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Optimiser la gestion et l'utilisation de l'énergie

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Introduction :

L’optimisation de l’énergie est un enjeu majeur des sociétés modernes qui ont des besoins grandissants en énergie.
Nous aborderons d’abord le transport et le stockage de l’énergie puis les méthodes de stockage de l’électricité. Enfin, nous verrons quelles sont les conséquences environnementales de ces moyens de stockage.

Transport et stockage de l’énergie

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Définition

Énergie renouvelable :

Source d’énergie dont les réserves sont renouvelables et inépuisables par l’Homme.

Les énergies renouvelables, comme le solaire, ou l’éolien, sont intermittentes. Cela signifie qu’elles ne sont pas toujours disponibles en fonction de la période de la journée ou de l’année.

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À retenir

Pour pouvoir augmenter la part que celles-ci occupent dans notre apport énergétique, il convient de trouver une solution efficace de stockage.

  • L’objectif est de pouvoir garder en réserve l’énergie accumulée pendant les périodes de fonctionnement des éoliennes ou des panneaux solaires pour ensuite redistribuer l’électricité stockée en fonction des besoins.

Toutefois, la production d’énergie renouvelable peut être variable.

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Exemple

Observons la production d’énergie d’origine solaire d’une centrale corse à quelques jours d’intervalle :

Production par la centrale Myrte en Corse à deux dates différentes (avril 2010) sciences première Production par la centrale Myrte en Corse à deux dates différentes (avril 2010)

  • Le graphique du haut montre la production d’électricité un jour où le ciel est couvert.
  • En bas, la même mesure un jour de beau temps.
  • La météorologie a donc un impact très fort sur la production électrique.

Si la météorologie joue un rôle dans la production d’électricité photovoltaïque, chaque département a un potentiel solaire différent.

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Exemple

Différence de production électrique solaire entre deux départements sciences première Différence de production électrique solaire entre deux départements

  • Ce graphique montre, en rouge, la production moyenne pour 1 m2 de capteurs photovoltaïques dans le Nord de la France.
  • La courbe verte, elle, représente la production des Bouches du Rhône, un des départements les plus ensoleillés du pays.

Outre les variations dues au temps et à la situation géographique, il convient également de mettre en parallèle les apports et les besoins énergétiques.

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Exemple

Le graphique suivant montre l’électricité produite par le parc solaire parisien (en jaune) un jour ensoleillé :

Bilan des besoins domestiques et apports en énergie solaire un 6 novembre à Paris Bilan des besoins domestiques et apports en énergie solaire un 6 novembre à Paris

Les courbes de couleur bleue et mauve montrent la consommation de la population.

  • Les besoins en chauffage et en éclairage ainsi que la consommation liée aux appareils électroménagers et au matériel électronique sont corrélés aux horaires professionnels et à la tombée de la nuit. Ici, l’apport et la demande en électricité sont décalés, d’où la nécessité d’un stockage efficace de l’énergie.

Toutefois, cette problématique n’existe pas dans le cadre d’une centrale thermique approvisionnée par un combustible fossile ou dans le cas d’une centrale nucléaire.

L’énergie d’origine éolienne ne fait pas exception comme le montre ce relevé de la vitesse des vents sur une semaine dans le Golfe du Lion.

Vitesse des vents sur une semaine, Golfe du Lion sciences première Vitesse des vents sur une semaine, Golfe du Lion

  • L’apport est variable, puisqu’il est dépendant de la vitesse des vents.

L’avantage des éoliennes est qu’elles peuvent produire en permanence, de jour comme de nuit, mais cet apport est difficile à anticiper.

Le stockage de l’électricité

Le stockage de l’électricité n’est pas possible directement car il faut la convertir en une autre forme d’énergie (par exemple mécanique ou électrochimique).

Accumulateurs et piles à combustible

Les piles à lithium de petite taille sont utilisées pour alimenter les téléphones, ordinateurs et divers outils électroniques.

Ce système de stockage électrochimique est efficace pour les petits appareils mais reste peu fiable dans le cadre d’une consommation plus importante. Leur coût est trop élevé, le risque d’échauffement est excessif et leur durée de vie insuffisante.

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Exemple

Par exemple, une voiture électrique nécessitera une batterie de 450 kg pour une autonomie de seulement 300 km.

Fonctionnement d'une pile au lithium Fonctionnement d'une pile au lithium

Dans une pile au lithium, les ions Li+ sont naturellement attirés par la cathode, provoquant un mouvement d’électron e- en sens inverse et donc un courant électrique.

Il suffit de séparer la cathode et l’anode pour couper le courant. À l’inverse, en ouvrant le séparateur, on le relance. Ainsi, c’est en branchant cette pile sur un courant électrique que l’on peut forcer les ions Li+ à revenir à leur point de départ : dans ce cas, on recharge la batterie, qui pourra à nouveau se décharger progressivement sur demande et ainsi fournir un courant électrique au moment souhaité.

Parmi les types de pile étudiés actuellement, c’est la pile à dihydrogène qui intéresse le plus les scientifiques.
Cette technologie est connue depuis le XIXe siècle mais a très vite été mise de côté au profit de ressources fossiles moins coûteuses. Cette pile met en jeu des réactions d’oxydoréduction classiques impliquant du dihydrogène (2H2) et du dioxygène (O2). Son avantage est qu’elle n’utilise que des gaz pour fonctionner et ne produit que de l’eau.

Pile à dihydrogène sciences première Pile à dihydrogène

La réaction se fait à l’état gazeux. Elle fait réagir deux dihydrogènes avec une molécule d’oxygène et génère deux molécules d’eau :

2H2(gaz)+O2(gaz)2H2O(gaz)2\text H{2 (gaz)} + \text O{2(gaz)} \rightleftarrows 2\text H2\text O{(gaz)}

Cette pile à combustible nécessite l’utilisation de membranes en polymère à base de platine, un métal rare et polluant.
Il faut noter que des recherches sont en cours pour trouver des alternatives à ces matériaux nocifs pour la planète.

Par ailleurs, si le dioxygène mis en jeu dans la réaction est très abondant dans l’air, ce n’est pas le cas du dihydrogène qui doit être produit industriellement :

  • par électrolyse de l’eau : 2H2O2H2+O22\text H2\text O \rightleftarrows 2\text H2 + \text O_2
  • Ce qui est exactement la réaction inverse à celle faite dans la pile.
  • Ou par décomposition du méthane dans l’eau : CH4+2H2O4H2+CO2\text{CH}4 + 2\text H2\text O \rightleftarrows 4\text H2 + \text{CO}2
  • Cette technique utilise une énergie fossile (le méthane), l’enjeu est donc de trouver un moyen plus propre de produire du dihydrogène.

D’autres procédés de stockage

D’autres procédés de stockage de l’électricité existent, comme le pompage de l’eau qui est possible grâce aux centrales hydroélectriques.

Dans ce cas, une centrale hydroélectrique produit de l’électricité en turbinant l’eau qui s’écoule naturellement d’une voie fluviale.

Fonctionnement d'une centrale hydroélectrique avec système de pompage Fonctionnement d'une centrale hydroélectrique avec système de pompage

L’avantage est que la centrale qui produit peut aussi stocker l’énergie. En effet, lorsque la demande en électricité est plus faible que l’apport, la centrale peut utiliser son excédent d’énergie pour pomper l’eau et la stocker dans un réservoir en amont de la centrale.

  • Lorsque la demande en énergie augmente, l’eau stockée passe par les turbines et augmente ainsi la production électrique.

Ce principe de fonctionnement est celui d’une conversion électrique en énergie potentielle de pesanteur.

  • L’eau pompée en amont redescend naturellement une fois le robinet ouvert et transforme l’énergie potentielle en énergie cinétique (énergie de mouvement), qui va ensuite devenir une énergie mécanique de rotation en passant par la turbine, qui va elle-même transformer ce mouvement en électricité grâce à un alternateur.
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À retenir

Chaque type d’énergie a donc des avantages et des inconvénients sur le plan pratique : certaines sont simples à utiliser, peu coûteuses, mais très polluantes et d’autres sont plus difficiles à maîtriser mais peu ou pas polluantes.

Pour pouvoir comparer chaque option, on fait appel à l’empreinte environnementale.

L’empreinte environnementale

Apparu au début des années 1990, le terme d’empreinte environnementale traduit l’impact d’une activité humaine sur les écosystèmes.

Les « déchets » produits par nos besoins en énergie toujours plus gourmands se traduisent majoritairement à travers deux phénomènes :

  • les rejets de gaz à effet de serre,
  • et les déchets radioactifs.

Les gaz à effet de serre

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Définition

Effet de serre :

Effet dû à la présence de gaz à effets de serre dans l’atmosphère. Une partie du rayonnement solaire traverse l’atmosphère et atteint le sol qui émet un rayonnement thermique. Ce rayonnement contribue au réchauffement de l’atmosphère.

Fonctionnement de l'effet de serre sciences première Fonctionnement de l'effet de serre

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À retenir

L’effet de serre est un phénomène naturel qui n’est pas nuisible en lui-même.
Il est d’ailleurs nécessaire au maintien de la vie sur Terre. Sans lui, la température moyenne à la surface du globe serait de -18 °C au lieu de 15 °C. Le problème est la vitesse à laquelle varie la température moyenne à la surface de la planète.

Les gaz relâchés quotidiennement dans notre atmosphère par l’industrie et les centrales accentuent cet effet et provoquent un réchauffement climatique certes peu perceptible à échelle individuelle mais qui met à mal la capacité d’adaptation de nombreuses espèces animales ou végétales.

L’atmosphère joue un rôle essentiel dans la régulation de la température sur Terre.

La composition de l’atmosphère et la concentration relative de chaque gaz qui la constitue ont une influence autant sur son rôle de barrière protectrice que sur celui de miroir naturel pour les rayons infrarouges.

Les gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2) absorbent ou renvoient 50 % du rayonnement solaire, protégeant ainsi les différentes formes de vie présentes sur Terre d’irradiations trop importantes. Mais une fois la surface de la planète chauffée, celle-ci renvoie des rayons infrarouges vers l’espace.

C’est ce rayonnement qui est majoritairement retenu par notre atmosphère, d’où la qualification de « serre » pour décrire ce phénomène.

  • En d’autres termes, la chaleur en surface reste piégée sur notre planète par effet miroir.

Les principaux gaz jouant un rôle dans l’effet de serre sont :

  • le dioxyde de carbone (CO2) ;
  • le méthane (CH4) ;
  • le protoxyde d’azote (N2O) ;
  • l’ozone (O3) ;
  • l’eau sous forme gazeuse (H2O) ;
  • les chlorofluorocarbones utilisés jusqu’en 2000 dans les machine frigorifiques.

Les déchets radioactifs

L’autre type de déchet qui pose un problème de gestion provient des centrales nucléaires.

Ceux qui défendent ce mode de production énergétique font valoir le fait qu’il émet peu ou pas de gaz à effet de serre. Mais se pose la question du stockage des éléments radioactifs issus de la fission nucléaire. En effet, si certains de ces déchets sont radioactifs seulement quelques jours, d’autres restent dangereux pendant plusieurs centaines de milliers d’années.

Il existe 3 types de rayonnements émis par les déchets.

  • Les particules α\alpha : un rayonnement α est une désintégration radioactive d’un noyau père qui émet deux noyaux fils dont un noyau d’hélium. Dans l’univers, ils peuvent venir de supernovas (des étoiles en fin de vie). Le pouvoir de pénétration de la matière des particules α est si faible qu’une feuille de papier peut les arrêter.
  • Les particules β\beta : un rayonnement β traduit une désintégration lors de laquelle un électron (chargé négativement) ou un positon (chargé positivement) est émis. On parle respectivement de rayonnement β- et β+. Ils peuvent être arrêtés par une feuille d’aluminium.
  • Les rayons γ\gamma : un rayonnement électromagnétique puissant est provoqué par la désexcitation d’un noyau atomique fils après une désintégration. Ils sont très pénétrants. Un écran en plomb d’une épaisseur de 50 mm arrête environ 90 % de ce rayonnement.

À la fin de l’année 2007, il existait en France environ 1 150 000 m3 de déchets radioactifs et 90 % d’entre eux seront inactifs d’ici 300 ans.
Mais les 10 % restants, coulés dans du verre ou du bitume qui sont des matériaux très résistants à la radioactivité, seront encore très dangereux pendant des centaines de milliers d’années.

Deplus, les accidents qui peuvent avoir lieu dans les centrales nucléaires ont de graves conséquences sur l’environnement.