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Enjeux énergétiques : la chimie verte

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Introduction :

Ce cours porte sur les enjeux énergétiques et l’apport de la chimie verte au respect de l’environnement.
Dans un premier temps nous traiterons des enjeux énergétiques actuels, puis en seconde partie nous nous intéresserons à la chimie verte.

Enjeux énergétiques

L’énergie, une ressource vitale

De nos jours, la consommation énergétique mondiale est en très forte croissance du fait que la plupart des activités humaines nécessitent de l'énergie.

Il existe de nombreuses classifications des énergies.

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Définition

Énergie primaire :

L’énergie primaire provient d’une ressource disponible immédiatement dans la nature.

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Exemple

Le vent qui va faire avancer un bateau à voile, ou du bois qu’on brûle.

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Définition

Énergie secondaire :

L’énergie secondaire provient d’une ressource qui a dû être traitée par la branche industrielle, encore appelée branche énergie, pour être utilisée par le consommateur.

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Exemple

L’électricité qui arrive dans nos foyers, ou l’essence raffinée qui sert de carburant pour nos voitures.

Le bois appartient à ces deux classes. En effet, une centrale électrique peut brûler du bois pour produire de l’électricité et on peut également brûler du bois dans une cheminée pour se réchauffer.

On peut également classer l’énergie selon si la ressource dont elle provient est renouvelable ou pas.

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Définition

Énergie renouvelable :

Une énergie renouvelable provient d’une ressource disponible en quantité presque illimitée

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Exemple

La lumière du Soleil est disponible en quantité infinie à l’échelle humaine.

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Définition

Énergie non-renouvelable :

Une énergie non-renouvelable provient d’une ressource présente en quantité limitée, qui ne pourra pas être reproduite à échelle humaine.

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Exemple

Les ressources énergétiques fossiles ne sont pas renouvelables.

Les activités humaines sont très néfastes pour l’environnement. Dans ce contexte, pour diminuer l’impact de l’Homme sur l’environnement et continuer le développement de populations défavorisées, il y a une triple problématique :

  • Développer l’accès à l’énergie pour toute l’humanité, ce qui implique d’aider les pays en voie de développement (ceux qui augmentent drastiquement leur consommation en énergie depuis 20 ans) à mettre en place un modèle de production énergétique peu polluant.
  • Minimiser les activités polluantes de l’Homme.
  • Économiser les ressources non-renouvelables. Elles risquent de s’épuiser avant que nous ayons eu le temps de faire notre transition énergétique vers un modèle moins dépendant des ressources fossiles.

Dans cette optique, les pays industrialisés tendent à diversifier leurs énergies, pour diminuer la proportion d’énergies non-renouvelables.

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Définition

Bouquet énergétique :

Un bouquet énergétique désigne la proportion des différentes énergies primaires utilisées.

Voici l’évolution du bouquet énergétique mondial de 1982 à 2006. On peut voir que la consommation d’énergie mondiale augmente et qu’il y a une très forte proportion d’énergie fossile (c’est-à-dire de pétrole, de gaz…).

Évolution du bouquet énergétique mondial de 1982 à nos jours

De nombreux projets scientifiques sont en œuvre pour répondre à ce défi.

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Exemple

Il existe de très nombreuses recherches pour rendre rentables énergétiquement et accessibles les projets de pile à hydrogène et de fusion nucléaire.

Bilan énergétique

La plupart de l’énergie consommée en France montre que les bâtiments consomment plus de 40 % de l’énergie finale, et les transports plus de 30 %.

Faire le bilan énergétique permet de recenser les apports et les pertes énergétiques, pour un bon fonctionnement de l’entité étudiée :

  • L’habitat

Dans l’habitat, 65 % de l’énergie est utilisée pour se chauffer et 12 % pour produire de l’eau chaude. Bien entendu, il y a des fluctuations selon la saison (chauffage l’hiver, climatisation l’été) et la géographie (on chauffe plus dans le Nord, qu’en Guadeloupe).

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À retenir

Depuis 2007, le diagnostic de performance énergétique détermine la consommation énergétique du bâtiment (en kWhm2an\text{kWh} \cdot \text{m}^{-2} \cdot \text{an}), on les classe de A, les plus économes, à G, les plus énergivores.

Voici la classification :

Diagnostique de performance énergétique

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Définition

Régime permanent :

Un bâtiment est en régime permanent lorsque son énergie totale est conservée, c’est-à-dire que les apports d’énergies compensent les pertes : ΔEtotale=ΔEapportsΔEpertes=0\Delta E\text{totale} = \Delta E\text{apports} - \Delta E_\text{pertes} = 0.

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Exemple

Quand il fait froid dehors, on chauffe pour compenser la perte de chaleur vers l’extérieur.

  • Les transports

C’est l’une des activités humaines les plus polluantes. En effet, 98 % de l’énergie primaire vient des énergies fossiles.

De même que pour les bâtiments, un véhicule fonctionne en régime permanent quand son énergie totale se conserve : ΔEtotale=ΔEapportsΔEpertes=0 \Delta E\text{totale} = \Delta E\text{apports} -\Delta E_\text{pertes} = 0.

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Exemple

L’énergie mécanique des roues est dispersée par les frottements avec la chaussée, et elle est compensée par l’énergie apportée par le moteur.

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À retenir

Effectuer un bilan énergétique global dans un domaine nécessite de prendre en compte la chaîne énergétique de l’énergie primaire à l’énergie finale.

  • La consommation finale d'énergie correspond à la consommation des seuls utilisateurs en bout de chaîne, autre que celle de la branche énergie.
  • La consommation d'énergie primaire correspond à la consommation totale d'énergie des acteurs économiques.
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À retenir

Consommation d'énergie primaire = consommation finale d'énergie + consommation nette de la branche énergie.

On tient compte de la consommation nette plutôt que de la consommation brute pour éviter des doubles comptes.

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Exemple

Prenons la chaîne énergétique qui va du puits de pétrole au réservoir d’une voiture.

Dans cet exemple, la consommation d’énergie primaire correspondra à l’apport en essence final auquel il faut ajouter l’énergie dépensée pour raffiner la ressource primaire (le pétrole) en ressource secondaire (l’essence directement utilisable par le consommateur).

Économie d’énergie

Pour diminuer la pollution, l’économie d’énergie est l’une des solutions les plus évidentes.

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À retenir

Dans le domaine de l’habitat, on peut limiter les pertes énergétiques ou utiliser des énergies renouvelables décentralisées.

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Exemple

On peut optimiser l’isolement de la maison (fenêtres, portes économes), ou on peut utiliser des chauffe-eaux solaires, ou encore des panneaux solaires pour produire sa propre électricité.

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À retenir

Dans le domaine des transports, on peut améliorer le rendement énergétique, développer de nouveaux carburants pour éviter la chaîne énergétique pétrole-essence, et utiliser de nouveaux modes de stockage de l’énergie pour éviter les pertes énergétiques.

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Exemple

On peut prendre en exemple les nouveaux moteurs de voitures, les biocarburants, les piles à hydrogène et les batteries pour voitures électriques.

La chimie verte

La chimie est également un secteur très polluant. Pour diminuer la pollution, la chimie verte a donc été développée.

L’économie d’atomes

L’essentiel de l’activité polluante en chimie vient des déchets d’une réaction chimique : les produits non utilisables.

L’économie d’atomes permet de minimiser ces rejets, de rejeter des molécules non-polluantes (eau, dioxygène) ou utilisables dans d’autres domaines.

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Exemple

L’oxydation du propan-2-ol :

Économie d’atomes pour l’oxydation du propan-2-ol

Comme on peut le voir, la deuxième méthode est beaucoup plus vertueuse, car il y a moins de rejets.

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À retenir

D’une manière générale, les réactions d’addition et d’isomérisation sont plus vertueuses.

Un indicateur plus efficace est l’utilisation atomique. Il s’agit du rapport de la masse molaire du produit désiré sur l’ensemble des réactifs et produits non désirés :

UA=M(Produit deˊsireˊ)M(Produits reˊactifs)UA = \dfrac {M(\text{Produit désiré})} {M(\text{Produits réactifs})}

Pour l’oxydation vue plus haut (méthode du haut) :

UA=M(propan-2-one)2M(CrO3)+3.M(H2SO4)+M(propan-2-ol)+M(Cr2(SO4)3)+6M(H2O)=58,04(2×99,93+3×97,97+60,06+3×391,74+6×18,01)=58,041837,11=3,16%\begin{aligned} UA &= \dfrac {M(\text{propan-2-one})}{2 \cdot M(CrO3) + 3.M(H2SO4) + M(\text{propan-2-ol}) +M(Cr2(SO4)3) + 6M(H_2O)}\ &= \dfrac {58,04}{(2\times99,93 + 3\times97,97 + 60,06 + 3\times391,74 + 6\times18,01)} \ & = \dfrac {58,04}{1837,11} \ & = 3,16\% \end{aligned}

  • Pour la méthode du bas :

UA=M(propan2one)(1/2M(O2)+M(H2O)+M(propan2ol)=58,04(1/2×31.99+18,01+60,06)=58,0494,065=61,7%\begin{aligned} UA &= \dfrac {M(propan-2-one)} {(1/2 \cdot M(O2) + M(H2O) + M(propan-2-ol)} \ &= \dfrac {58,04}{(1/2\times31.99 + 18,01 + 60,06)}\ &= \dfrac {58,04} {94,065} \ &= 61,7 \% \ \end{aligned}

  • Ce qui confirme que la deuxième méthode est plus vertueuse.

L’économie d’énergie

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À retenir

Les réactions chimiques effectuées à température ambiante sont plus vertueuses que celles qui nécessitent un chauffage. De plus, on peut utiliser des catalyseurs pour diminuer le temps de chauffage.

Pour une estérification, il faut chauffer pendant une heure les réactifs à 100 °C en présence d’acide. Si on utilise une enzyme la réaction durera six heures mais se fera à température ambiante.

Des solvants moins polluants

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À retenir

Il faut sélectionner les solvants les moins toxiques et les moins polluants, pour diminuer leur écotoxicité.

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Exemple

Utiliser l’eau et l’éthanol est plus vertueux qu’utiliser du cyclohexane ou du benzène par exemple.

L’utilisation d’agroressources

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À retenir

Les molécules issues des ressources naturelles ou de la biomasse sont des biomolécules.

Elles peuvent être utilisées comme ressources énergétiques ou comme produit de base de la chimie fine.

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Exemple

On peut parler du bioéthanol ou des polymères plastiques biodégradables à base de pomme de terre.

Recyclage

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À retenir

Lorsque les réactifs et les produits non utilisables peuvent être recyclés cela minimise leur impact environnemental.

On peut par exemple réutiliser un catalyseur métallique plusieurs fois après filtration.

Valoriser le dioxyde de carbone

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À retenir

Le dioxyde de carbone est un des principaux gaz à effet de serre. Pour diminuer son impact sur le climat on peut le stocker. Une autre méthode est de le valoriser.

On peut le valoriser en l’utilisant comme fluide réfrigérant ou en le transformant en produits chimiques réutilisables par l’industrie chimique.
Une autre voie de valorisation est de l’utiliser comme précurseur de biocarburant par la photosynthèse à partir d’algues.