LE JARDIN DES ENERGIES · 2014-01-10 · LE JARDIN DES ENERGIES Le Jardin des Energies est un...

GUIDE PEDAGOGIQUE

Septembre 2011

LE JARDIN DES ENERGIES

Dossier enseignant

Ce guide a été conçu et réalisé par le CRDP de Poitou-Charentes en collaboration avec Romain Chauvière,professeur de Sciences Physiques.

L’objectif général est de vous fournir des pistes de travail,des propositions d’activités dont vous pourrez vous inspirerpour conduire un projet pédagogique ou tout simplementpour donner un sens à la visite de votre classe auFuturoscope, pour qu’elle devienne une étape dans unprocessus plus général d’apprentissage.

Consultez les mises à jour des guides pédagogiques

sur scolaires futuroscope com

SOMMAIRE

Présentation de l’attraction p.2Corrigés fiches d’activités p.3Ressources documentaires p.7• La géothermie p.9• L’hydraulique p.14• Le solaire p.17• L’éolien p.21• La biomasse p.23• L’hydrogène p.27• Le nucléaire p.29Pour en savoir plus p.34

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Département Education Futuroscope -2 - Présentation de l’attraction

PRESENTATION DE L’ATTRACTION

LE JARDIN DES ENERGIESLe Jardin des Energies est un parcours qui vise àsensibiliser les jeunes visiteurs aux économiesd’énergie et à la nécessité de produire moins de CO2.

Dans chacun des espaces, l’élève peutcomprendre et ressentir les différentes énergies,à travers des installations artistiques etscientifiques avec lesquelles il interagit ets’amuse à apprendre.

Dans l’espace dédié à la géothermie , le visiteurpeut ressentir la chaleur qui vient du sol ; dansl’espace dédié à la biomasse , le visiteur peut testerles différents combustibles et comparer leursrendements énergétiques.

Il traverse 7 espaces chacun dédié à une énergie :

la géothermie / la biomasse / l’hydraulique / l’hydrogène / l’éolien / le solaire / le nucléaire.

L’espace dédié à l’hydraulique présente une roue àeau géante, inspirée de la roue népalaise et d’unenoria.

Dans l’espace dédié à l’hydrogène , le visiteurpousse une manette pour créer une bulle dans untube en plexiglas.

Dans l’espace dédié au solaire , le visiteur manipuledes disques métalliques pivotant autour d’un axe fixéà la rambarde. Il doit les orienter afin de viser lescibles fixées aux tubes serpentant au dessus dujardin ou aux arbres existants.Ces cibles sont reliées à des objets types :calculatrice, parcmètre, chauffe eau, ventilation, ...qui s’animent lorsque les cibles sont visées.

Dans l’espace dédié à l’éolien , il manipule uneéolienne factice entourée de soufflerie.

Le jeune visiteur comprend que le rendementénergétique dépend de la hauteur d’une éolienne, dela grandeur de ses panes et de leurs orientations.

Dans l’espace dédié au nucléaire , le visiteur setrouve dans une sphère contenant des ballescolorées. Il envoie une balle qui représente uneboule d’uranium dans la machine, pour déclencher lamachine à boules. Il peut ensuite régler la vitesse debattement des balles grâce à un levier. Lorsque c’esttrop lent, l’image de ville en fond ne s’éclaire pas,lorsque la bonne vitesse est atteinte, la photo de villes’éclaire.

Cette promenade à travers 7 jardins permet doncaux jeunes visiteurs d’appréhender chaque énergie àtravers diverses manipulations. Ce documentpédagogique sert de support à la visite.

Département Education Futuroscope -3 -

Question 1 :

Question 2 :

Géothermie à très basse énergie (< 30°C)Géothermie à basse énergie (de 30 à 90°C)

Géothermie à moyenne énergie (de 90 à 150°C)Géothermie à haute énergie (> 150°C)

ThermalismeSéchage de produits industrielsProduction d’électricitéChauffage avec pompe à chaleur

Fiche 1 La géothermie

Corrigés fiches d’activités

CORRIGES DES FICHES D’ACTIVITES

La structure interne du globe ©ADEME

Question 3 : À la pression atmosphérique, l’eau est à l’état liquide quand sa température est entre 0 et

100°C. Au-dessus de 100°C, elle est à l’état gazeux.

Question 4 : La liquéfaction correspond au changement d’état physique, de gazeux à liquide. La

vaporisation correspond au changement d’état physique de liquide à gazeux.

Question 5 : Une pompe à chaleur a besoin d’électricité pour fonctionner. Elle est notamment constituée

d’un compresseur et d’un détendeur. Quand elle est réversible, elle sert à chauffer l’habitation l’hiver, et

à la climatiser l’été.

Question 6 : Il existe les capteurs géothermiques horizontaux que l’on enterre entre 0,6 et 1,2 mètre de

profondeur et les capteurs géothermiques verticaux (appelés aussi sondes géothermiques) que l’on

enterre à moins de 100 mètres de profondeur.


Question 7 :

Dans le cas d’une PAC à détente directe,l’évaporateur permet de récupérer la chaleur dusol et le condenseur la redistribue dansl’habitation.

Dans le cas d’une PAC avec fluide intermédiaire,l’évaporateur permet de récupérer la chaleur ducircuit de captage enterré dans le sol et lecondenseur la transfert au circuit de chauffage del’habitation.


Fiche 2 L’hydraulique

Question 1 : Une centrale hydroélectrique convertit l’énergie liée à la vitesse de l’eau en électricité.

Question 2 : Un alternateur

Question 3 : 61 329 gigawattheures (GWh)

Question 4 : 9 km/h

Question 5 : 18 mètres

Question 6 : 10 mètres/seconde. La vitesse de l’extrémité de la pale est liée à sa longueur : ω = v / R où

ω représente la vitesse de rotation en tours par seconde et R, la longueur d’une pale en mètres.

Question 7 : 750 mètres

Fiche 3 Le solaire

Question 1 :

Le solstice d’étéLe solstice d’hiver

L’équinoxe de printempsL’équinoxe d’automne

20 mars21 juin22 septembre21 décembre

Question 2 : La France est située dans l’hémisphère nord. Le solstice d’été correspond au jour le plus

long de l’année. Durant les équinoxes de printemps et d’automne, la durée du jour et de la nuit sont

égales. Le solstice d’hiver correspond au jour le plus cout de l’année.

Question 3 : L’énergie solaire peut être utilisée pour produire de l’électricité ou produire de l’eau chaude.

Question 4 : 212 gigawattheures (GWh)

Question 5 : Vers le Sud

Question 6 : 45°

panneau

solaire

cellule photovoltaïque

Question 7 :


Question 8 :

panneau

solaire

cellule photovoltaïque


Fiche 4 L’éolien

Question 1 : Un aérogénérateur est une éolienne qui convertit l’énergie du vent en électricité.

Question 2 : Le moulin à vent.

Question 3 :

Pale

RotorNacelle

Mat

Question 4 : La direction du vent

Question 5 : 10 à 15 tours/minute

Question 6 :

un klaxonune cantine scolaire

une éolienneune chambre à coucher

30 dB50 dB85 dB95 dB

Question 7 : Elles produisent davantage d’électricité.


Question 8 : En Grande-Bretagne.Il s’agit du parc éolien de Thanet situé en Grande-Bretagne, à l’est de Londres. Il estconstitué de 100 turbines ayant une puissance unitaire de 3MW.


Fiche 5 La biomasse

Question 1 : La biomasse représente l’ensemble de la matière organique, qu’elle soit d’origine végétale

ou animale. Cette matière organique est la matière qui compose les êtres vivants et leurs résidus, ayant

pour particularité d’être toujours composée de carbone.Question 2 : la biomasse solide ; le biogaz ; les biocarburantsQuestion 3 : la photosynthèseQuestion 4 : le bois sous différentes formes (bûches, copeaux, briquettes, résidus de broyage) ; la paille (de blé, de colza, de tournesol, de riz, …) ; les coques d’arachidesles céréales entières telles que le blé, le seigle, etc. ; les graines de céréales (graines de blé, de seigle, de colza, …) ; les tourteaux d’olives ; le foin d’origines diverses…Question 5 : Le biogaz (le méthane) est un gaz dont l’effet de serre est 21 fois plus important que le dioxyde de carbone. Il est donc préférable de le brûler même si cela rejette du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.Question 6 : Les Etats-UnisQuestion 7 :

blétournesol

canne à sucrebetterave

boiscolza

Bioéthanol

Biodiesel

Fiche 6 L’hydrogène

Question 1 : gazeuxQuestion 2 : Comme l’hélium, le dihydrogène est un gaz ayant une faible densité (il est plus léger que l’air). Par conséquent, la gravité terrestre ne peut le retenir.Question 3 : le pétrole ; le gaz naturel ; l’eau ; la biomasse…Question 4 : la cathode (chargée en dioxygène), l’anode (chargée en dihydrogène), l’électrolyteQuestion 5 : du dioxygèneQuestion 6 : Lors de son fonctionnement, une pile à combustible rejette de la vapeur d’eau et produit de l’électricité et de la chaleur.Question 7 : Son rendement est meilleur.

Fiche 7 Le nucléaire

Question 1 : la fusion nucléaireQuestion 2 : naturelle et artificielleQuestion 3 :

Question 4 : le becquerel (Bq)Question 5 : un dosimètreQuestion 6 : ils détruisent les bactéries logées dans ces objets

rayonnement alpharayonnement béta

neutronrayonnement gamma

4m de bétonUne feuille de papier Une feuille d’aluminiumPlusieurs dm de paraffine


RESSOURCES DOCUMENTAIRES

De tout temps, l’homme a eu besoin de l’énergiepour se nourrir, se déplacer. Celle-ci existe sousplusieurs formes. Aujourd’hui, la technologie permetd’en produire en grande quantité, en utilisant toutesles ressources possibles (fossiles, eau, vent,Soleil…). À l’aube du XXIe siècle, l’énergie reste unenjeu majeur, tant au niveau politique, économique,scientifique qu’environnemental…

L’énergie se présente sous des formes trèsdiverses. L’énergie d’un système physique dépendde l’état dans lequel il se trouve. On distingue deuxfamilles d’énergie.

� L’énergie mécanique désigne l’énergie d’unsystème emmagasiné sous forme d’énergiecinétique et d’énergie potentielle de pesanteur.L’énergie cinétique est liée au mouvement. Le vent,l’eau qui coule, la vapeur qui s’échappe ont unecertaine vitesse, donc possèdent de l’énergiecinétique. L’énergie potentielle de pesanteur est liéeà la force de gravitation exercée par la Terre sur lesobjets dans son voisinage. Plus la distance parrapport à la Terre (soit l’altitude) est grande, plusl’énergie potentielle est importante. Dans le cas d’unbarrage hydraulique, c’est cette énergie qui estexploitée, l’eau acquiert de l’énergie cinétique lorsde sa chute et actionne des turbines qui entraînentdes alternateurs.

� L’énergie interne couvre différents domaines.� Lorsque la température du système varie, c’estson énergie interne thermique qui évolue. Elle estmise en jeu avec les centrales thermiques quiutilisent l’eau des geysers, ou encore avec lagéothermie.� L’énergie interne physique varie lors deschangements d’état notamment ceux des fluidescaloporteurs.� Un mélange de méthane-dioxygène ou dedihydrogène-dioxygène possède une énergieinterne chimique qu’il va libérer respectivement lorsde la combustion ou du fonctionnement de la pile àcombustible.� L’énergie interne nucléaire est mise en jeu avecla fusion au niveau de notre Soleil et avec la fissionpour les centrales nucléaires.

L’énergie peut se transformer au sein d’un mêmesystème, ou bien se transmettre d’un système à unautre. Il existe différents moyens de transfertd’énergie, appelés le travail :� le travail mécanique correspond au déplacementd’un objet ;� le travail électrique correspond au déplacement departicules chargées (électrons) ;� la chaleur (ou travail thermique) correspond auniveau microscopique à un transfert d’agitationd’atomes ou de molécules ;� le travail rayonnant correspond à l’émission d’unrayonnement visible ou invisible (lumière visible,U.V., infrarouge, rayons X, …).

La caractéristique la plus remarquable de l’énergieest qu’elle se conserve toujours. Lorsqu’elle esttransférée d’un système à un autre, ou lorsqu’ellechange de nature au sein du système, il n’y a jamaisni création ni destruction d’énergie. Si un objet aperdu de l’énergie, la même quantité d’énergie aobligatoirement été gagnée par un autre objet encommunication avec le premier. De même, lorsquel’énergie change de forme, le bilan est toujoursexactement équilibré. C’est donc par abus delangage que les journaux, les économistes ou leshommes politiques parlent de « productiond’énergie », ou de « pertes d’énergie », puisquel’énergie ne peut être ni créée ni perdue. En réalité,dans une centrale thermoélectrique, on ne« produit » pas d’énergie, mais on transforme del’énergie chimique ou nucléaire en travail électriqueet en chaleur. Le bilan global de cette conversionest caractérisé par un rendement. Celui d’unecentrale nucléaire représente 33 %, ce qui signifieque pour envoyer sur le réseau 33 unités d’énergieélectrique, il a fallu consommer 100 unités d’énergienucléaire, tout en dégageant 67 unités de chaleur ;cette chaleur, évacuée dans l’environnement, parexemple par le brouillard sortant des tours derefroidissement, est donc, en général, perdue pournous. Certaines centrales en récupèrent toutefoisune partie pour chauffer des habitations ou desserres. Au niveau individuel, c’est le cas deschaudières à condensation.

Introduction

Introduction


L'unité du système international pour mesurerl'énergie est le joule (J). Certaines activités utilisentd'autres unités, le kilowattheure pour les facturesd’électricité (1 kWh = 3,6 MJ), la tonne d'équivalentpétrole pour comparer les différentes sourcesd’énergie (1 tep = 41,868 GJ), la calorie (1 cal =4,18 J), la grande calorie en diététique (1 Cal = 1kcal = 4182 J).

Les échanges d’énergie sont caractérisés, nonseulement par la quantité d’énergie transférée outransformée, mais aussi par la durée du processus.La notion de puissance est ainsi définie comme unequantité d’énergie échangée par unité de temps.L’unité de puissance, le watt, est donc le joule parseconde. Un radiateur électrique de 1 500 Wconsomme durant chaque seconde une énergieélectrique de 1 500 J. Par conséquent, durantchaque heure (3 600 secondes), une énergieélectrique de 3 600 x 1 500 J = 5 400 000 J esttransformée en chaleur. Cet exemple montre que lejoule est une unité d’énergie trop petite pour nosusages courants. On emploie souvent en pratique lekilowattheure (kWh), quantité d’énergie mise en jeupar un appareil d’une puissance de 1 000 Wpendant un délai d’une heure. Ainsi, 1 kWh vaut 3600 x 1 000 J = 3 600 000 J.

L’énergie ne se prête au stockage en quantitéappréciable que sous certaines de ses formes. Samise en réserve et sa récupération impliquent doncdes transformations, et par suite de la dissipation.L’énergie électrique peut être emmagasinée dansdes accumulateurs, sous forme d’énergie chimique.Mais la décharge d’un accumulateur fournit moinsd’énergie électrique que sa charge, car les réactionsélectrochimiques s’accompagnent d’une assez fortedégradation en chaleur. De plus, les accumulateurssont coûteux et lourds, puisqu’ils n’emmagasinentque 0,1 kWh par kg, ce qui est, avec le prix, laprincipale entrave au développement de la voitureélectrique. Nos besoins en puissance électriquevarient avec l’heure, en croissant par exemplerapidement le soir ; et les centrales nucléaires ontdu mal à suivre ces changements. Étant donné lafaiblesse des pertes de chaleur dans les échangesélectromécaniques, on a imaginé utiliser lesbarrages non seulement comme sources d’énergiehydroélectrique, mais aussi comme réservoirsd’énergie.

La relative facilité de stockage et aussi de transportsur de grandes distances du charbon, du pétrole etdu gaz a été l’un des facteurs primordiaux dudéveloppement de l’industrie depuis deux siècles.

L’essor de l’automobile repose aussi sur lapossibilité d’emporter avec soi assez de carburantpour parcourir plusieurs centaines de kilomètres.Mais l’électricité est la seule forme d’énergiesusceptible d’être à la fois transformée en quasi-totalité en n’importe laquelle des autres, ettransportée au loin en grande quantité à un coûtrelativement faible. Les pertes de chaleur dans leslignes à haute tension et les transformateursatteignent cependant 8 %.

On distingue les énergies fossiles des énergiesrenouvelables. Les premières reposent surl’exploitation de minéraux et combustibles formésdurant l’histoire de la Terre et n’existant qu’enquantités limitées. En tenant compte de l’évolutiondes consommations, et de l’espoir de découvrir denouveaux gisements, on peut estimer les réservesmondiales à quelques dizaines d’années pour lepétrole, à une centaine d’années pour le gaz oul’uranium, à quelques siècles pour le charbon. Lesénergies renouvelables sont celles qui nousparviennent directement ou indirectement du Soleil,qui nous envoie en permanence son rayonnement. Ils’agit des énergies solaire, hydraulique, éolienne(celle du vent), mais aussi de l’énergie chimique quis’accumule dans les végétaux utilisables commecombustibles (bois, déchets, alcool). La puissancetotale que l’on peut tirer de ces énergiesrenouvelables est cependant limitée ; par exemple,il ne faudrait pas brûler les forêts à un rythme plusrapide que celui de leur croissance.

Introduction


La géothermie, du grec γῆ (la terre) et θερµός (lachaleur), est la science qui étudie les phénomènesthermiques internes du globe terrestre et latechnique qui vise à l'exploiter. Par abus delangage, la géothermie désigne aussi l'énergiegéothermique issue de l'énergie de la Terre qui estconvertie en chaleur et/ou en électricité.

La chaleur dégagée par notre globe est causée parla désintégration de la radioactivité de ses roches(90%) et, dans une moindre mesure, lerefroidissement du noyau. La surface de la Terre estégalement réchauffée par l'énergie du soleil, maiselle permet de réchauffer seulement les premiersmètres du sous-sol.

Ainsi, en France, la température moyenne au niveaudu sol tout au long de l’année est de 10 à 14° Cpuis, au-delà de plusieurs de dizaines decentimètres, au fur et à mesure que l’on s’enfonce,elle augmente en moyenne de 3,3° C tous les 100mètres (c’est ce que l’on appelle le gradientgéothermal). Les roches peuvent ainsi atteindre140° C à 4 000 mètres de profondeur !

Un des témoignages les plus anciens d'exploitationd'eau naturellement chaude pour les thermesremonte à 2000 ans avant Jésus-Christ, dans lesîles Lipari en Italie.

Depuis un siècle, les exploitations industrielles sesont développées pour la production d'électricité etle chauffage urbain. C’est en 1930 à Reykjavik(Islande) que l’on voit apparaître le premier réseaude chauffage urbain.

Avec la géothermie à très basse énergie(température inférieure à 30° C), on peut chaufferune maison à condition d’utiliser une pompe àchaleur. Il s’agit d’un équipement qui fonctionneexactement comme le réfrigérateur qui trône dans tacuisine, mais à l’envers ! La pompe à chaleurgéothermique, capte la chaleur du sol pour laramener à l’intérieur des bâtiments. Cependant,pour bien fonctionner tout au long de l’année, il fautqu’elle soit installée dans une zone où latempérature du sous-sol est stable (c’est-à-direqu’elle reste la même tout au long de l’année).

Au final, le bilan reste intéressant car même si ellenécessite un peu d’électricité pour fonctionner, lapompe à chaleur géothermique peut fournir jusqu’à60 % des besoins en énergie pour chauffer unemaison !Source : http://www.mtaterre.fr/

Géothermie

La géothermie

Le fonctionnement

1 - Un premier circuit de tuyaux (circuit primaire)remplis d’eau collecte la chaleur à faible profondeuret la fait remonter vers la maison.

2 - Le circuit primaire arrive au contact d’undeuxième circuit de tuyaux (échangeur thermique)remplis d’un fluide caloporteur (un fluide permettantde transporter la chaleur entre deux ou plusieurssources de température) et le réchauffe, le faisantpasser à l’état de gaz.

3 - Il gagne le compresseur : comme son noml’indique, cette petite machine alimentée enélectricité compresse le gaz pour augmenter satempérature. Le gaz brûlant arrive au contact d’untroisième circuit de tuyaux (circuit secondaire)remplis d’eau et lui cède sa chaleur. Ce circuitalimente le plancher chauffant partout dans lebâtiment et permet de le chauffer.

4 - Le gaz du circuit secondaire se refroidit. Il arrivedans le détendeur, qui fait le travail inverse ducompresseur en jouant sur la pression : le gazredevient liquide. Il poursuit sa route jusqu’àrencontrer de nouveau le circuit primaire qui necesse de rapatrier la chaleur du sous-sol.

En fonction de ce que l’on veut chauffer (habitationsindividuelles, serres, bâtiments collectifs…) et descaractéristiques du sol, on installera des pompes àchaleur plus ou moins puissantes.Cependant, le système de chauffage par géothermiedoit être complété par un autre mode de chauffaged’appoint pour prendre le relais quand la demandeen énergie est trop importante, notamment pendantles périodes de grand froid.

Si une pompe à chaleur est un réfrigérateur àl'envers, une pompe à chaleur à l’envers est unréfrigérateur ! La géothermie peut donc assurer nonseulement la production de chaleur en hiver, maisaussi la production de froid en été. On parle alors depompe à chaleur réversible : elle est équipée d'undispositif permettant d'inverser le cycle du fluidefrigorigène. Le condenseur devient l'évaporateur,l'évaporateur devient condenseur et la pompe àchaleur puise alors des calories dans le bâtimentpour les rejeter dans le sol.

Département Education Futuroscope -10 - Géothermie

©ADEME

Avec la géothermie basse énergie (températureentre 30 et 90° C), on peut se chauffer en exploitantdirectement la chaleur du sous-sol. Cependant, ilfaut que les roches soient assez poreuses(fissurées) pour être gorgées d’eau (car c’est l’eauque l’on utilise pour exploiter la chaleur) etprofondes (plus de 200 m) pour atteindre unetempérature importante (supérieure à 60° C).

Ces zones géologiques sont appelées « aquifèresprofonds ».C’est le cas dans de nombreuses régions françaisessituées au-dessus de grands bassins sédimentairesprofonds : essentiellement en Ile-de-France etAquitaine, mais également en Midi-Pyrénées etLanguedoc-Roussillon.

Il est alors possible d’alimenter un réseau de chaleur par simple échange.

Principe de fonctionnement d’un réseau de chaleur ©ADEME-BRGM


L’eau puisée dans le sous-sol (par le puits de production) cède ses calories à un circuit de tuyaux(principe de l'échangeur thermique) qui permet de chauffer les bâtiments.

Dans la boucle géothermale, l'eau qui sort chaude de la Terre tourne en circuit fermé. Cette eau chargée desels minéraux cède sa chaleur à un autre réseau appelé cette fois circuit géothermique, dans lequel circulel'eau de ville destinée à être réchauffée.Cet échange est nécessaire pour capter des calories tout en évitant la corrosion du réseau de chaleur. Ledispositif est appelé échangeur.

À ces profondeurs, l’eau étant fréquemment salée et/ou chargée en sulfures, donc corrosive, il est interdit dela rejeter en surface. Il est nécessaire de forer un second puits (puits de réinjection) pour réinjecter l’eaudans l’aquifère originel. Mais il convient d’implanter ce puits à environ 1 500 ou 2 000 mètres du puits deproduction afin que l’eau refroidie réinjectée ne vienne pas refroidir celle qui est puisée.

Géothermie

Principe d’un échangeur thermique

Production de chaleur avec la géothermie dans le mo nde en 2010 (source : WGC 2010) ©ADEME

En 2005, plus de 70 pays déclarent utiliser lagéothermie pour produire de la chaleur. Lesprincipaux pays producteurs sont la Chine, l’ex-URSS, les pays d’Europe centrale et orientale etles Etats-Unis.

La France, quant à elle, a été pionnière dans ledéveloppement de la géothermie. Aujourd’hui, 40installations dédiées au chauffage urbain, pour lamajorité réalisées dans les années 1980,

permettent de chauffer près de 200 000 équivalent-logements (dont 150 000 en région parisienne).

Et face à l’augmentation des prix de l’énergie, lagéothermie se développe : en 2008, près de 19 500nouvelles pompes à chaleur ont été vendues enFrance.On estime actuellement que près de 122 000maisons individuelles sont chauffées grâce àl’énergie du sol.


Dans les zones volcaniques, à la frontière desplaques lithosphériques, la chaleur du centre de laTerre remonte et réchauffe de gigantesques pochesd’eau (zones situées en rouge sur le schéma ci-dessous).

Avec la géothermie haute énergie(températures supérieures à 150° C), on utilisede la vapeur d’eau, extraite du sous-sol, quialimente des turbines pour produire del’électricité.

Zones de socle cristallin réservées pour la très basse énergie

Zones favorables à la géothermie basse énergie (bassins sédimentaires)

Zones propices au développement de la géothermie haute énergie(Régions tectoniques et volcaniques actives émergées)

À l'intérieur du réservoir géothermal, il y a de l'eausous forme liquide ou vapeur ou encore un mélangede ces deux phases. Un forage géothermiquepourra produire de la vapeur seule (dite vapeursèche) ou un mélange des deux phases liquide etvapeur (on parle alors de vapeur humide). Selon lanature et les propriétés du fluide arrivant en surface,on utilise différents systèmes pour produire del'électricité.

On distingue :• des unités de production à cycle direct où la vapeuractionne une turbine à échappement atmosphérique(cas le plus simple) ou une turbine à condenseur (oncrée alors un vide à l’échappement de la turbine) ;

• des unités à cycle binaire où la vapeur turbinée estcelle d’un fluide dit “de travail” qui est vaporisé paréchange thermique avec le fluide géothermal (cyclede Rankine ou cycle de Kalina) ;

• et des unités à cycle combiné qui associent desdispositifs de turbine à cycle direct avec des“récupérateurs” d’énergie à cycle binaire.

Le "système géothermique stimulé" est unetechnologie encore en développement. Laproduction de l’électricité est faite par de lagéothermie profonde à haute température à partir deroches sèches. L'eau chaude n'est donc pasdirectement prélevée du sous-sol, mais injectéedans le sous-sol pour y être réchauffée.

Un puits est creusé dans lequel on injecte degrandes quantités d’eau (il est plus facile de capterla chaleur à travers l’eau car les roches neconduisent pas bien la chaleur).

Elle s’infiltre en profondeur et se réchauffe aucontact de la roche. Puis elle est captée grâce àdes pompes par deux autres puits. Une fois ensurface, cette eau chaude cède sa chaleur (via unéchangeur) à un fluide qui se transforme en vapeur.Il monte en pression, ce qui lui permet d’entraîner laturbine qui produit de l’électricité. Pendant cetemps, l’eau du puits qui a cédé une bonne partiede sa chaleur redescend… et c’est reparti pour untour.


Principe de fonctionnement de la centrale électriqu e géothermique de Bouillante (Guadeloupe) ©ADEME

Ce qui va conditionner le développement de cette technologie est sa rentabilité économique. Pour l'instant,ce système coûte cher car il nécessite des forages à grande profondeur dans un milieu encore mal connu.

Les perspectives pour la géothermie sont nombreuses. A l’horizon 2020, la géothermie devrait contribuerainsi pour 1,3 millions de tep (tonnes-équivalent-pétrole) à l’objectif très ambitieux fixé par le Grenelle del’environnement de produire 20 millions de tep d’énergie renouvelable supplémentaires. A la mêmeéchéance, il est prévu que 20 % de l'électricité produite dans les DOM soit d'origine géothermique.

Les secteurs où sont attendues les croissances les plus fortes sont les pompes à chaleur géothermiquespour les maisons individuelles (neuf et rénovation) ou pour le tertiaire et le résidentiel collectif, ainsi que lesréseaux de chaleur alimentés par géothermie profonde.

Le Grenelle de l’environnement fixe des objectifs ambitieux pour les pompes à chaleur géothermiques :atteindre un parc de plus de 600 000 installations d’ici à 2020.


Le moulin à eau, dont l’existence est prouvée enEurope depuis l'antiquité, est plus ancien que lemoulin à vent. Au Moyen Âge, le moulin à eau sedéveloppe parallèlement à la disparition del'esclavage, à partir du IXème siècle.

Ce n'est qu'au cours du XIXème siècle que lesroues à aubes ont été utilisées pour produire del'électricité : on parle alors d’hydroélectricité. À la finde ce siècle, la turbine remplaça la roue hydrauliqueet les premiers barrages firent leur apparition. En1869, dans les Alpes, l'industriel et ingénieurAristide Bergès utilisait à Lancey l'énergiehydraulique pour faire fonctionner ses défibreurs(appareils râpant le bois afin d'en faire de la pâte àpapier) grâce à une chute de 200 mètres.

L'énergie hydroélectrique représente aujourd’hui19% de la production totale d'électricité dans lemonde. C’est la source d'énergie renouvelable laplus utilisée. Cependant, tout le potentielhydroélectrique mondial n’est pas encore exploité.En France, l’énergie hydraulique est la 2ème sourcede production d’électricité derrière le nucléaire. Il y aenviron 2 100 centrales hydroélectriques dont 447sont exploitées par EDF. La production annuellefrançaise actuelle (61 térawattheures (TWh) en2009) représente environ 70% du potentieltechnique exploitable.

Il existe une grande diversité de centraleshydrauliques :

• les centrales gravitaires pour lesquelles lesapports d'eau dans la réserve sont uniquement liésà l’écoulement naturel de l’eau sous l’action de lagravité.

• les stations de transfert d’énergie par pompage(STEP), turbinant vers l’aval aux heures de forteconsommation et pompant l’eau vers l’amont auxheures creuses. Celles-ci comprennent d'ailleursfréquemment une partie gravitaire.

• les usines marémotrices au sens large qui utilisentl'énergie du mouvement des mers, qu'il s'agisse duflux alterné des marées, des courants marinspermanents ou du mouvement des vagues.

De plus, selon le débit et la vitesse de l’eau, laturbine sera différente. Pour les faibles hauteursd’eau avec des débits importants (une rivière deplaine alluviale), on fera appel à des turbines à axevertical de type Kaplan ou Francis. Pour les chutesde grande hauteur et de faible débit (cascade outorrent déviés en conduites forcées), des turbines àaxe horizontal de type Pelton ou Francis donnent lesmeilleurs résultats.

Hydraulique

L’hydraulique

Les centrales gravitaires sont celles mettant à profitl'écoulement de l'eau au long d'une dénivellation du sol.Elles sont composées de 3 éléments principaux :

- un barrage plus ou moins important : son rôle est,d’une part, de créer une chute d’eau pour faire tourner lesturbines, d’autre part, de stocker l’eau pour alimenter lacentrale ;

- un canal de dérivation : il prélève l’eau dans sonmilieu naturel pour alimenter le réservoir du barrage. Ilpeut s’agir d’un canal à ciel ouvert, d’une galeriesouterraine ou d’une conduite ;

- une usine : elle comprend des turbines qui tournentgrâce à la chute d’eau et entraînent le générateurd’électricité.

On peut les classer selon trois types de fonctionnement,déterminant un service différent pour le systèmeélectrique. Ce classement se fait en fonction de laconstante de vidage, qui correspond au temps théoriquequi serait nécessaire pour vider la réserve en turbinant àla puissance maximale.

Les centrales au fil de l'eau ont une constante de vidagegénéralement inférieure à 2 heures. Principalementinstallées dans des zones de plaines, elles présententdes retenues de faible hauteur. Elles utilisent le débit dufleuve tel qu'il se présente, sans capacité significative demodulation par stockage. Elles fournissent une énergieen base très peu coûteuse. Elles sont typiques desaménagements réalisés sur les fleuves importantscomme le Rhône et le Rhin.

Les centrales éclusées ont une constante de vidagecomprise entre 2 et 200 heures. Elles présentent des lacsplus importants, leur permettant une modulation dans lajournée voire la semaine. Leur gestion permet de suivrela variation de la consommation sur ces horizons detemps (pics de consommation du matin et du soir,différence entre jours ouvrés et week end...). Elles sonttypiques des aménagements réalisés en moyennemontagne.

Les centrales-lacs (ou centrales-réservoirs) ont uneconstante de vidage supérieure à 200 heures. Ellescorrespondent aux ouvrages présentant les réservoirs lesplus importants. Ceux-ci permettent un stockagesaisonnier de l'eau et une modulation de la productionpour passer les pics de consommation électrique commeen hiver lors des grands froids. Ces centrales sonttypiques des aménagements réalisés en moyenne ethaute montagne.


De plus, on distingue les installations en fonction deleur puissance. En Europe, c’est le seuil depuissance de 10 mégawatts (MW) qui délimite lapetite de la grande centrale hydroélectrique. Loin des’exclure, ces deux catégories d’installation sontcomplémentaires. Si les grands barrages fontl’essentiel de la production électrique de la filière quisera distribuée par le réseau national de transportdu courant, les petites centrales, trèsdécentralisées, sont plus proches desconsommateurs. Elles évitent ainsi le transport del’électricité sur de grandes distances, ce quicontribue à limiter les pertes sur le réseau. LaFrance possède le 2ème parc européen, derrièrel’Italie, de petites centrales hydroélectriquestotalisant une puissance de 2082 MW en 2009.

Les stations de transfert d'énergie par pompage(STEP), en plus de produire de l'énergie à partir del'écoulement naturel, comportent un modepompage. L'électricité ne se stocke pas, tout surplusd'offre par rapport à la demande est donc perdu.

En revanche, l'eau peut se stocker dans desbassins de retenue ou des lacs réservoirs, c'est lapropriété qu'utilisent ces centrales. Elles sont doncparticulièrement utiles pour équilibrer les réseaux detransport et de distribution d'électricité gérés enFrance par RTE et par ERDF.

Ces centrales possèdent deux bassins, un bassinsupérieur et un bassin inférieur entre lesquels estplacée une machine hydroélectrique réversible : lapartie hydraulique peut fonctionner aussi bien enpompe qu'en turbine et la partie électrique aussibien en moteur qu'en alternateur (machinesynchrone). En mode accumulation, la machineconsomme l'électricité produite par d'autrescentrales pour remonter l'eau du bassin inférieurvers le bassin supérieur et, en mode production, lamachine convertit l'énergie potentiellegravitationnelle de l'eau en électricité.

Les STEP consomment toutefois plus d'électricitépour pomper l'eau dans les bassins supérieursqu'elles n'en retirent lors de la chute de l'eau.L'électricité consommée en mode accumulation seretrouve réinjectée au moment opportun dans lesréseaux à hauteur de 70-80%. Ce type de centraleprésente un intérêt économique lorsque les coûtsmarginaux de production varient significativementsur une période de temps donnée (le jour, lasemaine, la saison, l'année...). Elles permettent eneffet de stocker de l'énergie gravitaire, dans lespériodes où ces coûts sont bas, pour en disposerdans les périodes où ils sont élevés.

L'intérêt des STEP dépend également du mixénergétique prévalant dans la productiond'électricité locale. Si la production d'électricité estmajoritairement assurée par des sources deproduction d'électricité en base peu flexibles et peumodulables (nucléaire, hydroélectrique au fil del'eau), comme c'est le cas en France, les STEP sontun excellent moyen d'utiliser des quantitésd'électricité qui pourraient être perdues.

La STEP la plus connue en France se trouve dansla vallée de l'Eau d'Olle (dans les Alpes), et relie lelac du Verney (retenue aval) au barrage deGrand'Maison (retenue amont).

Le parc hydraulique français bouge peu depuisplusieurs années. Dans la grande hydraulique, lessites potentiels étant tous exploités, les évolutionsdu parc ne peuvent être observées que grâce à larénovation des centrales.

Hydraulique

Les usines marémotrices (au sens large) utilisentl’ensemble des énergies renouvelables produitesgrâce au milieu marin. Les sources exploitables sontnombreuses et nécessitent chacune destechnologies très spécifiques. On distingue cinq fluxd’énergie différents :

Les courants de marées représentent une sourced’énergie marine appelée à un développementrapide car ces courants sont concentrés, proches decôtes et hautement prévisibles. Le système debarrage marémoteur exploite les variations duniveau de la mer pour produire de l’électricité. Cetype de centrale hydroélectrique nécessite un siteapproprié (baie ou estuaire) où les amplitudes desmarées sont importantes. Un barrage est établi entravers du site (baie ou estuaire), un bassin est doncformé. L’usine marémotrice fonctionne ensuite sur leprincipe des vases communicants. Deux cyclesd’exploitation sont possibles : le simple ou le doubleeffet. Ce choix est fait en fonction de la hauteurd’eau disponible ainsi que des prévisions demarnage (différence entre la haute-mer et la basse-mer) afin d’obtenir un rendement optimal.

Le fonctionnement en cycle simple effet est lesuivant : à marée montante, le barrage est ouvertgrâce à des vannes, il laisse passer la mer quienvahit le bassin de retenue.

Le bassin se remplit jusqu’à atteindre son plus hautniveau et dès que la marée se prépare àredescendre, le barrage est fermé. A maréedescendante, il faut attendre que le niveau de la merait suffisamment baissé.


On laisse alors l’eau stockée dans le bassin sedéverser dans la mer en entraînant des turbineshydroélectriques.

Le fonctionnement en cycle double effet nécessitedes turbines réversibles qui peuvent fonctionnerdans les deux sens. A marée montante, les vannessont fermées. Une fois que le bassin a atteint sonplus bas niveau et la mer son niveau optimal, lesvannes sont ouvertes : le bassin se remplit et lahauteur de chute importante permet de générer del’énergie. A marée descendante, le fonctionnementest identique au cycle simple effet : l’eau stockéedans le bassin se déverse dans la mer en entraînantdes turbines hydroélectriques.

Quel que soit le cycle de fonctionnement, unsystème de pompage peut être activé pouraugmenter le niveau du bassin. Cela permetd’amplifier et d’anticiper la production en fonctiondes besoins en électricité du réseau. Lorsque leniveau de la mer et celui du bassin sont trèsproches, le remplissage de ce dernier est accélérépar le pompage. Ce supplément permetd’augmenter le volume d’eau du bassin et ainsid’augmenter le temps d’exploitation de l’usine et lerendement de l’usine.

Le système de barrage marémoteur a étéessentiellement mis en œuvre sur l’installation de laRance, inaugurée en 1966 entre Saint-Malo etDinard. Il comporte 24 turbines ayant une puissancede 10 MW, soit une puissance totale de 240 MW cequi en fait le plus grand site de productiond’énergies marines au monde.

L'énergie des vagues (ou force houlomotrice) offreune importante ressource brute en énergie. Il existeplusieurs types de dispositifs pour récupérerl'énergie des vagues.

Les colonnes d'eau oscillantes côtières recueillentles vagues en fin de course. L'eau entre dans uncaisson où elle comprime de l'air aspiré quand lamer se retire. Cet air comprimé fait alors tournerune turbine qui entraîne un générateur électrique.

Hydraulique

L’énergie thermique est l’une des premièresexploitations énergétiques de l’océan, avec unpremier projet français mis en œuvre en 1935. Leprincipe est toujours utilisé aux États-Unis, en Indeet au Japon, pays les plus avancés dans larecherche sur le sujet.

L’énergie thermique des mers est l’exploitationd’une différence de température de 20 °C entrel’eau située environ à 1 000 mètres de profondeur etl’eau située en surface, réchauffée par lerayonnement solaire. Il faut en pratique unetempérature de surface de 24 °C, des conditionsque l’on rencontre principalement en zoneintertropicale et plus particulièrement dans lePacifique.

Encore peu présente en France, cette énergie sedéveloppe dans plusieurs pays européens (enEcosse ou au Portugal par exemple).

L’énergie des courants océaniques, comme pourcelle des courants de marées, pourra être récupéréeen plaçant une hélice, une aile plane oscillante oud’autres systèmes dans le flux de déplacementd’eau. Toutefois il existe peu de projets, car lescourants océaniques sont lents : le Gulf Stream sedéplace à environ 1 mètre par seconde (m/s) alorsque les hydroliennes étudiées pour les courants demarées nécessitent des vitesses de 2 à 3 m/s.

L’exploitation de la pression osmotique nécessite del’eau douce pour tirer parti de la différence desalinité avec l’eau de mer, en disposant unemembrane entre les deux. Le phénomène d’osmoseva instantanément tenter de rééquilibrer la salinitédes masses d’eau et créer un flux à travers lamembrane, de l’eau douce vers l’eau salée pour ladiluer. Ce flux provoque une surpressionhydrostatique (côté eau salée) susceptibled’entraîner une turbine électrique. La membrane estl’élément clé du système et une production de4 W/m² est nécessaire pour envisager laconstruction de centrales permettant une générationélectrique significative, de l’ordre de 70 kW pour unemembrane de 120 x 150 m. Les estuaires sont leslieux d’implantation de prédilection des centralesosmotiques puisqu’on y trouve de l’eau salée et del’eau douce. Les quelques projets sur le sujet sontencore peu avancés.

Hormis la construction des dispositifs, l’exploitationdes énergies marines pose des problèmes commela corrosion des matériaux par l'eau de mer, lescontraintes environnementales, le besoin d'un accèspour la maintenance ou la connexion au réseauélectrique.

Selon EDF, le potentiel français techniquementexploitable est de 5 à 14 TWh par an, soit unepuissance installée de 2,5 à 3,5 GW. Parmi lesprojets, la société quimpéroise Sabella s’estdémarquée en 2008 en immergeant quelques moisle premier prototype français d’hydrolienne. 2012voit l’île d’Ouessant se doter d’une hydrolienne pourrésoudre son approvisionnement énergétique,coûteux en raison de son isolement. A terme, cettehydrolienne, baptisée Sabella D10, couvrira 40 %de la consommation énergétique de l’île.


Le Soleil est l’étoile centrale de notre systèmesolaire qui comporte 8 planètes, des planètesnaines (dont Pluton), des comètes et des astéroïdesainsi qu’une bande de poussière.

C’est dans le cœur du Soleil que se produisent lesréactions thermonucléaires qui transformentl’hydrogène en hélium : c’est la fusion nucléaire.

Les panneaux solaires photovoltaïques

Un panneau solaire photovoltaïque est constituéd’un ensemble de cellules photovoltaïques. Chaquecellule photovoltaïque est constituée de semi-conducteurs, principalement à base de silicium.Sous l’effet de la lumière, ces composantsélectroniques vont produire de l’électricité : c’estl’effet photoélectrique.

L'effet photoélectrique a été présenté dès 1839 parAntoine Becquerel. Son expérience permettaitd'observer le comportement électrique d'électrodesimmergées dans un liquide, modifié par unéclairage. Son principe a été compris et présentéen 1887 par Heinrich Rudolf Hertz. Albert Einsteinfut le premier, en 1905, à en proposer uneexplication, en utilisant le concept de particule delumière, appelé aujourd'hui photon. Cettedécouverte lui valut le prix Nobel de physique en1921.

Solaire

Le solaire

Gisement solaire en France (source ADEME)

La totalité de l’énergie qui y est produite doittraverser de nombreuses couches successivesjusqu’à la photosphère, avant de s’échapper dansl’espace sous forme de rayonnement solaire :lumière visible, U.V. pour ne citer que les plusconnus.

Sur Terre, le Soleil fournit donc un travail rayonnantet de la chaleur (travail thermique). Ils varient selonla zone du globe, la saison, la nébulosité du jour, …

Une cellule photovoltaïque est donc un générateurélectrique de tension continue qui convertit le travailrayonnant en travail électrique avec un rendement de10 à 20 %. Chaque cellule ne génère qu’une petitequantité d’électricité. Assemblées en série et enparallèle, elles fournissent une tension et un courantélectrique : on obtient ainsi des modulesphotovoltaïques. Ce sont eux qui sontcommercialisés. Le matériau utilisé étant très fragile,il est nécessaire de le protéger des chocs par unverre transparent et solide. Les enveloppesemployées actuellement sont étudiées pour résisterde vingt à trente ans aux agressions del’environnement. Les modules ont en général uneforme rectangulaire et quelques millimètres ou plusd’épaisseur. Leur surface varie entre quelquescentimètres carrés et trois mètres carrés. Un modulelaminé en verre (type le plus courant) de 1 m² pèseenviron 10 kg.


Il sert à transformer le courant continu produit parles modules en courant alternatif identique à celuidu réseau. Il coupe également le courant venantde votre installation si le réseau est mis horstension : cette précaution assure la sécurité dupersonnel d’intervention. Sa durée de vie est d’unedizaine d’années.

Solaire

Un type de cellule photovoltaïque au silicium crist allin(source ADEME)

L’énergie réellement captée par un moduledépend de la surface, de la puissance nominaledu panneau, de son orientation et de soninclinaison mais aussi de l’ensoleillement, variableselon la latitude, la saison, l’heure de la journée, lamétéo, le masquage subi, etc.

Suivant le branchement électrique des cellules, latension continue délivrée est comprise entre 10 et100 volts. Une tension continue convientparfaitement pour de nombreuses applicationsnotamment pour le stockage de l’énergie dans unebatterie. Cependant, pour l’injecter dans le réseaude distribution (utilisation dans l’habitat ourevente), un onduleur doit être installé.

Les panneaux solaires thermiques

L’énergie solaire peut servir à chauffer votre eausanitaire grâce à un chauffe-eau solaire individuel(CESI), mais aussi alimenter un système ayant ladouble fonction de chauffage et de productiond’eau chaude : le système solaire combiné (SSC),aussi appelé “combi”. D’une façon générale, unchauffe-eau solaire couvre entre 40 et 80 % desbesoins en eau chaude, et un SSC de 25 à 60 %des besoins en chauffage et en eau chaude.

La production d’eau chaude à l’aide de capteurssolaires est possible partout en France.Cependant, suivant la région, la surface descapteurs sera différente pour produire la mêmequantité d’eau chaude.

Le tableau indicatif ci-contreprend pour base de calcul uneconsommation journalière parpersonne de 50 litres d’eauchaude à 45 °C et unecouverture des besoins par lesolaire comprise entre 50 et 70%.

Département Education Futuroscope -19 - Solaire

Ci-contre : le schéma de principe de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire à

éléments séparés avec chauffage d’appoint.

Le capteur solaire (1) est en général placé sur un toit. Ilcomprend :

• une plaque et des tubes métalliques noirs. Ilsconstituent l’absorbeur. C’est le cœur du « systèmesolaire » qui reçoit le rayonnement solaire et s’échauffe .

• un coffre rigide et thermiquement isolé entourantl’absorbeur. Sa partie supérieure, vitrée, laisse pénétrerle Soleil et retient la chaleur comme une petite serre.

Le circuit primaire (2) a pour rôle de transporter lachaleur. Il est étanche et calorifugé (principe duthermos). Il contient de l’eau additionnée d’antigel quis’échauffe en passant dans les tubes du capteur, et sedirige vers un ballon de stockage.

La chaleur est restituée grâce à un échangeur thermique(serpentin), il cède ses calories solaires à l’eau sanitaire(3). Le liquide caloporteur, refroidi, repart vers le capteur(4) où il est chauffé à nouveau tant que l’ensoleillementreste efficace.

Le ballon solaire (5) est une cuve métallique bien isolée.Il constitue la réserve d’eau sanitaire. L’eau chaudesoutirée est remplacée immédiatement par la mêmequantité d’eau froide du réseau (6), réchauffée à son tourpar le liquide caloporteur du circuit primaire. Lacirculation du liquide peut être naturelle ou forcée.

� dans le premier cas, le liquide caloporteur circule grâceà sa différence de densité avec l’eau du ballon. Tant qu’ilest plus chaud, donc moins dense qu’elle, il s’élèvenaturellement par thermo-circulation. Le ballon doit êtreplacé plus haut que les capteurs.

� dans le second cas, une petite pompe électrique, lecirculateur (7), met en mouvement le liquide caloporteurquand il est plus chaud que l’eau sanitaire du ballon. Sonfonctionnement est commandé par un dispositif derégulation (8) jouant sur les écarts de températures : si lasonde du ballon (10) est plus chaude que celle ducapteur (9), la régulation coupe le circulateur. Sinon, lecirculateur est remis en route et le liquide primaireréchauffe l’eau sanitaire du ballon.

Partout en métropole, on doit faire face à des périodesdéfavorables (hiver, demi-saison, longue période demauvais temps). L’énergie solaire ne peut alors assurer latotalité de la production d’eau chaude. Aussi, le ballon estéquipé d’un dispositif d’appoint qui prend le relais en casde besoin et reconstitue le stock d’eau chaude. Il peuts’agir :

� d’une résistance (appoint électrique), souvent placée àmi-hauteur du ballon solaire ;

� d’un échangeur (11) (appoint hydraulique) raccordé àune chaudière (12) (gaz, fioul, bois) située en aval duballon.

Un second ballon pourvu d’un réchauffeur électrique peutégalement servir d’appoint.

Les centrales solaires à concentration

La concentration optique des rayons du Soleil permetd’obtenir de très hautes températures. Selon lesdifférentes technologies de captage, la chaleur produiteest généralement comprise entre 400 °C et 1 000 °C. Ondistingue deux usages principaux :

la production de chaleur (thermique),la production d’électricité (thermodynamique).

Dans leur principe, les concentrateurs optiquessuperposent en un même point des rayons solairescollectés sur une surface de captage, le plus souventformée de miroirs. Différentes géométries deconcentrateurs ont été expérimentées. Ils sont dotés dedispositifs de suivi de la course du Soleil, en hauteur ouen hauteur et en azimut.

Département Education Futuroscope -20 - Solaire

Dans les centrales solaires à concentration, onpeut produire de grandes quantités d’électricité.Cette filière, promue dans les années 1970, a étédélaissée à la suite du contre-choc pétrolier de1986. Aujourd’hui, elle intéresse à nouveau lesindustriels, les investisseurs et les compagniesélectriques, car elle est source de kilowattheurespropres et participe ainsi à la lutte contre l’effet deserre. En concentrant l’énergie solaire, on obtientune température très élevée qui permet deproduire de la vapeur. En faisant tourner uneturbine, la vapeur génère de l’électricité destinéeau réseau de distribution général : c’estl’héliothermodynamique.

La France s’était trouvée à la pointe du secteurdans les années 1980 avec la mise en service deThémis à Targassonne dans les Pyrénées-Orientales. Il s’agissait d’une centrale à tour d’unepuissance de 2 500 kilowatts (kW).

L'inconvénient des centrales solaires àconcentration est qu'elles ne peuvent pas produired'électricité la nuit. Il y a deux solutions pour palier àce problème :

• soit une partie de la chaleur apportée par le circuitprimaire pendant les heures d'ensoleillement eststockée afin de l'utiliser pendant la nuit,

• soit on utilise un carburant conventionnel commele gaz pour prendre le relais du Soleil dans sonabsence.

La centrale Solar Tres construite près de Séville ausud de l'Espagne a pu démontrer que le stockagede la chaleur dans des sels de nitrate fonduspermettait de continuer la production d'électricitélors du passage de nuages et pendant une partie dela nuit.

Les centrales solaires à effet de cheminée

La surface de captage solaire est formée d'unecouverture transparente tenue à une certainehauteur du sol, créant une serre ouverte à lapériphérie mais attachée à une cheminée aucentre. L'air dans la serre est chauffé par le soleil,devient plus léger et monte vers la cheminée. Letirage thermique ou "effet de cheminée" induit unedépression et aspire l'air de l'extérieur à travers lasurface de captage.

La vitesse du mouvement de l'air est déterminéepar la différence de température entre la partiebasse et la partie haute de la cheminée et de sahauteur. L'effet de cheminée peut fonctionner 24heures sur 24, à cause de la chaleur dans la serredue au rayonnement solaire pendant la journée etdue au rayonnement de la chaleur emmagasinéedans le sol, pendant la nuit.

L'électricité est produite quand l'air montantpasse à travers des turbines des générateurs àl'entrée de la cheminée.

Un prototype de tour solaire est implanté àManzanares, en Espagne. Inventée parl’ingénieur allemand Jörg Schlaich, cettepremière tour solaire de 195 m de haut a étéconstruite en 1982. Sa puissance est de 50kilowatts (kW). Le prototype a fonctionnépendant 7 ans. Son arrêt est dû au coût dukilowattheure qui n'était pas compétitif. Lasurface de la serre au pied de la cheminéemesure près de 46.000 m².


Depuis près de 4 000 ans, l’Homme a appris àutiliser l’énergie éolienne. Les Phéniciens semblentêtre le premier peuple à avoir utilisé la force du ventpour propulser leurs navires de guerre ainsi queleurs embarcations marchandes à l’aide de voiles.

Plusieurs siècles après, les moulins à ventapparaissent en Orient, en Égypte antique et enIran. Ils permettent de convertir l'énergie éolienneen énergie mécanique. Elle est généralementutilisée pour moudre du grain, battre le fer, le cuivre,le feutre ou les fibres du papier ou relever de l'eaucomme en Perse dès l'an 600.

C’est à la fin du XIXème siècle que les premiersaérogénérateurs (éoliennes produisant directementde l’électricité) sont apparus. En 1888, l’américainCharles F. Brush a construit une grande éoliennepour alimenter sa maison en électricité, avec unstockage par batterie d'accumulateurs. La premièreéolienne « industrielle » génératrice d'électricité aété mise au point par le Danois Poul La Cour en1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse.

Le fonctionnement d’un aérogénérateur est simpleet s’inspire de la technologie des moulins à vent.

La machine est constituée d’un rotor à 2 ou 3 pales,d’un système de transmission mécanique directe ouà multiplicateur et de circuits de gestion du courant.L’ensemble se trouve dans la nacelle posée sur lemât de l’éolienne. Un anémomètre et une girouettedéterminent respectivement la vitesse du vent et ladirection, et communiquent ses informations à unsystème de contrôle électronique. Un moteurélectrique permet d’orienter la partie supérieure afinqu’elle soit toujours face au vent. Le vent fait tournerles pales entre 10 et 25 tours par minute. La vitessede rotation des pales est fonction de la taille decelles-ci. Plus les pales seront grandes, moins ellestourneront rapidement. Les éoliennes fonctionnentpour des vitesses de vent comprises entre 11 et90 km/h. Au-delà, elles s’arrêtent pour des raisonsde sécurité.

La production électrique varie selon la vitesse duvent. C’est avec des vents de 45 à 90 km/h quel’éolienne produit sa puissance maximale.La plupart des générateurs ont besoin de tourner àgrande vitesse (de 1 000 à 2 000 tours par minute)pour produire de l’électricité. Ainsi, le multiplicateura pour rôle d’accélérer le mouvement lent des pales.L’électricité produite par le générateur a une tensiond’environ 690 volts. Ne pouvant pas être utiliséedirectement, elle est traitée grâce à unconvertisseur, et sa tension est augmentée à 20 000V. Elle est alors injectée dans le réseau électrique etpeut être distribuée aux consommateurs.

Tous les éléments d’un aérogénérateur font appel àce que la technologie offre d’aujourd’hui de mieux.Ainsi les pales ont des profils et des matériaux issusde l’aéronautique. Quant aux parties électriques,leur rendement avoisine souvent 100 %, les pertesétant plutôt d’origine mécanique (frottements,rendements des engrenages, etc.). Globalement,les aérogénérateurs sont des machines qui affichentun bon rendement, puisqu’elles sont en mesure detransformer en électricité 30 à 50 % de l’énergie duvent.

Eolien

L’éolien

Schéma d’une éolienne ©ADEME

Les éoliennes couramment installées aujourd’huiont une puissance entre 1,5 et 3 mégawatts (MW).Une machine de 2 MW a un rotor de 70 à 90 m dediamètre et la nacelle est perchée sur un mât de 60à 100 m de hauteur. La pointe d’une pale atteint unehauteur maximale entre 100 et 140 m au-dessus dusol.

Les éoliennes récentes sont peu bruyantes, et desétudes n’ont pas montré d’impact particulier du bruitsur les riverains des parcs éoliens. Les machinesfont l’objet de perfectionnements techniquesconstants pour réduire encore le bruit : diminutionde la vitesse de rotation des pales, engrenages deprécision silencieux, montage des arbres detransmission sur amortisseurs, capitonnage de lanacelle.


Par ailleurs, le terrain autour de l’éolienne doit êtredégagé afin de ne pas perturber les courants d’air.De plus, les vents existants entre les cols, ausommet d’une colline ou proche de la mer,permettent d’obtenir les meilleures performancesd’une éolienne. Il faut également tenir compte despossibilités pour raccorder l’éolienne au réseau sinécessaire car l’ajout de nouvelles lignes detransport d’électricité est très coûteux. Il fautégalement évaluer tous les effets que peut entraînerune telle installation sur la faune, la flore et lapopulation humaine dans le voisinage.

La France bénéficie d’un gisement éolien important,le deuxième en Europe après les Iles britanniques.Les régions ventées sont celles indiquées en bleusur le schéma.

Eolien

Echelle du bruit (en dB) ©ADEME

L’énergie éolienne favorise le respect del’environnement durant tout son cycle de vie(fabrication, utilisation, fin de vie). La fabricationdes éoliennes nécessite bien sûr de l’énergie,mais l’énergie utilisée est restituée en quelquesmois. Lors de leur utilisation, les éoliennes quiutilisent uniquement l’énergie du vent, nerejettent aucun gaz à effet de serre. Lors de lafin de vie d’un parc éolien, un site peut êtredémantelé à tout moment et en quelques jours,assurant une totale remise en état du site. Lesmatériaux utilisés pour la fabrication étantrecyclables, ils peuvent servir pour laproduction d’autres objets.

Il est important de bien choisir le terrain enfonction de ses ressources éoliennes (force etrégularité du vent). Il faut savoir qu’une éoliennene fonctionne pas toute l’année à sa puissancenominale (maximale). On définit ainsi le facteurde capacité qui est l’énergie réelle produitedans un an divisée par la production théoriquede l'éolienne si elle fonctionnait à sa puissancenominale pendant un an, soit 8766 heures. Cefacteur est le plus souvent entre 25 % et 30 %.

En effet, la production électrique dépend desvents qui ne sont pas constants sur l’année. Ilvente plus en hiver qu’en été, le vent estégalement plus fort le jour que la nuit. C’estpourquoi, pour envisager l’installation d’uneéolienne, la vitesse moyenne annuelle du ventdoit être supérieure à 15 km/h. Ceci représenteune vitesse minimale d’opération, mais onsouhaite généralement une vitesse d’environ 45km/h. Pour des raisons de sécurité, il fauttoutefois éviter de placer des éoliennes là où lesvents sont souvent forts.

3 352 éoliennes étaient installées en octobre 2010soit une puissance éolienne installée totale de 5 322mégawatts. Même si la part de l’éolien dans laproduction d’électricité en France est encore faible(1,6 % en 2010), sa progression est rapide etimportante. Elle a augmenté de 38 % entre 2009 et2010.

Le parc éolien le plus important est celui de Frugesdans le Pas-de-Calais. Il compte 70 éoliennes pourune puissance totale installée de 140 MW. Ce parcpeut alimenter en électricité une populationd’environ 126 000 habitants. La Picardie est larégion qui possède la plus grande puissanceéolienne installée en France.


La biomasse représente l’ensemble de la matièreorganique, qu’elle soit d’origine végétale ouanimale. Elle peut être issue de forêts, milieuxmarins et aquatiques, haies, parcs et jardins, desdéchets organiques ou des effluents d’élevage.Cette matière organique est la matière qui composeles êtres vivants et leurs résidus, ayant pourparticularité d’être toujours composée de carbone(du bois aux feuilles en passant par la paille, lesdéchets alimentaires, le fumier…).

Dans le domaine de l'énergie, et plusparticulièrement des bioénergies, le terme debiomasse désigne l'ensemble des matièresorganiques d'origine végétale (algues incluses),animale ou fongique pouvant devenir sourced'énergie par combustion (bois énergie ou biomassesolide), après méthanisation (biogaz) ou après denouvelles transformations chimiques (biocarburant).

La biomasse est utilisée par l'Homme depuis qu'ilmaîtrise le feu. Elle reste la première énergierenouvelable utilisée dans le monde, pour lechauffage et la cuisson surtout, maisessentiellement dans les pays peu industrialisés.L'énergie tirée de la biomasse intéresse à nouveaules pays riches confrontés au dérèglementclimatique et à la perspective d'une crise desressources en hydrocarbures fossiles. C'est unefilière en développement rapide, y compris sous desformes industrielles avec les biocarburants et le boisénergie à usage industriel.

La biomasse est aujourd'hui, de loin, la premièreénergie renouvelable en France : en 2009, la Francea produit 13 742 ktep (kilotonne d’équivalent pétrole)à partir de biomasse contre 4 913 ktep pourl’hydraulique et seulement 692 ktep pour l’éolien et67 ktep pour le solaire. Cette filière est endéveloppement rapide.

L'énergie tirée de la biomasse est considéréecomme une énergie renouvelable et soutenable tantqu'il n'y a pas surexploitation de la ressource, miseen péril de la fertilité du sol, de compétitionexcessive d'usages (des terres arables, de l'eau), nid'impacts excessifs sur la biodiversité, etc.

La biomasse dégage très peu de gaz à effet deserre. Bien sûr, tout comme le charbon ou lepétrole, lorsque des éléments de la biomassebrûlent, cela dégage du dioxyde de carbone (CO2),

le principal gaz responsable du réchauffementplanétaire. La différence, c'est que la biomasse nefait pas qu’émettre du dioxyde de carbone, elle en astocké aussi… en poussant !

Les plantes sont en effet les plus efficaces desusines chimiques. Elles sont capables detransformer le dioxyde de carbone de l'air, lalumière du soleil et l'eau en énergie et en dioxygènegrâce à une réaction chimique : la photosynthèse.Ce mécanisme permet aux plantes de grandir, maiségalement participe au quotidien à lutter contre leréchauffement en fixant le dioxyde de carbone et enrendant l'air respirable grâce à la production dedioxygène (O2). Par exemple, chaque tonne de boispoussée équivaut ainsi à 0,5 tonne de dioxyde decarbone fixé !

Biomasse

La biomasse

Illustration : SER - http://www.mtaterre.fr/

La combustion restitue la même quantité de dioxydede carbone qui a été absorbée durant la croissancede la plante. Emission et absorption de dioxyde decarbone sont donc très proches dans le temps cequi permet un bilan équilibré et un impact surl’environnement presque nul. Ce qui n’est pas le caspour les énergies fossiles car le dioxyde de carboneest relâché plusieurs centaines de millions d'annéesaprès son absorption…


La biomasse solide (ou bois énergie) représente lesmatériaux d’origine biologique qui peuvent êtreemployés comme combustible pour la production dechaleur ou d’électricité. Le combustible provientd’origines très variées. Ce sont principalement lesressources ligneuses (à base de lignine) d’origineforestière, agricole ou urbaine : le bois bûche, lesgranulés de bois, les déchets de bois sous forme deplaquette ou de sciure… Toutes les essencesd’arbre peuvent convenir, feuillus ou résineux. Lespeuplements non forestiers comme les parcs, lesjardins, les bords de routes et les haies bocagèresfournissent aussi du combustible. L’agriculture et lesecteur agroalimentaire fournissent également desmatières organiques cultivées à cette fin (céréales)ou des résidus (balles de riz, coquilles de noix…)utilisés pour la production d’énergie. Enfin, lesliqueurs noires, issues de l’industrie papetière, et lesdéchets urbains solides renouvelables sont aussiconsidérés comme biomasse solide.

Actuellement, comme dans la plupart des payseuropéens, la surface boisée française augmented’année en année. En France, la récolte annuelle debois est inférieure à la production biologique de laforêt (on ne récolte au plus que 60 % environ de cequi pousse chaque année). Le développement de lafilière biomasse solide ne contribue donc pas à ladéforestation. Et, comparé aux énergies fossiles, ladurée de reconstitution du bois est de loin la plusrapide : de 15 à 200 ans contre 250 à 300 millionsd’années pour le charbon, et 100 à 450 millionsd’années pour le pétrole. L'utilisation de 4 tonnes debois comme énergie permet d'économiser 1 tonned’équivalent pétrole (tep) (c'est-à-dire la chaleur queproduirait la combustion d’une tonne de pétrole) etd'éviter l'émission de 1,5 à 2,5 tonnes de dioxyde decarbone dans l'atmosphère.

La biomasse solide se prête mieux à la productionde chaleur pour le chauffage, la production devapeur pour des procédés industriels, le séchage…Quand on parle de « chauffage au bois », on pensesouvent à un joli feu de cheminée qui permet unchauffage d’appoint.

Des poêles ou des chaudières à granulés ouplaquettes de bois, par exemple, permettentaujourd’hui de chauffer une maison entièrementavec du bois. Cependant, pour que ce type dechauffage soit efficace et intéressant au point devue environnemental, il faut que le combustible (lebois) soit sec et la combustion de bonne qualité. Eneffet, le bois, s’il n’est pas de bonne qualité (humideou traité par exemple) peut émettre des polluants,

favorisant ainsi la pollution atmosphérique. Unemauvaise combustion entraîne également desémissions de polluants et de poussières et unmauvais rendement de l'appareil de chauffage (lacombustion ne dégage pas assez de chaleur).

Il est aussi possible de produire de l’électricité : lavapeur produite fait tourner des turbines quigénèrent du courant. Toutefois, la productiond’électricité seule à partir de biomasse solideprésente un rendement faible.

Les chaufferies à bois sont de véritables usines quibrûlent le bois pour produire de la chaleur et/ou del’électricité. Elles comportent une chaudière et unsilo de stockage du combustible (il s'agit le plussouvent de bois sous la forme de plaquettes ou depetits granulés car sous ces formes particulières, lebois peut être transporté jusqu’au foyer de lachaudière de façon automatique). Les fuméesproduites lors de la combustion sont évacuées parun conduit qui filtre les particules et enfin, un réseaude canalisations enterrées et isolées distribue lachaleur vers les différents bâtiments et/ou la turbine(pour produire de l'électricité).

Les usines d’incinération de déchets produisent dela chaleur à partir de nos déchets en les brûlant. Sil’incinérateur est à cogénération, on peut produire, àpartir des déchets, de la chaleur et/ou del’électricité. Ainsi, cette technique est intéressanted'un point de vue environnemental sous plusieursangles :� elle permet de tirer le meilleur parti du contenuénergétique des déchets en produisant de la chaleursusceptible d'alimenter un réseau de chaleur urbainet/ou d'être transformée en électricité.� elle permet de diminuer fortement le volume desdéchets et leur masse.� elle émet moins de gaz à effet de serre que lestockage, qui provoque inévitablement des fuites deméthane (CH4) qui est un puissant gaz à effet deserre issu de la dégradation des déchets organiquessans oxygène.

En 2008, en France, environ 28 % du volume desdéchets ménagers était orienté vers l’incinération.La majeure partie de l’énergie produite était utiliséesous forme de chaleur alimentant les réseaux dechauffage (68 % en 2008, contre 76 % en 2002). Lereste était valorisé sous forme d'électricité.

Aujourd’hui, près de 10 mégatonnes d’équivalentpétrole (Mtep) de biomasse solide sont utiliséespour la valorisation énergétique. Or, du fait de lafaible performance du parc d’équipements français,cette consommation ne génère qu’une productionde 5 Mtep d’énergie utile.

Biomasse


En 2008, en France, environ 28 % du volume desdéchets ménagers était orienté vers l’incinération.La majeure partie de l’énergie produite était utiliséesous forme de chaleur alimentant les réseaux dechauffage (68 % en 2008, contre 76 % en 2002). Lereste était valorisé sous forme d'électricité.

Aujourd’hui, près de 10 mégatonnes d’équivalentpétrole (Mtep) de biomasse solide sont utiliséespour la valorisation énergétique. Or, du fait de lafaible performance du parc d’équipements français,cette consommation ne génère qu’une productionde 5 Mtep d’énergie utile.

Le biogaz est un gaz combustible. Le préfixe bio(vivant) indique sa provenance : ce sont lesmatières organiques, qui libèrent le biogaz lors deleur décomposition selon un processus defermentation. On l’appelle aussi gaz naturel“renouvelable”, par opposition au gaz natureld’origine fossile.

La fermentation est un phénomène de dégradationdes substances organiques. Quand la fermentationse déroule en présence d’air, on la qualified’« aérobie » ; l’exemple le plus connu étant lecompostage. En l’absence d’air, donc de dioxygène,la fermentation est dite « anaérobie » : on parlealors de méthanisation.

Chimiquement, le biogaz se compose d’environdeux tiers de méthane (CH4) et d’un tiers dedioxyde de carbone (CO2). D’autres substancessont aussi présentes sous forme de traces (vapeurd’eau, azote, soufre, oxygène, éléments organo-halogénés) qui le rendent moins pur et plus corrosifque le gaz naturel fossile.

Nos sociétés de consommation génèrent de tellesquantités de déchets que la nature ne peut seule“recycler” les tonnages de biogaz produits. Or lebiogaz est composé pour deux tiers de méthane, ungaz qui engendre un effet de serre 21 fois pluspuissant que le dioxyde de carbone. Il est doncprimordial de le récupérer, une action à la foisdépolluante et génératrice d’énergie.

La méthanisation et l’utilisation du biogazpermettent à la fois de :� réduire le volume de déchets� récupérer l’énergie dégagée par la décompositiondes déchets organiques pour produire de la chaleuret/ou de l’électricité (valorisation énergétique).� augmenter la part de production d’énergierenouvelable� réduire les émissions de gaz à effet de serre envalorisant le méthane dégagé lors de ladécomposition des déchets et en équilibrant le bilancarbone.

Biomasse

Les unités de méthanisation accélèrent lephénomène naturel de la méthanisation en plaçantla matière organique dans un digesteur. A l'intérieur,les microorganismes sont privés de dioxygène et ilrègne une température de 38 °C. Ils sont ainsiplacés dans les conditions idéales pour favoriserleur développement, ils accélèrent la dégradationdes déchets et produisent du biogaz. Selon les cas,les déchets mis dans des unités de méthanisationpeuvent avoir des origines très variées : déchetsverts et agricoles comme le lisier, la paille, la tontede gazons, les déjections animales, les boues et lesgraisses des stations d’épuration mais égalementles déchets industriels (provenant des industriespapetières, agro-alimentaires et pharmaceutiques).Après fermentation et extraction du biogaz, onextrait la matière restante, le digestat. Il ne dégagepas d’odeur et se présente sous forme de compostou d’effluent liquide. Après un éventuel traitement, ledigestat pourra être épandu pour fertiliser les terresagricoles. Alors que l'Allemagne, les Pays-Bas, laSuède, l'Autriche ou encore la Suisse injectentd'ores et déjà du biogaz dans leur réseau, la Francede son côté tarde encore à donner son feu vert.

Le biogaz peut être utilisé dans le domaine destransports. Cependant, pour qu’il puisse êtrevalorisé comme carburant, le biogaz doit subirplusieurs traitements afin d’obtenir la même qualitéque le gaz naturel pour véhicules (GNV) : épuration,concentration pour obtenir 96 % de méthane,compression… Du fait de ses conditions dedistribution, le biogaz carburant a d’abord intéresséles flottes captives : plusieurs dizaines de véhiculesutilitaires (bus, bennes à ordures…) fonctionnentd’ores et déjà au biogaz principalement en Suède.Les particuliers peuvent aussi rouler au biogaz, enSuisse notamment où l’industrie gazière et lesproducteurs de biogaz ont signé une convention quiprévoit l’obligation pour les stations-services deGNV de délivrer au moins 10 % de biogaz.

Illustration : SER - http://www.mtaterre.fr/

Département Education Futuroscope -26 - Biomasse

Les biocarburants, parfois appelés agrocarburants,sont issus de la biomasse. Il existe principalementdeux filières industrielles : l’éthanol et le biodiesel.Ils peuvent être utilisés purs comme au Brésil(éthanol) ou en Allemagne (biodiesel), ou commeadditifs aux carburants classiques. La France ad’abord opté pour cette dernière solution, maisautorise depuis 2006 un pourcentage plus élevéd’éthanol en mélange (E85 = jusque 85 % d’éthanoldans le réservoir).

L’éthanol est le premier carburant d’origine végétaleà avoir été utilisé. Il s'agit d'un alcool produit par lafermentation des sucres contenus dans les plantesriches en sucre (betteraves, topinambours, canne àsucre...) ou en amidon (pomme de terre, céréales)ou en cellulose (bois, paille...). Il est produit enFrance à 70 % à partir de la betterave, et à 30 % àpartir de céréales. Il peut être utilisé en mélangedirect dans l’essence, mais le choix fait par lespétroliers jusqu’en 2006 pour lui donner despropriétés plus adaptées à leur outil industrielconsistait à le faire réagir avec de l’isobutylène (ou2-méthylpropène), un dérivé du pétrole. Il formealors l’ETBE (éthyl-tertio-butyl-éther), composé de47 % de bio-éthanol et 53 % d’isobutylène. L’ETBEet l’éthanol pur se rencontrent maintenant tous deuxdans les mélanges à la pompe.

Le biodiesel est connu en France sous son nom demarque Diester et est issu des graines oléagineuses(colza, tournesol). Après pressage et raffinage desgraines, l’huile est mélangée avec du méthanol, afinde lui donner des propriétés proches du gazole(viscosité, stabilité, etc.). La réaction de 90 % d’huileavec 10 % de méthanol donne 10 % de glycérine et90 % d’ester méthylique d’huiles végétales (EMHV),plus communément appelé biodiesel.

La première génération de biocarburants est doncissue de produits alimentaires (blé, maïs,betteraves, colza) via des processus techniquessimples. Cependant, le bilan environnemental estmédiocre voire dangereux car la production agricoleintensive entraîne l’augmentation de la pollution deseaux (pesticides, engrais ...), la déforestation danscertaines zones du globe (Brésil, Malaisie ...) et parvoie de conséquence la réduction de la biodiversité.

La seconde génération de biocarburants est issuede source ligno-cellulosique (bois, feuilles, paille) àpartir de processus techniques avancés. Au lieud’utiliser les graines ou les tubercules des plantes,les nouveaux procédés cherchent à améliorer lebilan énergétique en utilisant toute la plante. Leurbilan en gaz à effet de serre est bien meilleur etsurtout, ils ne risquent pas d’entrer en concurrenceavec les cultures alimentaires.

La troisième génération de biocarburant n’estencore qu’au stade de la définition. Une desprincipales pistes de recherche est la productiond’hydrogène par des micro-organismes. Le soufreest un élément chimique nécessaire à la synthèsede certains acides aminés qui forment les protéines.Lorsque l’algue Chlamydomonas reinhardtii estprivée de soufre, le processus de photosynthèsediminue et elle met en place une autre voieénergétique : la production d’hydrogène.

Devant l’hydraulique, l’éolien et l'énergie solaire… labiomasse est la première source d’énergierenouvelable de notre pays. Le bois représentait à luiseul 46 % des énergies renouvelables produites enFrance en 2009. Si on y ajoute les biocarburants(11 %), les déchets, le biogaz ou les résidusagricoles, la biomasse était à l’origine de plus de66 % de l’énergie produite à partir de sourcesrenouvelables en France. En France, en 2009,15,3 % de la production d’énergie provenait desénergies renouvelables.

Production d’énergies renouvelables par filière en 2009, en MtepSources : Ministère du Développement Durable

Les engagements du Grenelle de l'Environnement quiconsiste à diviser par 4 nos émissions de gaz à effet deserre d’ici 2020 sont donc particulièrement ambitieuxpour la biomasse.


Le mot « hydrogène » est en fait fréquemmentutilisé pour désigner le dihydrogène. Une moléculede dihydrogène est composée de deux atomesd’hydrogène. Sa formule chimique est H2. Cettemolécule se trouve à l’état gazeux dans lesconditions normales de température et de pression.Le dihydrogène est présent sous forme de tracesdans l’air. C’est un gaz non toxique et trèsénergétique capable de produire de la chaleur et defaire fonctionner des moteurs par combustiondirecte (moteurs à combustion interne) avec del’eau pure comme résidu. Il peut même produiredirectement de l’électricité dans les piles àcombustible avec, là encore, comme seul résidu del’eau. Mais l’hydrogène ne se trouve dans la naturequ’à l’état combiné, surtout dans l’eau et leshydrocarbures. Il est donc nécessaire de produire ledihydrogène soit à partir de l'électrolyse de l'eau,soit à partir du reformage d'hydrocarbures ouencore par l'intermédiaire d'algues. En cela, commel’électricité, il n’est pas à proprement parler uneénergie mais seulement un vecteur d’énergie. Unpoint très important est de noter que la productionde dihydrogène par électrolyse de l’eau à partir del’électricité fournie par les énergies renouvelables(éoliennes, capteurs photovoltaïques) permettraitsans polluer, à la fois de stocker, de transporter etde réutiliser ces énergies, c'est-à-dire de compenserleurs deux principaux inconvénients d’êtreintermittentes et non stockables. Mais adopter ledihydrogène comme vecteur d’énergie demande dele produire, de le stocker (en particulier à bord desvéhicules), de le distribuer et d’assurer la sécuritéde son utilisation.

En 2011, la production de dihydrogène se faisait à95 % à partir des combustibles fossiles (gaz naturel,pétrole) par reformage (conversion de molécules àl'aide de réactions chimiques). Le principe est lesuivant : le méthane (CH4) (nommé aussi gaznaturel) est exposé à de la vapeur d’eau (H2O) trèschaude. Après deux réactions successives, il sereforme d'un côté du dihydrogène (H2), et de l'autredu dioxyde de carbone (CO2). En raison del’utilisation de vapeur d’eau, ce processus estégalement appelé vaporeformage. Ce procédé al’inconvénient majeur de rejeter du dioxyde decarbone dans l’atmosphère, principal responsablede l’effet de serre. Pour éviter cela, la production dedihydrogène à partir de combustibles fossilessupposerait donc d’emprisonner le dioxyde decarbone par des techniques qui doivent faire l’objetde développements (par exemple, de le réinjecterdans les puits de pétrole épuisés). Comme ce modede production est polluant et comme les ressourcesen énergies fossiles sont appelées à décroître,diversifier les modes de production s’avèreindispensable.

Hydrogène

L’hydrogène

On peut également produire du dihydrogène par uneoxydation partielle effectuée sur des produits plusou moins lourds allant du gaz naturel aux résiduslourds, au charbon ou à la biomasse. C’est en faitune combustion menée en défaut de dioxygène quiconduit principalement à la formation dedihydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO).

A l'image de l'électricité, le dihydrogène a besoind'énergie pour être fabriqué. Ainsi, pour obtenir dudihydrogène "propre", il convient nécessairement derecourir à une énergie elle-même "propre".Plusieurs solutions sont possibles.

La biomasse est une source de productiond’hydrogène potentiellement très importante. Elleest constituée de tous les végétaux (bois, paille,etc.) qui se renouvellent à la surface de la Terre. Labiomasse, obtenue par photosynthèse de dioxydede carbone (CO2) et d’eau (H2O), capte l'énergiesolaire pour produire un ensemble de molécules(cellulose, lignocellulose et lignine) de compositionéquivalente à C6H9O4.

La filière thermochimique de transformation de labiomasse consiste en une succession detraitements thermochimiques réalisés, tout d'aborden l'absence de dioxygène (thermolyse vers 500 à600 °C), puis en présence d'un réactif comme lavapeur d'eau (gazéification vers 900°C). Un étagesupplémentaire de rectification, vers 1200 à 1300°Cpeut s'avérer nécessaire pour éliminer les dernièrestraces d'impuretés (goudrons à forte massemoléculaire).

La gazéification à la vapeur donne un gaz dit « desynthèse » composé de monoxyde de carbone (CO)et de dihydrogène (H2) dont on peut tirer descarburants liquides ou gazeux.

En 2011, l’électrolyse représentait moins de 1% dela capacité totale de production de dihydrogène etn’est utilisée que si l’électricité est soit fatale (casdes renouvelables comme l’éolien ou lephotovoltaïque), soit bon marché et/ou si une puretéélevée de dihydrogène produit est requise. Lerecours croissant aux sources renouvelablesconduit aujourd’hui au développement del’électrolyse, procédé séduisant pour la valorisationde ces énergies nouvelles. On obtient au final dudihydrogène "propre".

D'autres procédés sont également à l'étude :� les organismes photosynthétiques : certains microbes modifiés peuvent produire du dihydrogène sous l'effet de la lumière du soleil


� la photoélectrolyse : immergée dans l'eau, unecellule photoélectrochimique (composantélectronique qui décompose l'eau sous l'effet de lalumière solaire) peut produire du dihydrogène et dudioxygène.� la décomposition thermochimique de l'eau :portée à haute température (800 / 1 000°C), lamolécule d'eau se décompose et libère dudihydrogène. L'inconvénient de cette méthode est lerecours à l'énergie nucléaire pour chauffer l'eau : lesinvestissements sont lourds et la production dépenddes stocks d'uranium.

Les coûts de production du dihydrogène les plusélevés (et probablement rédhibitoires) sont associésà l'électrolyse de l'eau et se classent dans le mêmeordre que le coût de l'électricité utilisée. Même entenant compte des progrès attendus à l'horizon2020, les productions de dihydrogène par del'électricité éolienne ou photovoltaïque sontlourdement pénalisées. La gazéification de labiomasse reste la seule voie capable deconcurrencer le vaporeformage du gaz naturelauquel il serait logique d'appliquer, en outre, unepénalité supplémentaire correspondant soit àl'émission de dioxyde de carbone (écotaxe), soit aucoût de son captage et stockage.

La France est le pays européen qui a le plus fortpotentiel en biomasse, en accumulant annuellementdes rémanents forestiers et résidus detransformation (14 Mt (mégatonnes)), des déchetsindustriels, ménagers et agricoles (41 Mt) et descultures dédiées, utilisant des sols cultivés à desfins non alimentaires (36 Mt). Avec une ressourcetotale d'environ 90 Mt, équivalente à 40 Mtep(mégatonnes d’équivalent pétrole) d'énergieprimaire, c'est près de 20 Mtep qui pourraient êtreobtenus en énergie finale, sous forme decarburants, par transformation thermochimique, àcomparer aux 63 Mtep de produits pétroliers,consommés en France pour les transports, dont 53Mtep sur la route. Ce potentiel de 20 Mtep pourraitêtre renforcé par l'accès à des ressources extra-territoriales ou par des apports énergétiques, soit dechaleur industriellement disponible (incinération dedéchets, chaudière nucléaire), soit par addition dedihydrogène, obtenu à coût marginal, parélectrolyse en courant d'heures creuses.

Hydrogène

Le stockage est certainement un verrou technique etscientifique pour le développement de la technologiedu dihydrogène. Mais les progrès offrent dèsaujourd’hui des solutions attractives, même si desprogrès sont encore nécessaires dans lesapplications mobiles pour trouver une bonneadéquation entre les spécifications demandées etles systèmes de stockage certifiés.

Des réseaux de distribution de dihydrogène parpipelines existent déjà dans différents pays pourapprovisionner les industries chimiques etpétrochimiques (environ 1 050 km en France, enAllemagne et au Bénélux sont exploités par AirLiquide). La réalisation de ces infrastructuresindustrielles démontre que l’on dispose d’une bonnemaîtrise de la génération et du transportd’hydrogène. Un bémol cependant : le coût dutransport est environ 50 % plus cher que celui dugaz naturel et une unité de volume de dihydrogènetransporte trois fois moins d’énergie qu’une unité devolume de gaz naturel. Pour distribuer ledihydrogène, des infrastructures de ravitaillementdevront être développées. La mise au point destations-service ne semble pas poser de problèmestechniques particuliers. Une quarantaine de stationspilotes existent d’ailleurs déjà dans le monde, enparticulier aux États-Unis, au Japon, en Allemagneet en Islande. Il faudra cependant du temps pourque ces stations-service couvrent tout le territoire,ce qui risque de freiner le développement dudihydrogène dans les transports.

Le développement de la filière hydrogène repose engrande partie sur la technologie de la pile àcombustible (PAC) : Une pile à combustible est ungénérateur qui convertit l'énergie du combustible (icile dihydrogène) en électricité par réactionélectrochimique. Cette pile contient deux électrodes:� l'une est l'anode chargée en dihydrogène ;� l'autre est la cathode chargée en dioxygène ;� entre les deux, se trouve un électrolyte, un corpssolide ou liquide. Dans le cas de la pile àcombustible, il s'agit le plus souvent d'un polymèrecontenant du platine.

Il y a aujourd’hui deux obstacles majeurs audéveloppement des applications commerciales despiles : des difficultés d’ordre technologique(compacité insuffisante, usure des matériaux troprapide, rendements énergétiques perfectibles) et lescoûts de fabrication.


Le mot "atome" vient du grec "a-tomos" et signifie"insécable". Cette notion fut inventée par Leucippede Milet en 420 av. J.C. Son disciple, Démocrited'Abdère (vers 460-370 av. J.-C.), expliquait que lamatière était constituée de corpuscules en perpétuelmouvement et dotés de qualités idéales. Cescorpuscules étaient:� invisibles à cause de leur extrême petitesse ;� insécables ou indivisibles comme leur noml'indique ;� pleins (pas de vide à l'intérieur) ;� éternels car parfaits ;� entourés d'un espace vide (pour expliquer lemouvement et les changements de densité) ;� ayant une infinité de formes (pour expliquer ladiversité observée dans la nature).

Malheureusement pour lui, il ne put prouver sathéorie et elle fut rejetée par Aristote (384-322 av.J.C.). Pour Aristote, la matière était composée dequatre éléments : l’eau, la terre, l’air et le feu. Il necroyait pas à l’existence des atomes, mais admettaitqu’il y avait possibilité de décomposer les élémentsen constituants très petits.

Le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier(1743 – 1794), en démontrant que la combustionimpliquait qu’une substance se combine avecl’oxygène, a été le premier à infirmer l'antiquethéorie des 4 éléments. C’est notamment pour celaqu’il est considéré comme le père de la chimiemoderne.

En 1803, le chimiste anglais John Dalton proposapour la première fois sa théorie selon laquelle lamatière était composée d'atomes de massesdifférentes qui se combinaient selon des proportionssimples. Cette théorie fut à la fois sa plus importantecontribution à la science et la pierre angulaire de lachimie moderne. Bien sûr, sa théorie fut amélioréepar d’autres scientifiques.

En 1869, le chimiste russe Dimitri Mendeleïevconstruisit un tableau pour classer tous les élémentschimiques alors connus d'après leurs propriétéschimiques. Ce tableau est à l’origine de laclassification périodique des éléments que nousconnaissons à l’heure actuelle.

En 1897, Joseph John Thomson prouvaexpérimentalement l'existence des électrons, despetites particules de charges électriques négativesparfois émises par les atomes. L’atome étantélectriquement neutre, il fallut admettre que l’atomecontenait également des charges positives. Lamême année, il énonça son modèle de l'atome, lemodèle de « plum pudding ».

En parallèle, des recherches sont réalisées sur laradioactivité, source de l’énergie nucléaire. Lapremière étape de cette recherche est franchie en1895 lorsque le physicien prusse Wilhelm Röntgenconçut l’existence de rayons capablesd’impressionner des images sur des plaques noiresgrâce à des radiations. Cette invention va connaîtretrès vite des applications médicales ; mais faute debien comprendre encore la nature du phénomène,on parla de rayons « X ».

Henri Becquerel, physicien français, essaya detrouver une explication à la fluorescence, cettepropriété de certains corps de restituer la lumièrequ'ils ont reçue. Parmi ces éléments figuraient lessels d'uranium : exposés au soleil, puis posésdevant une plaque photographique, ils faisaientapparaître, comme les rayons X, la forme d'un objetplacé devant eux. En 1896, plus étonnant encore, lemême résultat fut obtenu lorsque l'uranium n'avaitpas été exposé à la lumière. Il démontra alors quel’uranium était à l’origine de ces rayons radioactifs.Plus tard, Becquerel donna son nom à l’unité demesure de la radioactivité (le Becquerel).

Entre 1898 et 1906, Pierre et Marie Curie firent desrecherches qui conduisirent à la découverte d’autressubstances ou matières radioactives : le polonium,le thorium et le radium, ce qui leur rapporta la moitiédu prix Nobel de physique de 1903, l’autre moitiéétant attribuée à Henri Becquerel. Marie Curiedéfinit clairement la radioactivité : « phénomènephysique naturel au cours duquel des atomes sedésintègrent pour produire de l’énergie et desrayonnements (alpha, bêta et gamma). ».

Ernest Rutherford, physicien néo-zélandais,considéré comme le père de la physique nucléairedécouvrit les rayonnements alpha, lesrayonnements bêta. Il découvrit aussi que laradioactivité s'accompagnait d'une désintégrationdes éléments chimiques, ce qui lui valut le prixNobel de chimie de 1908. En 1912, il découvrit lenoyau atomique grâce à sa célèbre expérience danslaquelle il bombarda des feuilles d’or avec desparticules alpha. Son nouveau modèle d'atomemontre que la charge électrique positive et quel'essentiel de la masse de l’atome sont concentréesen un noyau quasi-ponctuel. Les électrons del'atome se déplacent autour de ce noyau tels desplanètes autour du Soleil, et la force électriqueattractive (la charge négative de l'électron attirant lacharge positive du noyau) joue le rôle de la force degravitation pour les planètes ; d'où le nom demodèle d'atome planétaire.

Nucléaire

Le nucléaire


Se basant sur les théories de Rutherford, NielsBohr, physicien danois, publia en 1913 un nouveaumodèle de la structure de l'atome. Cette théorieprésente l'atome comme un noyau autour duquelgravitent des électrons sur des orbites électroniquesbien précises. Les électrons ont la possibilité depasser d'une couche à une autre, émettant unquantum d'énergie, le photon. Cette théorie est à labase de la mécanique quantique.Ce modèle est le dernier obéissant à la physiqueclassique, c'est-à-dire la physique qui explique lesmouvements et les phénomènes existant à notreéchelle humaine. Cependant, il est faux car àl'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent !Ces lois appartiennent à une physique très éloignéede nos concepts courant : c’est la physiquequantique. En 1924, Louis Victor de Broglie,mathématicien et physicien français, postula ladualité onde-corpuscule. Puis, Erwin Schrödinger,physicien autrichien, modélisa l'électron comme uneonde en 1926. Ce nouveau modèle permetd'expliquer la stabilité de l'atome et la descriptiondes termes spectroscopiques.

En 1932, James Chadwick, physicien britannique, fitla découverte d'une particule élémentaireimportante, le neutron. Cette particule ne possèdepas de charge électrique et compose le noyau avecle proton. Avec les neutrons, les scientifiquesdisposaient d'un nouveau projectile, qui présente legrand avantage de ne pas être repoussé par lacharge électrique du noyau, quand on essaie del'atteindre. La physique nucléaire allait pouvoircommencer.

Fin 1933, Frédéric et Irène Joliot-Curie mirent enévidence la production de phosphore 30 radioactif,isotope du phosphore 31 naturel. Cela prouva quel'on était capable de fabriquer par irradiation deséléments ayant les mêmes propriétés que leséléments naturels, plus une : la radioactivité.L'isotope radioactif pourra être repéré, là oùl'élément naturel est indétectable. On voitrapidement toutes les applications qu'il est possibled'en tirer, notamment dans le domaine médical.

En 1934, Enrico Fermi, physicien italien, constataitque les neutrons ralentis (par un trajet dans laparaffine par exemple) ont une efficacité beaucoupplus grande sur un noyau que les neutronsordinaires. Ce résultat paradoxal s'explique par laphysique quantique. Des matériaux ralentisseurs,comme l'eau lourde, seront donc à prévoir dans lesfutures installations.

En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann, deuxphysiciens allemands, avaient découvert que lacollision d'un neutron avec un noyau d'uraniumproduisait l'élément baryum comme l'un de sessous-produits. Lise Meitne et son neveu Otto Frisch,physiciens autrichiens exilés en Suède, firent

l'hypothèse que le noyau d'uranium s'était cassé endeux, expliquèrent le processus (en termes decharge électrique excessive), estimèrent l'énergielibérée, forgèrent le terme fission pour le décrire etétudièrent la possibilité d'une réaction en chaîne. Onimagine les formidables débouchés de cettenouvelle forme d'énergie, pour peu que l'on soitcapable d'en maîtriser la mise en œuvre. Et voilàque resurgit la formule magique d'Albert Einstein(laquelle remonte à 1905) : E = m x c2E, l'énergie, est égale à m, la masse, multipliée parle carré de la vitesse de la lumière, c2.

En février 1939, Niels Bohr mit en évidence le faitque sur les deux isotopes contenus dans l'uraniumnaturel, U238 et U235, seul le second se prête à lafission (on dit qu'il est « fissile »). C'estmalheureusement le plus rare (0,72 % del'uranium), d'où l'intérêt d'augmenter cette proportionpour obtenir un combustible plus réactif par desprocédés d'« enrichissement » de l'uranium.

A la suite de ces découvertes, l’énergie nucléaires’est développée de façon considérable, desréacteurs ont été créés. Leur développementjusqu’à aujourd’hui est classé en générations. Avantson utilisation à but civil (production d’électricité),l’énergie nucléaire a été mise à profit dans ledomaine militaire, notamment avec le projetManhattan qui a conduit aux bombardementsd’Hiroshima (avec une bombe à base d’uranium) età Nagasaki (avec une bombe à base de plutonium)en août 1945.

Le premier réacteur nucléaire a été construit auxÉtats-Unis en 1942, à l'Université de Chicago, parEnrico Fermi et Leó Szilárd. Il était constitué d’unempilement de 6 tonnes d’uranium métallique,34 tonnes d’oxyde d’uranium et 400 tonnes degraphite, c'est pourquoi il portait le nom de pileatomique. Sa puissance n’était que de 0,5 watt,mais sa divergence (c’est-à-dire le démarrage duprocessus de réaction nucléaire en chaîne) permitde conforter la théorie sur les mécanismes defission.

Fin 1945, la France se dota d'un gouvernement provisoire. L'une des premières décisions prises par cette autorité fut la création d'un organisme spécifique chargé de développer les applications de l'énergie atomique : le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA). Sous la direction de Lew Kowarski et Frédéric Joliot-Curie, le premier réacteur d’essai a été construit au centre d’études de Fontenay-aux-Roses (Hauts-de-Seine) du CEA. Cette pile atomique, dénommée la pile Zoé, lança son premier processus de réaction nucléaire en chaîne en 1948.

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Dans les années cinquante et soixante, laGénération I de réacteurs comprit les premiersprototypes construits aux États-Unis, en Russie, enFrance et en Grande-Bretagne principalement.Cette première génération fonctionnait à l'uraniumnaturel, l'uranium enrichi n'étant pas encoredisponible commercialement.

En 1956, le réacteur G1 était mis en marche aucentre de recherche du CEA de Marcoule prèsd’Avignon, il s'agissait du premier réacteur françaisà produire non seulement du plutonium mais ausside l'électricité. Il initiait alors la filière françaiseUranium Naturel Graphite Gaz (UNGG).

Entre 1970 et 1990, la Génération II de réacteursétait déployée. Cette génération est née de lanécessité apparue dans les années soixante-dix derendre l'énergie nucléaire compétitive et de diminuerla dépendance énergétique de certains pays aumoment où des tensions importantes sur le marchédes énergies fossiles se faisaient sentir. Cetteépoque fut celle du déploiement des Réacteurs àEau Pressurisée (REP) et des Réacteurs à EauBouillante (REB), qui constituent ensemble,aujourd'hui, plus de 85% du parc électronucléairemondial.

La Génération III représente l'état de l'art industrielconstructible le plus avancé. Il s'agit de réacteursdits « évolutionnaires » : ils bénéficient du retourd'expérience et de la maturité industrielle desréacteurs à eau de la deuxième génération, tout enintégrant les spécifications les plus avancées enmatière de sûreté. Le réacteur EPR (initialementEuropean Pressurized Reactor, puis EvolutionaryPower Reactor) est un réacteur dit de génération« III+ » conçu et développé par Areva au cours desannées 1990 et 2000. Il a pour objectif d’améliorer lasûreté et la rentabilité économique. En 2011, quatreréacteurs de type EPR étaient en cours deconstruction : un en Finlande à Olkiluoto, un enFrance à Flamanville et deux autres en Chine àTaishan.

Les réacteurs nucléaires de génération IV sontactuellement à l’état de concepts faisant l’objet derecherches coordonnées au niveau international. Lamise en service d’un réacteur commercial fondé surl’un de ces concepts n’est pas envisagée avant2040. Le Forum International Génération IV(Generation IV International Forum - GIF) a permisde mettre en place une coopération internationaledans le cadre du développement de ces systèmesnucléaires de nouvelle génération, avec les objectifssuivants : améliorer la sûreté nucléaire, améliorer larésistance à la prolifération, minimiser les déchets,optimiser l’utilisation des ressources naturelles, etdiminuer les coûts de construction et d’exploitationdes réacteurs.

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En 2011, toutes les centrales nucléaires utilisent lafission comme réaction nucléaire. On appelle"fissile" un atome dont le noyau peut se casser endeux sous l'effet d'une collision avec un neutron.Les atomes fissiles les plus connus sont l'uranium235 et le plutonium 239. Les deux fragmentsobtenus, ou produits de fission, sont la plupart dutemps radioactifs. Cette réaction s'accompagne d'ungrand dégagement d'énergie et d'une augmentationde la chaleur de la matière. Le principe d'unréacteur nucléaire consiste à récupérer cetteénergie sous la forme de chaleur pour latransformer en électricité via un turboalternateur.Une centrale nucléaire est ainsi constituée de deuxparties :� une partie non-nucléaire, avec notamment la salledes machines (qui contient principalement une ligned'arbre comprenant les différents étages de laturbine à vapeur ainsi que l'alternateur et lecondenseur). Dans cette partie conventionnelle,semblable à celle utilisée dans les centralesthermiques classiques (fonctionnant au gaz,charbon ou fioul), s’écoule un circuit d’eau, cettedernière étant d’abord évaporée (par absorption dela chaleur préalablement produite dans la zonenucléaire), puis elle entraîne une turbine (couplée àun générateur produisant ainsi l’électricité), et enfincondensée (échange avec un refroidisseur : rivière,mer, ou atmosphère via une tour aéroréfrigérante).C’est dans cette partie que l’énergie calorifiquedégagée par la fission nucléaire est transformée enénergie mécanique (turbine) puis en énergieélectrique (alternateur).� la zone nucléaire (dans le bâtiment réacteur), oùont lieu les réactions nucléaires, qui produisent lachaleur transférée au circuit d’eau utilisé pour laproduction d'électricité et qui vient d’être décrit.

Dans cette zone nucléaire, un combustible subit uneréaction en chaîne, contrôlée, de fission nucléaire.La chaleur dégagée y est transportée grâce à un"fluide caloporteur". La réaction est contrôlée pardes absorbants neutroniques (bore, gadolinium,cadmium...) présents dans les barres de contrôle oudans le fluide caloporteur.

Enfin, selon le type de réacteur, la réaction defission peut se faire avec des neutrons plus oumoins énergétiques :� Fission par des neutrons lents (neutrons ralentispar une série de collisions sur des noyaux). Du faitqu'ils n'apportent pas l'appoint d'une énergiecinétique importante, les neutrons lents sontcapables de ne fissionner qu'une poignée de noyauxfissiles : l'uranium 235 (le seul à exister à l'étatnaturel), le plutonium 239 et l'uranium 233 parexemple. Mais le rendement de réaction est meilleurqu'avec des neutrons rapides, car ces neutronslents possèdent une grande probabilité d'êtrecapturés par un noyau fissile, puis de donner unefission.

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Dans ce type de réacteur nucléaire, il existe alorsun élément "modérateur", qui ralentit les neutronsémis par chaque réaction de fission. Avec un bonmodérateur, il est alors possible d'obtenir uneréaction en chaîne avec des combustibles à based'uranium naturel (avec seulement 0,7% d'uranium235), ou légèrement enrichis (de 3 à 5% d'uranium235).� Fission par neutrons rapides (neutrons très énergétiques, tels qu’émis par les réactions de fission). Lorsque ces neutrons interagissent avec un atome, ils sont capables de fissionner non seulement les atomes réputés fissiles, mais aussi des atomes plus lourds comme les actinides

Fonctionnement d’un réacteur nucléairehttp://www.developpement-durable.gouv.fr/

L'énergie nucléaire s'est imposée en France suiteaux chocs pétroliers des années 70, afin d'accroîtrel'indépendance énergétique du pays. En 1974, legouvernement a ainsi lancé un programme deconstruction de centrales nucléaires, dont les coûtsd'exploitation sont peu sensibles aux fluctuationspouvant intervenir sur les coûts des matièrespremières.

La France disposait en 2011 de 58 réacteursnucléaires en activité dans 19 centrales nucléairesde production d'électricité. 12 réacteurs nucléairessont arrêtés, 2 centrales sont en cours dedémantèlement et 3 centres de stockage de déchetsradioactifs sont exploités.

Plusieurs filières de réacteurs ont étésuccessivement développées :

� 9 réacteurs graphite-gaz (UNGG), construits àMarcoule, Chinon, Bugey et Saint-Laurent,aujourd'hui déclassés ;� 1 réacteur gaz-eau lourde (HWGCR) construit àBrennilis, en phase de démantèlement ;

� 58 réacteurs à eau pressurisée (REP) ;� 2 réacteurs à neutrons rapides et caloporteur sodium Phénix à Marcoule (réacteur expérimental arrêté en 2009) et Superphénix (arrêté en 1997).

Le pays était, par le nombre de réacteurs en activité, la puissance installée et l'énergie électrique produite en 2010, au 2ème rang des pays producteurs d‘électricité nucléaire dans le monde avec 407 900 GWh (gigawattheures) produits, soit 74 % de la production d’électricité dans le pays (550 300 GWh) et 16 % de l'énergie électrique d'origine nucléaire produite dans le monde.

La réaction nucléaire de fusion est le mariage denoyaux légers qui donne naissance à des noyauxplus lourds comme l’hélium, par exemple. Elles’accompagne d’une très forte libération d’énergie.La fusion existe naturellement dans lesenvironnements extrêmement chauds que sont lesétoiles, comme le Soleil. Il y a, au cœur du Soleil,une température de l’ordre de plusieurs dizaines demillions de degrés qui permet la fusion de noyauxlégers comme ceux d’hydrogène en hélium. Ces

mineurs (ce qui réduit la radiotoxicité à longtermedu combustible irradié). Par ailleurs, avecdes neutrons rapides, il est plus facile detransformer des atomes fertiles (ex : uranium238) en atomes fissiles (ex : plutonium 239) : ilest ainsi possible de produire plus de noyauxfissibles qu'il n'en est consommé (c'est la"surgénération"). Cependant, les neutronsrapides sont difficilement capturés par lesnoyaux : leur probabilité d'interaction est faible.Pour compenser cette faible probabilitéd'interagir, il est nécessaire d'avoir uncombustible riche en éléments fissiles et desflux intenses de neutrons.

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réactions de fusion thermonucléaire libèrentbeaucoup d’énergie et expliquent la très hautetempérature de cet astre qui atteint en surface les5 700 °C. Une très petite partie de l’énergierayonnée par le Soleil atteint la Terre et permet lavie sur celle-ci.L’Homme cherche à maîtriser les réactions defusion pour récupérer cette fabuleuse énergie. Il aréussi à maîtriser celle-ci dans les bombesnucléaires de type H mais pas encore pourproduire de l’électricité. Pour une application civilede la fusion, la réaction la plus étudiée est lafusion de deux noyaux d’isotopes de l’hydrogène,le deutérium et le tritium qui fusionnent pour créerun noyau plus lourd, celui de l’hélium. Pouratteindre des températures très élevées et desdensités suffisantes de noyaux et pour augmenterla probabilité qu’ils se rencontrent, l’Homme seheurte à de nombreuses difficultés techniques.

Deux types d’expériences sont étudiés enlaboratoire :

� à faible concentration, le mélange d’isotopesd’hydrogène gazeux (deutérium et tritium) àfusionner peut être renfermé à l’intérieur de paroisimmatérielles créées par des champsmagnétiques. Les noyaux sont portés à plus de100 millions de degrés dans des machinesappelées Tokamak ;� à forte concentration, le mélange d’isotopesd’hydrogène à fusionner est contenu dans unemicrobille que l’on irradie très rapidement avecdes faisceaux de lasers très puissants.


POUR EN SAVOIR PLUS

Sur la géothermie Sur l’hydrauliquehttp://www.futura-sciences.com http://energie.edf.comhttp://www.geothermie-perspectives.fr http://www.energiehydraulique.comhttp://www.mtaterre.fr/ http://www.planete-energies.comhttp://ecocitoyens.ademe.fr/ http://www.ecosources.info

http://www.developpementdurable.com

Sur le solaire Sur l’éolienhttp://www.tpepanneauxsolaires.fr/rentabilite.html http://www.momes.net/dictionnaire/lhttp://enseignants.edf.com/ http://www.energieeolienne.net/http://www.energiepropre.net/solaire.htm http://www.thewindpower.net/http://www.outilssolaires.com/pv/prin-centraleA.htm http://www.suivi-eolien.com/http://futura24.voila.net/solairetd/jour_nuit.htm http://www.iscience.ca/http://www.cheminee-solaire.net/index.php http://www.greenunivers.com

Sur la biomassehttp://www.energies-renouvelables.org/ http://www2.ademe.fr/http://www.biogaz.atee.fr/ http://www.actu-environnement.com/http://www.mtaterre.fr/dossier-mois/chap/843/La-biomasse,-c-est-quoihttp://www.ecosources.info http://www.econologie.com/http://www.notre-planete.info/ecologie/energie/biocarburants.phphttp://developpement-durable.bsocom.fr/ http://www.solagro.org/site/395.html

Pour en savoir plus

Sur l’hydrogènehttp://www.afh2.org/f/index.php http://www.annso.freesurf.fr/H2.htmlhttp://www.h2-hydrogene.com/ http://www.planete-hydrogene.fr/http://www.planete-energies.com/fr/l-energie-demain/les-voies-du-futur/l-hydrogene-287.htmlhttp://www.cea.fr/jeunes/themes/les_nouvelles_energies/l_hydrogenehttp://www.airliquide.com/fr/hychain.html http://www2.ademe.fr/http://www.techno-science.net/

Sur le nucléairehttp://4icege.org/2011/04/les-perspectives-energetiques-de-la-france-pour-2020-2050/http://arcea-dif.fr/bulletins/133/energie.pdfhttp://www.planete-energies.com/fr/les-sources-d-energie/le-nucleaire-61.htmlhttp://www.cea.fr/jeunes/themes/l_energie_nucleairehttp://www.developpement-durable.gouv.fr/-Energie-nucleaire-.htmlhttp://energie.edf.com/nucleaire/accueil-45699.htmlhttp://www.developpement-durable.gouv.fr/Les-reacteurs-nucleaires-de.html

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