Fiche de révision : Les atouts de l’électricité et ses enjeux dans le développement durable

L’être humain déclare sa flamme à l’énergie électrique !

• L’énergie électrique sans combustion représente un enjeu essentiel pour la préservation de notre environnement.
• La production d’énergie électrique peut se faire à partir de l’énergie mécanique :
• on parle de conversion directe d’énergie mécanique lorsque l’énergie mécanique directement produite par une source est transformée en énergie électrique par un alternateur (exemple : éolienne, barrage hydroélectrique) ;
• on parle de conversion indirecte d’énergie mécanique lorsque l’on part d’une énergie thermique transformée en énergie mécanique, grâce à la production de vapeur d’eau, avant d’être convertie en énergie électrique (exemple : centrale nucléaire ou géothermique).
• La production d’énergie électrique peut se faire à partir du rayonnement électromagnétique solaire (panneaux photovoltaïques).
• Le rendement des panneaux photovoltaïques est faible, mais l’énergie radiative solaire arrivant en continu sur la Terre, il serait en théorie possible de subvenir aux besoins mondiaux en électricité.
• La production d’énergie électrique peut se faire à partir de la chimie, avec la pile, grâce à la double réaction d’oxydoréduction : le zinc subit une oxydation ; le dioxyde de manganèse subit une réduction.
• La pile permet de répondre au problème du stockage.
• La pile à hydrogène est une pile à combustible utilisée dans l’automobile, l’aéronautique et l’aérospatiale. Elle a l’avantage de rejeter uniquement de l’eau, d’être silencieuse et d’avoir une grande longévité, mais la synthétisation du dihydrogène est couteuse et émettrice de $CO_2$, sans compter que le risque d’explosion est présent.
• Bilan comparé des rendements suivant le mode de production :

• Bilan de l’impact environnemental : la production d’électricité à partir de l’énergie mécanique, du rayonnement électromagnétique ou de la réaction chimique d’oxyréduction est certes sans combustion, mais des progrès sont encore nécessaires pour limiter l’impact écologique : les barrages modifient les écosystèmes, l’éolien demande des ressources en espaces, le photovoltaïque, le nucléaire et les piles électrochimiques utilisent des ressources dont l’extraction, l’exploitation et le recyclage posent problème.

L’ère du stockage doit arriver

• Pour optimiser l’utilisation de l’électricité produite sans combustion, l’être humain doit améliorer le stockage de l’énergie.
• L’énergie potentielle de pesanteur s’applique dans le cadre des retenues d’eau et consiste à utiliser des pompes électriques (alimentées par des centrales dont le fonctionnement est continu) pour faire monter de l’eau dans un barrage d’altitude : l’eau ainsi élevée gagne en énergie potentielle de pesanteur qui pourra être de nouveau transformée en énergie électrique.
• Le rendement est bon, mais l’impact environnemental reste assez important.
• L’énergie électromagnétique consiste à stocker temporairement l’électricité sous forme d’une différence de potentiel grâce à un condensateur.
  Dans le cas des supercondensateurs, la surface de stockage des charges électriques est augmentée grâce à l’utilisation d’un matériau microporeux et l’isolant est remplacé par un électrolyte.
• Le condensateur permet d’avoir une énergie électrique disponible immédiatement sans transformation, il a une assez longue longévité et un rendement très élevé, mais la quantité d’énergie stockée reste limitée et il se décharge rapidement.
• L’énergie chimique est utilisée depuis longtemps pour répondre au problème du stockage via l’accumulateur (exemple : accumulateurs lithium-ions pour les véhicules électriques).
  L’accumulateur fonctionne comme la pile mais il peut emmagasiner de l’énergie électrique (recharge) pour la restituer plus tard (régénération des réactifs par inversion forcée des transformations chimiques, moyennant un apport d’énergie électrique).
• Un accumulateur lithium-ions a cependant une durée de charge relativement longue et la production et le retraitement du lithium sont nuisibles pour l’environnement.
• Une autre technique de stockage par voie chimique est la filière hydrogène. Dans ce cas, le surplus d’énergie électrique est transformé par électrolyse en dihydrogène qui sera retransformé en énergie électrique.
• Bilan des modes de stockage d’électricité :