L'énergie en France et le développement durable

I) La production d’électricité. a) Comment fabrique-t-on l’électricité? b) Les centrales nucléaires. c) Les centrales thermiques à flamme. d) Les centrales hydrauliques. e) Les éoliennes. f) Les centrales solaires photovoltaïques. g) Que sera le futur?II) Le développement durable

I- Production d’électricité

Nucléaire76%

Thermique à flamme

10%

Hydraulique12,3%

Autres Energies0,7%

Eolien1%

Production française d'électric-ité

(source Observatoire de l'én-ergie - 2008)

Nucléaire13.8%

Thermique à flamme 68%

Hydraulique15,6 %

Autres Energies2,6 %

Production mondiale d'électricité( Source AIE-2007)

a- Comment fabrique-t-on l’électricité?On déplace, de diverses manières, un aimant droit au voisinage d’une bobine

reliée à un ampèremètre à cadran et à zéro central.• Si l’aimant est immobile par rapport à la bobine, l’aiguille de l’ampèremètre ne

bouge pas.• Si l’on approche l’aimant de la bobine, l’aiguille de l’ampèremètre dévie donc un

courant apparaît dans la bobine.• Si l’on éloigne l’aimant de la bobine, l’aiguille de l’ampèremètre dévie dans

l’autre sens donc le courant circulant dans la bobine change de sens. • Plus le déplacement est effectué de manière rapide, plus la déviation de

l’aiguille est grande donc plus le courant circulant dans la bobine est intense.• Si l’aimant effectue un mouvement de va-et-vient, il circule un courant alternatif dans la bobine.C’est le phénomène d’induction électromagnétique.

A l’aide d’un moteur ou d’une manivelle, on fait tourner un aimant droit devant une bobine. On visualise la tension électrique aux bornes de la bobine, grâce à un oscilloscope.

Quand l’aimant tourne, il apparaît une tension alternative aux bornes de la bobine. Au cours de cette expérience, nous avons reproduit le principe de base de l’alternateur d’une centrale qui comprend une partie fixe (stator) et une partie mobile (rotor), entrainée par une turbine.

Un alternateur est un convertisseur d’énergie mécanique en énergie électrique.

b- Les centrales nucléaires

– Il y a 19 sites nucléaires en France, tous sécurisés et entretenus par EDF.

– Ci-contre, une carte de France présentant les sites.

Fonctionnement:• -Dans le réacteur, la fission

nucléaire produit une grande quantité de chaleur. L’eau du circuit primaire, chauffée à 320°C, circule dans le circuit où elle est mise sous pression pour la maintenir à l’état liquide.

• Le circuit primaire chauffe le circuit secondaire par échange thermique.

• -Dans le générateur de vapeur, l’eau du circuit secondaire se transforme en vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine couplée à un alternateur qui produit de l’électricité. Cette dernière transite sur des lignes à très haute tension.

• - Le circuit tertiaire est le circuit de refroidissement.

Commentaires:

• Aujourd'hui, 76% de l'électricité en France est produite à partir des centrales nucléaires. Certains pensent que ces centrales sont dangereuses pour les éventuels habitants, et pour la nature, qui les entourent. Mais, ces centrales subissent des contrôles très stricts et mensuels de sécurité. La moindre faille entraîne la fermeture définitive de la centrale.

• Les centrales ne rejetant que de la vapeur d’eau dans l’atmosphère, ne participent pas à l’effet de serre. En revanche, les déchets nucléaires récupérés qu’elles produisent, sont radioactifs pendant plusieurs milliers d’années. Il faut donc trouver des lieux sûrs pour les stocker et pour ne pas mettre en danger les générations futures en attendant de trouver des solutions de retraitement.

c-Les centrales thermiques à flamme

• Ces centrales utilisent, comme source de chaleur, différents combustibles brûlés, comme le charbon, le gaz naturel ou encore le fioul, mais le fonctionnement reste le même, quelque soit le combustible.

• Elles représentent uniquement 10% de la production électrique française.

• Ces centrales rejettent du CO2 et d’autres gaz polluants, qui augmentent l’effet de serre.

Fonctionnement:Le combustible brûle dans une chaudière et libère de la chaleur. La fumée, issue de la combustion, est filtrée puis évacuée par une grande cheminée. Sous l’effet de la chaleur, l’eau à l’intérieur de la chaudière, se transforme en vapeur d’eau. Cette vapeur sert à faire tourner une turbine reliée à un alternateur, celle-ci produisant un courant électrique ensuite transporté dans les lignes. Grâce à un condenseur, la vapeur d’eau va être ensuite retransformée en eau et recyclée dans un point d’eau avant d’être redistribuée dans la chaudière.

Schéma d’une centrale thermique à flamme:

d- Les centrales hydrauliques– 1. L'eau est retenue en

amont par un barrage.– 2. Elle est guidée pour

s'écouler dans des conduites forcées où elle acquière de la vitesse.

– 3. L'eau, en amont, entraîne la turbine reliée à un alternateur qui produit de l'énergie électrique.

– 4. L'électricité est ensuite redirigée sur des lignes à très haute tension.

Usine de haute chute : Ils disposent d'une grande retenue d'eau et d’un dénivelé important. Les réserves d'eau autorisent une longue durée de fonctionnement à pleine puissance et peuvent donc fournir d'importantes quantités d'énergie pendant les heures de plus forte consommation.

Usine de moyenne chute : Ces ouvrages sont généralement sur des cours d'eau à pente moyenne et à débit abondant. Pendant les heures où la demande est forte, la production de ces centrales est au niveau maximum, ce qui entraîne la vidange de la réserve. Elles permettent ainsi de produire de l'électricité aux pointes de consommation journalières et hebdomadaires.

Usine de basse chute : Ces aménagements ne comportent pas de réserve d'eau disponible. Leur capacité de retenue n'excède pas deux heures. Les centrales au fil de l'eau fournissent une «énergie de base». Elles sont mises en service en premier (avec l'énergie produite par les centrales nucléaires) pour répondre aux besoins de la consommation , mais ne jouent aucun rôle de régulation.

Il y a différents types de centrales hydrauliques:

Gadonneix

La Rance

Commentaires sur les centrales hydrauliquesAvantages:-Facilité d’entretien-Faible usure du matériel qui travaille à vitesse et à température modérées-Haute rentabilité des machines qui sont capables de transformer 90% de l’énergie mécanique en énergie électrique-Aucun risque de pollution

Inconvénients:-Les infrastructures ont tendance à ne pas se fondre dans le paysage-Cela peut avoir des conséquences sur la biodiversité-Le barrage peut représenter un risque pour les personnes en aval

Usines marémotrices : elles utilisent la force des marées pour produire de l'électricité. Seule l'usine marémotrice de la Rance, en Bretagne, fonctionne à une échelle industrielle.

e- Les éoliennes

– Le vent est mis en mouvement par les différences de températures et de pressions, créées dans l’atmosphère, par l’absorption du rayonnement solaire.

– L'éolienne consiste en la production d'électricité à partir de la force du vent: celui-ci fait tourner les pâles de l’éolienne, couplées à un alternateur.

– L’énergie produite est ensuite injectée dans le réseau électrique.

– Il faut une vitesse minimum des vents de 4m/s pour commencer à produire de l’électricité.

Fonctionnement:

On installe des panneaux solaires photovoltaïques pour capter la lumière du soleil. Le silicium, matériau conducteur présent dans chaque cellule photovoltaïque, libère des électrons pour créer un courant électrique continu. Un onduleur (dispositif électronique permettant de délivrer un courant électrique à partir d’un courant continu) transforme ce courant en courant alternatif et l’électricité est transportée dans les lignes à haute tension.

Schéma d’une centrale solaire photovoltaïque.

f- Les centrales solaires photovoltaïques

Commentaires sur les éoliennes et les centrales solaires:

Leurs avantages: -Elles sont « écologiques » car elles créent de l’énergie sans rejeter de produits nocifs dans la nature.-Elles utilisent des ressources renouvelables

-Certes, les éoliennes et les panneaux solaires ne rejettent pas de produits nocifs dans la nature. En revanche, s'ils doivent remplacer, ne serait ce qu'une centrale nucléaire, leur valeur écologique s'estomperait car, il faudra couper l'équivalent de plusieurs hectares de forêt pour qu'un parc éolien ou solaire produise autant qu'une seule centrale.-La fabrication des panneaux photovoltaïques se fait à l’étranger et leur coût est encore très élevé pour être vraiment rentable. Si, de plus, on doit rajouter une batterie, la rentabilité est encore plus faible.

Leurs inconvénients:

g- Que sera le futur?

Certaines de nos centrales nucléaires sont en fin de vie. Il va falloir en construire de nouvelles. On a tardé à le faire et le pourcentage d’électricité produite par ce système va chuter dans les années à venir. Il faudrait trouver des alternatives, autres que les centrales à flamme , peu « écologiques ». Grâce à une nouvelle génération de centrales nucléaires (2020), la sûreté sera améliorée, la production des déchets radioactifs à vie longue sera réduite. On espère beaucoup de la fusion nucléaire (projet ITER): dans ce cas, plus besoin d’uranium. C’est le même type de réactions que celles dans le Soleil, mais les recherches sont en cours et la construction d’une telle centrale, si elle voit le jour, ne se fera pas avant une cinquantaine d’années.Il y a d’autres projets, moins grandioses , comme les éoliennes aquatiques qui utilisent les forts coefficients de marées comme au large de la Bretagne. Les courants pourraient alors entraîner des turbines sous-marines. On peut aussi utiliser l’énergie de la houle: des boudins flottants, reliés par des bras articulés, peuvent transformer le mouvement mécanique de ces bras en énergie électrique.

La notion de développement durable est née en 1980 d'une conclusion très simple : le critère économique ne peut pas suffire au développement global de la planète, il est également nécessaire de prendre en compte certaines exigences sociales et environnementales.Le développement durable doit permettre de préserver les ressources et l'état de la planète pour son prochain, de partager les richesses etde ne pas laisser se creuser les écarts entre les pays pauvres et les pays riches. L'électricité et l'énergie en général sont des facteurs essentiels du développement durable.En effet, l'électricité est à la fois un facteur de développement économique et social et une source de pollution considérable. Sa consommation, en croissance régulière, est l'une des causes du changement climatique. L'enjeu est donc de concilier les besoins en énergie et le respect de l'environnement, en impliquant l'ensemble des acteurs concernés par l'utilisation de cette énergie : les gouvernants, les producteurs et les consommateurs.Une production rationnelle et une meilleure utilisation de l'électricité font partie des actions pour mettre en œuvre cette démarche.EDF, en tant qu'acteur important du marché de l'énergie, s'engage au quotidien en faveur du respect de l'environnement, des économies d'énergie et de la solidarité auprès des plus démunis.Chacun de nous a également les moyens de contribuer au développement durable dans sa vie de tous les jours.

II- Le développement durable

Si le développement économique est un souci de l'homme, depuis fort longtemps, l'idée d'équité sociale n'est apparue que vers la fin du 18e siècle et le respect de l’environnement ne date que de quelques décennies. Toute la difficulté du développement durable réside donc dans la création d'un équilibre viable pour aujourd'hui et demain entre 3 domaines dont l'histoire n'est pas comparable au regard des préoccupations humaines passées et des différences actuelles de développement entre les différents pays du monde.

•dans le temps : nous avons le droit d’utiliser les ressources de la Terre, mais le devoir d’en assurer la pérennité pour les générations à venir.•dans l’espace : tout le monde a droit aux ressources de la Terre.

Il ne s'agit pas de renoncer aux progrès, mais d'user avec modération des ressources, de modifier les comportements de production et de consommation et de mieux répartir les richesses.

Depuis le début du XXe siècle, la température moyenne globale en surface a augmenté de 0,6 à 0,7 °C. Ce changement climatique serait dû à l'activité humaine avec 90 % de certitude. D'ici à 2050, les émissions mondiales de gaz à effet de serre devront être diminuées de moitié si l'on veut limiter l'augmentation de la température à 2° C .

Des engagements ont déjà été pris à l’échelle internationale pour agir: comme le protocole de Kyoto, entré en vigueur en 2005, dans lequel les pays qui l’ont ratifié, s’engagent, entre autre, à: - une réduction de 5,2 % des émissions des 6 principaux gaz à effet de serre des pays développés entre 2008 et 2012, par rapport aux niveaux de 1990 ; D’autres réunions ont eu lieu depuis, mais il est très difficile de concilier les besoins et les demandes de chacun. De plus, la non-adhésion des États-Unis au Protocole de Kyoto et l'explosion des émissions des pays émergents, dispensés d’objectifs de réduction, n’arrangent rien.

Chaque pays doit œuvrer pour réduire le rapport entre sa consommation d'énergie et sa croissance économique. Pour cela, il s'agit de jouer sur la maîtrise de la demande et la réduction du contenu carbone de la consommation d'énergie dans les secteurs les plus énergivores : bâtiments, transports, industrie.

Dans le bâtiment, l'un des secteurs qui a le plus grand potentiel de réduction grâce à : - la limitation des situations de consommation d’énergie dans les différents usages (éclairage, chauffage, électroménager, climatisation…) ;- une meilleure isolation des bâtiments anciens et neufs pour réduire le besoin de chauffage (murs, vitrages, toitures, matériaux…) ;- le développement d’équipements décentralisés pour la production d’électricité, de chauffage et d’eau chaude utilisant :

de nouvelles technologies, comme la pile à combustibledes énergies renouvelables, comme le photovoltaïque, la pompe à chaleur, le chauffe-eau solaire, le chauffage au bois ....

- l'utilisation de technologies, telles que le compteur intelligent, pour mesurer en temps réel la consommation, l'adapter en conséquence et contribuer ainsi à réduire la production globale d'électricité.En France, aujourd'hui, les bâtiments sont responsables de 25% des émissions de CO2 et de 40 % de la consommation d'énergie.

Dans les transportsIls n’utilisent pratiquement que des carburants issus du pétrole. Il s’agit donc de : - développer des transports en commun, moins gourmands en pétrole que les voitures ;- développer des voitures moins polluantes (moteur, climatisation, véhicules électriques et hybrides rechargeables…), ou d’avoir recours à des carburants moins émetteurs, comme le diesel ;- modifier les comportements individuels (choix de transport, respect des limitations de vitesse, conduite au volant…).

Dans l'industrieL’amélioration des procédés et des technologies de production permet de produire autant en consommant moins d’énergie. Par exemple : l'induction électromagnétique.

Dernier point: comment anticiper l'épuisement des réserves ?- Par l'augmentation du rendement des installations et la limitation des pertes lors de la production, du transport et de la distribution, grâce à des technologies plus performantes. Par exemple :

le remplacement des anciennes centrales thermiques au charbon par des centrales de dernière génération charbon (supercritiques) ou par des cycles combinés gaz ; le développement de la production combinée de chaleur et d'électricité (cogénération)

- Par l’utilisation de combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz) et fissiles (uranium) plus performants ;- Par l'augmentation du rendement de l’uranium par le recyclage (du plutonium à travers le combustible MOX) ou la surgénération (capacité de certains réacteurs nucléaires à produire plus de matières fissiles qu'ils n'en consomment).-Autre voie importante pour préserver les ressources : le développement des énergies renouvelables, comme moyen de production d’énergie : hydraulique, éolien, solaire photovoltaïque, géothermie, biomasse, énergies marines.

D'une manière générale, toutes les actions en faveur de la maîtrise de l’énergie, sont également source de préservation des ressources.

Bibliographie:

http://www.ac-nancy-metz.fr Wikipédiahttp://www.enviro2b.comwww.lesolairepourtous.comwww.techno-science.netwww.edf.com

Travail produit à partir des recherches des élèves de seconde A ( en particulier: Marc-Antoine Guichard, Margot Bessières, Charlotte

Caudron, Mathilde Garcia, Clémence Lorenzi et Gaspard Baumhauer) supervisé par Madame Faucher, professeur de Sciences Physiques