THME 3 : Le dfi nergtique

Chapitre III : Conversion, transport et stockage de lnergie

I) Conversion dnergie dans les centrales thermiques

1) Dans les centrales thermiques combustibles fossiles

a) Principe de fonctionnement :

Une

centrale thermique combustible fossile utilise l'nergie fournie par la combustion d'un combustible (charbon,

ptrole, gaz naturel, gaz issus de hauts-fourneaux). Cette combustion a lieu dans une chaudire.

La combustion dgage une grande quantit de chaleur utilise pour chauffer de l'eau dans la chaudire (ou

gnrateur de vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression.

Cette vapeur sous pression fait tourner grande vitesse une turbine qui entrane elle-mme un alternateur qui

produit une tension alternative sinusodale. la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer

en eau, puis renvoye dans la chaudire.

Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confi une rserve d'eau (cours d'eau) ou plus

rarement une tour de refroidissement analogue celle d'une centrale nuclaire.

b) Questions :

Donner la dfinition du terme combustion .

.

Quelles sont les sources dnergie utilises dans ce type de centrale ?

.

Quelles sont les formes dnergie rencontres dans ce type de centrale ?

.

Schmatiser une chaine nergtique pour interprter les transformations dnergie qui y ont lieu.

http://perso.id-net.fr/~brolis/softs/domodidac/turbine.htmlhttp://perso.id-net.fr/~brolis/softs/domodidac/altern.html

2) Les centrales thermiques combustible nuclaire :

a) Principe de fonctionnement :

Une centrale nuclaire est une centrale thermique qui utilise l'nergie fournie par les ractions de fission dans

un racteur nuclaire (fonctionnant avec de l'uranium 235 ou du plutonium 239). Ce racteur produit une grande

quantit de chaleur qui est capte par de l'eau sous pression circulant dans le circuit primaire (circuit ferm).

Par l'intermdiaire du gnrateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur

l'eau d'un deuxime circuit ferm, le circuit secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur haute

pression dans ce circuit secondaire.

La pression de cette vapeur fait tourner grande vitesse une turbine qui entrane elle-mme un alternateur qui

produit une tension alternative sinusodale. la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer

en eau, puis renvoye dans le gnrateur de vapeur.

Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confi une tour de refroidissement et/ou un cours

d'eau important. Les deux systmes de refroidissement peuvent tre utiliss simultanment. Les tours de

refroidissement sont souvent surmontes d'un nuage rsultant de la condensation de la vapeur d'eau. Ce nuage

ne doit pas tre confondu avec de la fume.

b) Questions :

- Quels points communs y a-t-il entre le fonctionnement dune centrale thermique combustible fossile et celui

dune centrale thermique combustible nuclaire ?

.

.

- Quelles sont les diffrences ?

.

- Au cours dune des ractions de fission, aprs capture dun neutron, un noyau duranium donne un noyau de

krypton 92, un noyau de baryum 141 et 3 neutrons. En utilisant le tableau de donnes ci-dessous ainsi que les 2

lois de conservation, crire lquation de cette raction de fission :

.

- Quelles sont les formes dnergie rencontres dans ce type de centrale ?

.

- Schmatiser une chaine nergtique pour interprter les transformations dnergie qui y ont lieu.

Donnes :

Noyau Uranium Krypton Baryum Hydrogne Hlium

Symbole U Kr Ba H He

Numro atomique Z 92 36 56 1 2

Les particules symbole

Neutron 10n

Electron 01e

Lois de conservation : au cours dune raction nuclaire, le nombre total de protons Z et le nombre total de

nuclons A sont conservs.

II) Transport de lnergie

1) Ncessit de transporter lnergie

Document 1 : daprs www.planete-energies.com

En comparant les 2 tableaux, expliquer la ncessit du transport du ptrole (on peut gnraliser toutes les

sources dnergie) :

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.

.

Production mondiale de ptrole en 2008

(en millions de barils/jour)

Consommation mondiale de ptrole en 2008

(en millions de barils/jour)

Arabie saoudite 10,782 Etats-Unis 19,498

Russie 9,79 Chine 7,831

Etats-Unis 8,514 Japon 4,785

Iran 4,174 Inde 2,962

Chine 3,973 Russie 2,916

Canada 3,35 Allemagne 2,569

Mexique 3,186 Brsil 2,485

Emirats Arabes Unis 3,046 Arabie saoudite 2,376

Kowet 2,741 Canada 2,261

Venezuela 2,643 Core du Sud 2,175

Norvge 2,466 Mexique 2,128

Brsil 2,402 France 1,986

Irak 2,385 Iran 1,741

Algrie 2,18 Royaume-Uni 1,71

Nigria 2,169 Italie 1,639

2) Comment transporte-t-on lnergie ?

Document 2 : Le transport des combustibles

La consommation mondiale de ptrole est estime 30 milliards de barils par an, soit une masse de ptrole de

quelque 3,8 1012 kg. Cette masse correspond la capacit de quelques 15 000 supertankers d'une capacit

moyenne actuelle de 250 000 tonnes. Les 8000 supertankers qui sillonnent les mers pour lapprovisionnement du

monde en ptrole effectuent donc approximativement entre 4 et 5 allers-retours par an. Les gazoducs qui

assurent le transport du gaz sont aussi du domaine de la dmesure.

La longueur totale des gazoducs dans le monde est estim plus de 1 million de km soit 25 fois la circonfrence

terrestre. Leur vulnrabilit aux actes de sabotage dans les zones de conflits ainsi que les trop grandes

distances entre les gisements et les zones de consommation ont conduit dvelopper un mode de transport sous

forme liquide. C'est ainsi que le gaz naturel liqufi (GNL) moins volumineux qu' l'tat gazeux est transport

-160C et la pression atmosphrique par les navires mthaniers.

S'il n'y avait les pollutions extrmement graves en cas d'accident, un avantage du transport des combustibles

par voie maritime semble tenir au fait qu'il s'effectue sans pertes d'nergie importantes. Site internet www.rivres.info

Document 3 : Structure dun rseau lectrique

Source : Luc LASNE, Universit de Bordeaux Fvrier 2008

Questions :

- Quels sont les combustibles cits dans le doc. 2 ?

.

- Quels sont les modes de transport utiliss pour chacun de ces combustibles ?

.

- De quel(s) paramtre(s) dpendent ces choix ?

.

.

- Indiquez des avantages et inconvnients de ces modes de transport.

.

.

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.

- Pour limiter les pertes en nergie lors du transport de la tension lectrique, on lui fait subir une

transformation. Quelle est cette transformation ?

.

.

III) Stockage de lnergie

1) Ncessit de stocker lnergie

Document 4 : Le stockage de lnergie

On appelle nergies primaires, les nergies directement accessibles dans la nature : nergies fossiles, nergie

nuclaire et nergies renouvelables, ces nergies constituant le mix nergtique

Pour la plupart des applications, il est ncessaire de la convertir afin de la rendre compatible avec lusage

envisag, et pour que lnergie puisse tre aussi disponible tout moment, il est indispensable de la stocker :

la mettre en conserve pourrait-on dire.

Ce stockage peut se dcliner sous diverses formes. Lnergie peut tre stocke sous forme mcanique (dans le

cas dune retenue deau dun barrage), lectrochimique (piles et accumulateurs) par exemple. La gestion de

lnergie est donc un art subtil qui associe production, transformation, transport et stockage. Daprs les clefs CEA n50/51- Hiver 2004-2005

Document 5 :

Les nergies renouvelables, dont la production est souvent intermittente, se dveloppent rapidement,

mais le stockage de l'nergie semble avancer moins vite.

Laugmentation des capacits de production intermittente olienne et solaire perturbe en effet la stabilit des

rseaux lectriques. Si ces sources dnergie ne sont pas encore dominantes, dans certains pays, la capacit

installe est suprieure ce que peut supporter le rseau lorsque les conditions mtorologiques sont trs

favorables. Les moyens de production impliqus sont alors dconnects du rseau, entranant la perte de cette

nergie verte. Daprs La Tribune.fr - 22/02/2011

Questions :

- Sous quelle(s) forme(s) dnergie sont converties les nergies dites primaires ?

.

.

- Justifiez la ncessit de stocker lnergie.

.

.

- Le stockage direct de lnergie lectrique est-il possible ? Quels procds utilise-t-on ?

.

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2) Exemples de systmes permettant de stocker lnergie

a) La pile combustible

Document 6 : daprs cea.fr

Mais pourquoi avoir recours lhydrogne pour produire de llectricit ? Pourquoi ne pas produire

directement de llectricit ? En fait, le dihydrogne apporte llectricit la souplesse dutilisation qui lui fait

dfaut. []. Ainsi, avec une rserve de dihydrogne et une pile combustible, il devient possible de produire de

llectricit nimporte o et nimporte quand, sans tre reli au rseau lectrique.

Le dveloppement de la filire hydrogne repose en grande partie sur la technologie de la pile combustible

(PAC). Son principe nest pas nouveau, puisquil fut dcouvert ds 1839 par William R. Grove. lpoque, cet

avocat anglais, chercheur amateur en lectrochimie, constate quen recombinant du dihydrogne et du

dioxygne, il est possible de crer simultanment de leau, de la chaleur et de llectricit. La pile combustible

est ne. Cest Francis T. Bacon, ingnieur, qui ralisera, en 1953, le premier prototype industriel de puissance

notable (de lordre du kW).

Mais seule la Nasa exploitera, dans les annes 60, cette technologie pour fournir en lectricit certains de ses

vaisseaux Gemini et Apollo. Car si le principe de la PAC parat simple, sa mise en uvre est complexe et

coteuse, ce qui interdisait jusqualors sa diffusion dans le grand public. Aujourdhui, des progrs ont t

raliss et les applications envisageables sont nombreuses. De la micro-PAC, qui ne produit que les quelques

watts ncessaires lalimentation dun tlphone mobile, la pile capable de produire 1 MW pour fournir de

llectricit un immeuble collectif, en passant par la pile destine aux applications embarques, dans le secteur

des transports, il existe dsormais toute une gamme de PAC.

Le principe de fonctionnement est toujours le mme, mais diffrentes technologies sont en dveloppement.

Questions :

- Quels sont les matires premires ncessaires au fonctionnement de la pile combustible ?

.

- Do peuvent-elles tre tires ? .

- Dans quels buts cette technologie est-elle dveloppe ? .

.

- Quels sont les problmes qui freinent sont dveloppement ? .

.

b) Laccumulateur lectrochimique :

Un accumulateur lectrochimique, tout comme une pile, transforme de lnergie chimique en nergie lectrique.

Mais contrairement une pile, laccumulateur est rechargeable par lectrolyse : au cours de cette opration, de

lnergie lectrique est transforme en nergie chimique. Cette nergie chimique pourra ensuite tre de nouveau

transforme en nergie lectrique par laccumulateur, etc.

Un accumulateur lectrique est donc un dispositif permettant de stocker de lnergie sous forme chimique.

On trouve des accumulateurs lectrochimiques (ou batteries) dans les appareils autonomes ou embarqus qui

sont de plus en plus nombreux au quotidien : appareils photo, tlphones portables, lecteurs MP3, jouets, jeux

lectroniques, tlcommandes, petit lectromnagers, outillages portatifs, vhicules automobiles

On distingue plusieurs types daccumulateurs, dont les plus courantes sont : au plomb ; Ni-Cd ; Ni-MH ; Lithium-

ion.

IV) Les impacts environnementaux des nergies

1) Leffet de serre.

Leffet de serre est un phnomne naturel li la prsence dans latmosphre de gaz qui permettent la Terre

de garder une temprature moyenne de 15C. Sans lui, cette temprature serait de -18C, ce qui naurait pas

permis le dveloppement de la vie.

La plus grande partie du rayonnement solaire traverse latmosphre pour rchauffer la surface du globe, puis la

Terre, son tour, rmet cette nergie sous forme de rayonnement infrarouge. Les gaz effet de serre (GES)

pigent une partie de ce rayonnement et le renvoient vers la surface de la Terre. En agissant de manire

analogue aux vitres dune serre, les GES rchauffent latmosphre.

Lutilisation importante de combustibles fossiles depuis le dbut de lre industrielle a engendr une forte

augmentation des rejets de dioxyde de carbone dans latmosphre. Ces rejets ont eu pour consquence

damplifier leffet de serre.

Laugmentation de cet effet de serre provoque :

une lvation de la temprature de la plante,

une vaporation plus importante de leau de mer,

une fonte acclre des glaciers, qui conduit une augmentation du niveau de la mer et une inondation

des rgions ctires.

2) Les dchets radioactifs

a) Courbe de dcroissance radioactive :

Document 7 : la dcroissance radioactive

On dispose de deux chantillons. Un chantillon A constitu de 100 mg datomes diode 131 et un chantillon

B constitu de 100m mg datome duranium 235. Chacun de ces atomes est radioactif, on suit lvolution de leur

masse en fonction du temps :

Document 6 : exemples de priodes radioactives

Chaque lment radioactif est caractris par sa priode radioactive appele aussi demi-vie .

Dfinition : La demi-vie dun chantillon de noyau radioactifs est la dure au bout de laquelle la moiti

des noyaux initialement prsents se sont dsintgrs.

Elment Iode 131 Uranium 235 Csium 137 Polonium 212 Plutonium 239

Priode radioactive 8 jours 4,5x109 ans 30 ans 3x10-7 s 24 000 ans

- Donner la masse diode 131 restant au bout de :

- 8 jours : - 16 jours : - 24 jours :

- Donner la date laquelle il ne reste que :

-50 % de la masse duranium 235 initial :

-25 % de la masse duranium 235 initial :

b) La gestion des dchets radioactifs :

Lindustrie nuclaire produit des dchets constitus de noyaux radioactifs.

Lextrme grandeur des demi-vies de certains de ces noyaux pose des problmes de stockage long terme.

Une des options est lenfouissement des dchets en couches gologiques profondes, projet encore discut

lheure actuelle.

Graphique A :

volution de la masse diode 131 en fonction du temps.

Graphique B :

volution de la masse duranium 235 en fonction du temps.