétés rurales des pays en voie de développement. Prélèvements sur la nature environnante. Surexploitation du couvert végétal autour des grandes villes.

Formes des énergies

Visionnement de la vidéo et du support du cours. Je retiens surtout :

  • Formes : mécanique, chimique, nucléaire, énergie thermique, rayonnement électromagnétique et électricité.
    • Énergie mécanique : potentielle et cinétique.
    • Lorsqu’une liaisons chimiques s’effectue entre deux atomes pour former une molécule, il y a libération de chaleur. À l’inverse, il faut fournir de l’énergie pour briser une molécule.
    • Énergie nucléaire : provient des liaisons entre éléments de noyaux des atomes. La fission de noyaux lourds (uranium ou plutonium) et la fusion de noyaux légers (hydrogène ou deutérium), libèrent de l’énergie.
    • Énergie thermique : chaleur contenue dans un corps dont la température est supérieure à celle de son environnement. Transmission par conduction ou convection (par contact) ou encore, rayonnement thermique (à distance).
    • Rayonnement électromagnétique : transmission à distance, même sans milieu intermédiaire. Le rayonnement thermique est une forme de rayonnement électromagnétique (e.g. rayonnement solaire).
    • Énergie électrique : déplacement d’électrons libres dans un conducteur. Qualifiée d’énergie noble. À partir de 3 effets : calorifique, magnétique et chimique.

Conversions d’énergie

Conversion de la chaleur en travail pour les non-scientiques

Visionnement de la vidéo. Je retiens surtout :

  • Premier principe de la thermodynamique : conservation de l’énergie
  • Transformation électricité ou mécanique en chaleur : rendement 100%
    Transformation inverse : rendement toujours inférieur à 60%, et souvent de l’ordre de 20 à 30%. Le reste de l’énergie calorifique initiale est converti en chaleur basse température.
  • Sadi Carnot a montré en 1824 que le rendement d’une machine thermique idéale décrivant un cycle est donné par la formule ci-contre. Tc est la température de la source d’énergie thermique (source chaude). Tf est la température de l’environnement ambiant.
    • Exemples : dans un environnement à 15°C, le rendement est de 23% pour une source chaude à 100°C, 75% pour une source chaude à 800°C.
  • Second principe de la thermodynamique : la transformation d’énergie à partir d’énergie thermique ne peut se faire qu’avec un faible rendement.

Conversion de la chaleur en travail pour les scientiques

Visionnement de la vidéo et du support du cours. Je retiens surtout :

  • Le premier principe de la thermodynamique ne prend pas en compte le critère de qualité de l’énergie. Les formes d’énergies sont équivalentes mais leurs possibilités de conversion sont inégales.
  • Travail en chaleur => rendement 100% => le travail est l’une des formes d’énergie dont la qualité est la meilleure. On s’en sert comme référence => la qualité d’une énergie est sa capacité à être transformée en travail. Exemples :
    • Moteur électrique => 98% de l’énergie transformée en travail
    • Alternateur => travail transformé en électricité avec un rendement équivalent
  • Le second principe de la thermodynamique prend en compte le critère de qualité de l’énergie.

Filières énergétiques

Notion de filière énergétique

Visionnement de la vidéo et du support de cours. Je retiens surtout :

  • Ensemble des activités permettant de transformer une source d’énergie pour satisfaire les besoins des utilisateurs :
    • exploration
      • nécessite des connaissances géologiques pour les non-renouvelables et la géothermie ;
      • des connaissances climatiques pour les autres renouvelables.
    • production de l’énergie brute
      • si conditions viables techniquement et économiquement
    • transport
    • stockage éventuel
    • conversion
    • distribution
    • traitement des déchets

Étude de cinq filières

Visionnement de la vidéo et du support de cours. Je retiens surtout :

Pétrole (voir complément de cours)

  • Première mise en exploitation par Edwin Laurentine Drake en 1859
  • Mélange de carbone et hydrogène. Micro-organismes animaux ou végétaux accumulés au fond des mers puis emprisonnés dans des couches géologiques.
  • Gisements jusqu’à 5000 m de profondeur
  • 25% maximum de concentration dans les roches poreuses
  • Exploration :
    • La prospection fait appel à la gravimétrie, aux magnétomètres, résistance électrique mais surtout séismicité artificielle. Activité à haut risque financier.
    • 30 à 35 000 bassins découverts. 1% des bassins concentrent 90% des réserves mondiales
  • Production :
    • Récupération primaire au moyen de pompes => pas plus de 20%
    • Récupération secondaire par injection d’eau et de gaz => jusqu’à 33%
    • Récupération tertiaire en cours de développement : utilisation de vapeur, hydrocarbures miscibles ou de produits chimiques dans l’eau => 40 à 50%
    • 30% de la production est offshore
  • Transport par navires pétroliers ou oléoducs
    • avantage des pétroliers : plus de souplesse dans la destination
    • inconvénient : il retournent à vide sur les sites de production
  • Conversion = raffinage : séparation du pétrole des hydrocarbures
  • Distribution
    • largement décentralisée, contrairement à la production et au raffinage
  • Stockage
    • du pétrole ou des produits raffinés
    • stockage stratégique : 90 jours de consommation
    • 500 dépôts en France (1 000 à 10 000 m3)
  • Avantages :
    • forme liquide
    • forte capacité énergétique volumique
    • peu de nocivité
    • énergie polyvalente
    • facilement stockable et fractionnable
  • Caractéristiques techniques :
    • ne peut être utilisé tel quel
    • nécessité de raffiner pour pouvoir être utilisé
    • exploration et production coûteuse
    • distribution décentralisée
  • Très utilisé dans les transports routiers, aériens et maritimes
  • Cartes interactives :

Gaz naturel (voir complément de cours)

  • Comme le pétrole : mélange de carbone et hydrogène. Micro-organismes animaux ou végétaux accumulés au fond des mers puis emprisonnés dans des couches géologiques.
  • Exploration et production
    • mêmes étapes que pour le pétrole
    • souvent les mêmes sites : on parle de gaz associé
    • mais contraintes plus fortes dues à sa volatilité
  • Transport :
    • gazoducs : 0,20 à 1,40 m de diamètre ; re-compression tous les 80 km ; coûteux mais gros débits
    • méthaniers : transport sous forme liquide (GNL) => refroidi à -160°C (600 fois moins volumineux) ; navires de 75 000 à 160 000  m3
      Chaîne : gazoduc de production, terminal de liquéfaction, flotte de méthaniers, terminal de gazéification, gazoduc de distribution. L’équivalent de 13% de l’énergie du gaz est utilisée pour la liquéfaction ou perdue dans le processus.
  • Stockage
    • nécessaire pour s’adapter à la demande (fluctue grandement entre été et hiver)
    • en nappe aquifère profonde : 400 à 1 200 m (anticlinal surmonté d’une couche imperméable). Technique éprouvée mais formation d’une bulle de gaz irrécupérable
    • en cavité saline : 900 à 1400 m de profondeur.
    • du GNL. Nécessite son refroidissement continu
  • Transport national (voir carte ci-dessous)
  • Distribution
    • canalisation de 8 cm à 1 m
    • moyenne ou basse pression
    • 25 gestionnaires de réseau dont Engie qui distribue 96% du marché
  • Avantages :
    • propre
    • forte capacité énergétique volumique
    • concurrent du gaz pour de nombreux usages
  • Caractéristiques techniques :
    • extrêmement volatil
    • exploitation-production très coûteuse
    • distribution nécessitant un réseau
    • forte rigidité
  • Cartes interactives

Charbon (voir complément de cours)

  • 25 à 31% de la consommation d’énergie primaire commerciale (57% en 1950)
  • Concurrent potentiel sérieux des hydrocarbures du fait des réserves mais fort impact sur l’environnement
  • Les charbons ont été formés à partir des immenses masses végétales du carbonifère, mélangées à des éléments minéraux
  • Trois grandes catégories :
    • tourbe : ère quaternaire, fibreuse, fortement imprégnée d’eau, qualité médiocre
    • lignite : ère tertiaire, fibreuse, meilleur rendement que la tourbe mais encore faible, assez largement utilisé
    • houille : ére primaire, pouvoir calorifique plus élevé. Anthracites et les houilles pauvres utilisées comme combustible, houilles grasses servent à extraire du gaz pauvre, du goudron et du coke.
  • Exploration/prospection : études géologiques, forages de reconnaissance
  • Production/exploitation
    • Qualité supérieure mis sur le marché ou vendus à la cokerie ; bas produits brûlés dans les centrales électriques
    • Mines :
      • à ciel ouvert : taux de récupération : 90 % ; bas coûts de production, effets désastreux sur l’environnement
      • souterraines : taux de récupération : 40 % ; au moins deux puits (pour l’aération) ; dangers d’éboulements, de poches de grisou, d’inondations…, maladies pulmonaires des mineurs (silicose, pneumoconiose).
  • Transformation
    • broyage plus fin pour augmenter les surfaces de contact avec l’air de combustion et obtenir des températures plus élevées => meilleur rendement, diminution des émissions de polluants
    • cokéfaction ou carbonisation pour obtention du coke, indispensable à la metalurgie et à la fonte
    • procédés de valorisation :
      • charbon propre : décendré, désulfurisé (États-Unis)
      • mélange charbon-eau pour brûlage dans les chaudières à fuel
      • liquéfaction par hydrogénation pour obtenir des carburants (méthanol) et des matières premières pour l’industrie chimique
      • gazéification par combustion incomplète des gisements, en injectant de l’air sous pression. On obtient un gaz pauvre qui peut être valorisé de différentes manières.
  • Transport
    • voie ferroviaire dans les pays producteurs
    • projets de carboducs : charbon broyé mis en suspension dans de l’eau, acheminé dans une canalisation, décanté à l’arrivée
    • voie maritime par vraquiers ou navires mixtes (transportant aussi des liquides)
  • Stockage
    • aucun stockage stratégique
    • rôle technique : éviter un défaut d’approvisionnement accidentel
  • Caractéristiques techniques :
    • part importante du coût de main d’œuvre et du transport
    • polluant
    • limité aujourd’hui à la production d’électricité ou à la combustion dans les grandes chaudières. Des équipements de dépollution peuvent être envisagés
  • Perspectives
    • Importantes réserves
    • liquéfaction et gazéification => charbon propre
  • Cartes interactives

L’hydraulique et l’éolien

  • énergies solaires indirectes
  • engendrées par les masses d’eau et d’air
  • issues du réchauffement cyclique de la terre par le soleil

énergie hydraulique (voir complément de cours) :

  • énergie potentielle des fleuves et rivières en altitude
  • cycle de l’eau : évaporation/précipitations
  • grande et petite hydraulique (< 8 MW)
  • petites centrales : 1,5 à 400 mètres de dénivelé
  • ancêtres : moulins hydrauliques
  • schéma général : un bassin, une conduite, un groupe turbo alternateur et un transformateur
  • Exploration : estimation du potentiel hydroélectrique (études géologiques, orographiques, hydrauliques). Faibles impacts environnementaux dans le cas de l’exploitation de chutes d’eau naturelles ; importants lors de la création de barrages et retenues artificielles. La production d’électricité peut être secondaire par rapport à la prévention des inondations, l’irrigation… Impact sur la faune et la flore aquatique.
  • Production d’énergie électrique
    • Travaux de génie civil nécessaires à l’installation
    • Utilisation du pompage-turbinage (stockage d’énergie d’origine nucléaire). Rendement de 0,7.
    • Centrales. Trois types de turbines, en fonction de la hauteur de chute :
      • turbines Pelton (200 à 1500 m de dénivelé)
      • Turbines Francis (30 à 200 m)
      • Turbines Kaplan (inférieur à 30 m)
  • Transport de l’électricité produite
  • Difficile à stocker
  • Carte interactive de la production mondiale

énergie éolienne (voir complément de cours) :

  • énergie cinétique des masses d’air
  • pouvant être captée horizontalement ou verticalement
  • ancêtres : moulins à vent, voiliers
  • Exploration/prospection : estimation du potentiel éolien (études orographiques, climatologiques)
  • Les vents ne doivent être ni trop forts, ni trop faibles. Ils varient aussi en fonction de la rugosité du sol qui génère des turbulences.
  • Production : travaux de génie civil nécessaires à l’installation
  • Transport de l’électricité produite
  • Difficile à stocker
  • Types d’éoliennes :
    • axe horizontal
      • un mât (béton ou acier),
      • une nacelle (placée au dessus du mât, elle héberge une partie des éléments électrotechniques de la machibe) ,
      • un rotor (composé en général de trois pales, il assure la conversion de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique de rotation qui est ensuite transmises au générateur électrique ou à la pompe à eau s’il s’agit d’une machine de ce type.
    • axe horizontal
      • avantage : captent le vent dans toutes les directions
      • deux technologies : Darrius et Savonius
  • usages
    • signalisation maritime (30W à 5 kW)
    • télécommunications (60W à 5 kW)
    • recharge des batteries dans les pays en voie de développement
    • dessalement et pompage de l’eau (1 à 5 kW)
    • usage domestique (quelques kW)
    • production d’électricité dans les fermes éoliennes de plus en plus puissantes (jusqu’à 200 MW)
  • près de 500 GW dans le monde en 2016 : 17% aux États-Unis, 30% en Europe
  • Cartes interactives