MAUDITE ÉNERGIE
Étude sur l’énergie
Avant-propos
Cet écrit sur l’énergie prend sa source dans les nombreuses questions que nous avions et que nous avons encore concernant l’énergie et ses différentes formes; s’ajoute, à cette quête, un plaisir d’apprendre et un espoir d’identifier un tronc commun entre toutes ces énergies. L’étude de ces énergies se veut aussi être un moyen pour s’approcher d’un objectif ultime soit, la formulation d’une hypothèse concernant l’énergie sombre. Vu que nous n’avons pas de formation scientifique, même si nous avons lu plusieurs livres de science, notre propos sera simple et certainement facile d’accès pour un néophyte; espérons aussi qu’il sera un bon rappel pour les personnes plus familières avec les différentes énergies. Pour chaque énergie étudiée, nous tenterons de préciser certaines caractéristiques (source, application, coût, etc.).
Il n’est pas très facile de présenter un classement unique pour les nombreuses formes d’énergie. Le regroupement populaire oppose souvent les énergies fossiles aux énergies renouvelables, tandis que d’autres classements utilisent la source des énergies pour les caractériser et regroupent alors les énergies dans une division thermique, chimique, rayonnante ou mécanique. Sommairement une énergie est dite thermique lorsqu’elle est associée aux mouvements désordonnés des particules contenues dans une substance; elle est chimique lorsqu’elle provient des liaisons qui unissent les atomes* d’une molécule; elle est rayonnante lorsqu’elle est contenue et transportée par des ondes électromagnétiques*, en particulier par la lumière, et elle présente une composante mécanique lorsque l’énergie est liée au mouvement d’un corps. À la lueur de ces définitions, il ressort que plusieurs énergies peuvent fondamentalement être associées à différentes divisions.
Pour faciliter la compréhension de ces énergies, nous utiliserons la classification populaire et nous préciserons, lorsque possible, si l’énergie étudiée peut être aussi définie comme étant thermique, chimique, rayonnante ou mécanique. Après avoir décrit les énergies fossiles et les énergies renouvelables, nous aborderons, dans la troisième section, l’énergie nucléaire, l’électricité et l’hydrogène. Une section sera aussi consacrée à l’énergie cellulaire du corps humain et la dernière section sera réservée à l’énergie sombre, qui est une des centrations principales de cet écrit et qui demeure, pour l’instant, une énigme obsédante.
Les mots suivis d’un astérisque* sont définis dans le glossaire.
Bonne lecture.
SECTION 1
LES ÉNERGIES FOSSILES
CHAPITRE 1.1 : Le pétrole.
Partie A : Nature de cette énergie?
Le pétrole est une énergie qui provient de la dégradation d’organismes, animaux ou végétaux, qui se sont déposés principalement au fond des mers. Le pétrole se situe le plus souvent en dessous d’une couche d’hydrocarbures* gazeux et au-dessus d’une couche d’eau salée plus dense que lui. Cette énergie est du type chimique, car elle est emmagasinée dans les liaisons qui unissent les atomes des molécules.
Une matière organique exclusivement animale produira beaucoup d’hydrocarbure liquide alors que celle provenant du végétal donnera principalement du gaz.
La découverte du pétrole remonte à très longtemps; dès l’Antiquité, partout où affleuraient les roches pétrolifères, on se servait du bitume comme isolant; les Égyptiens utilisaient aussi du pétrole pour la momification. Déjà en 1600, il y avait des forages qui pouvaient descendre jusqu’à 35 mètres. L’industrie pétrolière, comme telle, prit son envol en 1859 lorsqu’Edwin Drake vit surgir du pétrole de son forage effectué à Titusville en Pennsylvanie.
Plus spécifiquement, le pétrole, tout comme le gaz, provient de roches sédimentaires*, qui sous l’effet de la pression et de la chaleur, se fendillent en molécules plus légères et laissent échapper ces hydrocarbures. En fait, les sédiments sont d’abord transformés en kérogène, un composé solide, qui laissera échapper de l’eau et du dioxyde de carbone; avec l’augmentation de la chaleur, le kérogène libère aussi du pétrole. Le pétrole liquide lourd est composé de molécules de plus de 14 atomes de carbone, alors que les gaz ne contiennent pas plus de 5 atomes de carbone.
Il existe trois grandes classes de pétrole brut; les types paraffineux sont composés de molécules dans lesquelles le nombre d’atomes d’hydrogène est toujours le double + 2 du nombre d’atomes de carbone. Dans les types de pétrole bitumineux, les naphtènes, les molécules contiennent exactement deux fois plus d’atomes d’hydrogène que d’atomes de carbone et dans la 3ième grande classe de pétrole brut, on retrouve à la fois des hydrocarbures paraffinés et des naphtènes.
Partie B : Caractéristiques.
Le pouvoir calorifique*, voir aussi annexe 2, d’une tonne d’équivalent pétrole (TEP) vaut 41.86 GJ/T soit environ 10 Gcal/T; étant donné que le pétrole est le combustible qui a été et qui est encore le plus exploité, il sert souvent de référence aux autres combustibles; à titre d’exemple, une tonne de tourbe équivaut à 0.2275 TEP, soit 9.52 GJ/T, donc presque cinq fois moins calorifique que la tonne de pétrole.
Il existe de nombreux systèmes de référence et il est parfois difficile de s’y retrouver. En utilisant le système métrique, l’énergie calorifique, voir aussi annexe 1, est exprimée en million de joules divisés par un kilogramme de combustible (MJ/Kg). En multipliant cela par mille nous arrivons à GJ/T, ce qui sera la mesure que nous utiliserons habituellement pour comparer le pouvoir calorifique des énergies entre elles.
Voici quelques équivalences pour la TEP.
1TEP égale 41.86 GJ; 39.68 MBTU; 11 630 kWh et 1.43 TEC (tonne d’équivalent en charbon).
Les quantités de pétrole, dans un gisement, sont souvent mesurées par le nombre de barils que la compagnie peut remplir, en sachant qu’un baril contient 159 litres de pétrole.
En 2014, le Canada se trouvait au 5ième rang pour la production de pétrole brut, soit après l’Arabie Saoudite, la Russie, les États-Unis et la Chine.
Partie C : Les applications.
L’impact du pétrole dans le monde tient à ses propriétés. Liquide et concentré, le pétrole est facile à produire, à transporter, à stocker et à utiliser, alors que le charbon est difficile à produire et à manipuler, que l’électricité ne peut être stockée et que le gaz naturel est une énergie diffuse et peu concentrée.
Le pétrole brut est un mélange très variable de produits lourds et légers qu’il faut séparer par raffinage afin de répondre aux différents besoins.
Près de 40% du pétrole mondial est utilisé par le secteur du transport (essence, diésel, kérosène). Le butane et le propane, qui sont des gaz de pétrole liquéfié, servent surtout pour la cuisson des aliments et pour du chauffage. Le fioul est surtout destiné au chauffage et certaines centrales thermiques l’utilisent pour produire de l’électricité. Le bitume, issu du pétrole lourd, sert surtout de revêtements routiers. Le pétrole sert aussi à fabriquer des engrais chimiques, des pesticides, des plastiques, des adhésifs, des lubrifiants, etc.
En fait, le pétrole est partout. Les États-Unis est le pays qui en consomme le plus avec 20.5% du niveau mondial, suivi de la Chine avec plus de 11% et du Japon avec 5%. Le Canada se situe au 7ième rang avec une consommation de 2.5% du pétrole mondial.
Partie D : Commentaires.
Le pétrole est intégré dans toutes les sphères de la société et est utilisé partout dans le monde. Les réserves sont encore importantes, même si depuis plusieurs années, on nous dit que nous approchons de la fin. Le coût d’extraction est acceptable et le pouvoir calorifique est un des meilleurs de toutes les énergies. L’aspect le plus important est relié au fait de la grande diversité d’utilisation. Le pétrole a mauvaise presse depuis plusieurs années, surtout à cause de son aspect polluant et aussi depuis qu’il y a un lien entre sa consommation et la production de gaz à effet de serre. Malgré ces inconvénients sur l’environnement immédiat et à venir, nous croyons que son utilisation peut et doit se poursuivre, si nous réussissons à réduire ses effets négatifs et que notre consommation de cette énergie n’empêche pas la transition vers des énergies renouvelables.
CHAPITRE 1.2 : Le charbon.
Partie A : Nature de cette énergie?
Le charbon tire son énergie des végétaux engloutis par les eaux. La sédimentation de ces végétaux a produit une roche combustible, de couleur noire, renfermant une forte proportion de carbone. Nous retrouvons différentes sortes de charbon (anthracite, houille, lignite et la tourbe). C’est aussi une énergie chimique.
Le charbon est déjà connu 1000 ans avant J.C. Au 13ième siècle, les Chinois faisaient cuire leurs aliments en faisant brûler des « pierres noires ».
Partie B : Caractéristiques.
L’anthracite est un charbon qui brûle sans fumée et qui dégage beaucoup de chaleur, il contient entre 93% et 97% de carbone; la houille en contient entre 60% et 90%, alors que le lignite montre un pouvoir calorifique plus faible et contient entre 50% et 60% de carbone; la tourbe offre un rendement médiocre avec moins de 50% de carbone. Le charbon contient plus de carbone que le pétrole ou le gaz qui, eux, contiennent des quantités plus importantes d’hydrogène. Généralement, les composés de charbon contiennent environ 4% d’hydrogène alors que le pétrole en contient au moins 8%.
Le pouvoir calorifique des composés de charbon diminue en fonction du pourcentage de carbone contenu dans le composé. L’anthracite, qui contient beaucoup de carbone, fournit environ 33.49 GJ/T d’énergie, alors que la tourbe, qui contient beaucoup moins de carbone, ne fournit plus qu’environ 9.52 GJ/T d’énergie.
Partie C : Les applications.
Comme le pétrole, le charbon est un composé qui est largement utilisé; la production d’électricité est aujourd’hui sa principale utilisation. Le charbon est brûlé dans une chaudière; la chaleur dégagée sert à chauffer de l’eau et la vapeur produite actionne alors une turbine couplée à un alternateur qui génère l’électricité.
En sidérurgie, on emploi du charbon concentré en carbone presque pur, le coke; mélangé avec du minerai de fer, il donne la fonte qui peut ensuite être transformée en acier.
Le charbon peut être gazéifié en présence d’oxygène et de vapeur d’eau pour donner un gaz synthèse qui est alors un mélange de monoxyde de carbone et d’hydrogène.
Le charbon de bois, dont on se sert pour les BBQ, n’est pas un charbon naturel; il est obtenu par la pyrolyse* du bois. Le charbon de bois est utilisé souvent dans les filtres pour l’épuration de l’eau.
La consommation de charbon a plus que doublé depuis 30 ans et continue d’augmenter; elle devrait dépasser la consommation de pétrole vers 2016 ou 2017. Son principal atout réside dans le fait que le charbon offre des réserves abondantes et des prix plus stables que ceux du pétrole et du gaz. Par contre, il est très polluant; entre l’an 2000 et l’an 2013, plus de 60% des émissions de CO2 mondiales ont été liées à la combustion de charbon qui est utilisé pour produire de l’électricité ou simplement de la chaleur.
Cinq pays se partagent 80% des réserves. Les États-Unis, la Russie, la Chine, l’Australie et l’Inde. La consommation de la Chine représente, à elle seule, plus de 30% de la consommation mondiale.
Partie D : Commentaires.
Le charbon, même s’il est très polluant, est encore très utilisé et, selon les prévisions, sa consommation devrait dépasser celle du pétrole qui a pourtant un pouvoir calorifique plus élevé. Les atouts économiques l’emportent sur les aspects écologiques, même si les gouvernements sont de plus en plus sensibilisés à l’importance de réduire les gaz à effet de serre. La technologie devrait permettre, comme pour le pétrole, une diminution des effets négatifs de sa consommation.
CHAPITRE 1.3 : Les gaz.
Partie A : Nature de cette énergie?
Le gaz naturel est un hydrocarbure, mélange de carbone et d’hydrogène, issu de la transformation naturelle de matières organiques; il est un excellent combustible. Comme le pétrole et le charbon, le gaz est une énergie chimique.
La très grande proportion, environ 90% du gaz naturel, est du méthane; c’est le plus léger et le plus simple des hydrocarbures, vu qu’il ne contient qu’un seul atome de carbone, associé à quatre atomes d’hydrogène. Le symbole chimique est CH4.
Avec le temps et sous l’effet de la pression et de la chaleur, les couches sédimentaires de matières organiques se transforment en hydrocarbure. Puisque le méthane est un gaz léger, il a tendance à remonter à l’intérieur des roches poreuses jusqu’à ce qu’il heurte une couche de roche imperméable; bloqué à cet endroit, une poche de gaz se forme.
Le gaz de schiste, c’est du gaz naturel qui se trouve piégé à l’intérieur des fines couches de roches stratifiées; par la fracturation de ces roches, on réussit à récupérer le gaz.
Le gaz naturel est connu depuis l’antiquité et dès le 3ième siècle avant J.C., les Chinois exploitaient déjà un puit.
Partie B : Caractéristiques.
Le gaz naturel est le produit de la fermentation bactérienne de la matière organique; il est composé de plus de 90% de méthane. Le gaz naturel, incolore et inodore à l’état brut, est extrait directement du sous-sol; il ne requiert pas d’autres transformations que l’ajout de mercaptan, un composé soufré destiné à lui donner une odeur caractéristique pour des questions de sécurité.
30 litres de gaz naturel produit la même quantité d’énergie que 27 litres de mazout, 39 litres de propane, 26 litres d’essence ou 277 kWh d’électricité. Il faut environ 100 GJ de gaz naturel en moyenne pour chauffer une maison unifamiliale de taille moyenne au Canada durant un an.
La combustion du gaz naturel produit essentiellement de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Le gaz naturel rejetterait 55 kg de CO2 par GJ de chaleur, alors que le pétrole en rejette 75 Kg et le charbon près de 100 kg.
Partie C : Les applications.
Le gaz naturel est transporté principalement au moyen d’un vaste réseau de canalisation en acier sous haute pression. Les distributeurs décompriment le gaz, y ajoutent un agent odorant pour la sécurité et le livrent alors aux particuliers et aux petites entreprises par des canalisations basse pression et de faible diamètre.
Le gaz naturel liquéfié (GNL), c’est du gaz naturel qui est liquéfié sous l’action d’un refroidissement à -162°C; cette opération rend le gaz naturel à l’état liquide, non pressurisé, et le rend alors facilement transportable. Le GNL voit son volume divisé par 600 par rapport à son état gazeux. Le GNL peut se transporter facilement par bateaux, contrairement au gaz naturel classique qui transite par gazoduc. Une fois parvenu à destination, le gaz liquéfié est regazéifié par chauffage, puis expédié par pipeline aux utilisateurs.
Le gaz naturel peut être utilisé comme combustible ou comme matière première.
Comme combustible, il est utilisé dans la production de chaleur pour la cuisson ou le chauffage. Il sert aussi à la production d’électricité et est utilisé comme carburant dans certains véhicules. Ce carburant, c’est le même gaz naturel que celui utilisé pour le chauffage ou la cuisson, excepté qu’il a été comprimé afin de faciliter le stockage; il est alors comprimé à 200 bars, pression comparable à celle des bouteilles de plongée sous-marine.
Au niveau industriel, le gaz naturel sert à synthétiser l’ammoniac et l’urée en vue de fabriquer de l’engrais pour l’agriculture.
Les principaux pays producteurs sont : la Russie, les États-Unis, le Canada, l’Iran, la Norvège et l’Algérie. Les plus grands consommateurs sont les États-Unis avec 23% de la consommation mondiale, suivis de la Russie avec 13%; le Canada en consomme un peu plus de 3%.
Au niveau mondial, le gaz naturel représente environ 23% de l’énergie totale utilisée.
Partie D : Commentaires.
Le gaz naturel est une énergie intéressante du fait que son pouvoir calorifique est assez bon et qu’il est moins polluant que le pétrole ou le charbon. Le gaz naturel, récupéré d’une manière conventionnelle, est plus accepté que le gaz de schiste, qui est extrait des roches par la fracturation de celles-ci.
SECTION 2
LES ÉNERGIES RENOUVELABLES
CHAPITRE 2.1 : L’énergie solaire.
Partie A : Nature de cette énergie?
L’énergie solaire vient de la fusion nucléaire qui se produit au centre du soleil; cette énergie se propage sous la forme d’un rayonnement électromagnétique, les photons* qui sont les composantes de la lumière. Les deux principales branches au niveau technologique sont le solaire thermique et le solaire photovoltaïque.
Dans la technologie du solaire thermique, les atomes, composant le matériau des capteurs solaires, sont excités par les photons provenant du soleil. En récupérant une partie de l’énergie de ces photons, les atomes changent d’état énergétique, créant ainsi une agitation thermique. Les atomes vont alors libérer le surplus d’énergie sous forme de chaleur.
Dans la technologie du solaire photovoltaïque, le matériau des capteurs est un semi-conducteur*, souvent à base de silicium. Le silicium possède 4 électrons sur sa dernière couche électronique. Sur la surface supérieure des panneaux photovoltaïques, certains atomes de silicium sont remplacés par des atomes de phosphore qui, eux, possèdent 5 électrons sur leur dernière couche électronique, on dit alors qu’il y a dopage négatif; sur la surface inférieure des panneaux, certains atomes de silicium sont remplacés par des atomes de bore qui, eux, ne possèdent que 3 électrons sur leur dernière couche; il y a alors dopage positif. C’est un photon qui active le tout en décrochant alors le cinquième électron de l’atome de phosphore; aussitôt libéré, cet électron va rejoindre la couche inférieure, celle dopée au bore, afin de combler le déficit d’électrons. Le processus se poursuit tant que des photons frappent le panneau. Les électrons, mis en mouvement, vont ainsi produire un courant continu.
L’énergie solaire est une énergie rayonnante.
Plusieurs personnes ont appris à utiliser l’énergie du soleil et cela depuis toujours. Déjà au 18ième siècle, Antoine Lavoisier a créé un four solaire qui, grâce à une lentille liquide concentrant les rayons solaires, permettait d’atteindre une température de 1 800°C.
La conversion de la lumière en électricité, appelé effet photovoltaïque, a été découvert par Edmond Becquerel en 1839.
Partie B : Caractéristiques.
En une année, l’humanité entière consomme environ 10 milliards de TEP. Cette quantité représente moins de 3% de ce que le soleil nous envoie gratuitement chaque jour. Dans le soleil, 1 Kg d’hydrogène produit, par réactions nucléaires le transformant en hélium, environ 180 millions de kWh ou 648 000 GJ d’énergie. À chaque seconde, le soleil transforme 600 millions de tonnes d’hydrogène en hélium et perd 4 millions de tonnes, qui sont expulsées dans l’espace sous forme de particules ou de rayonnements, les photons.
Le soleil contient environ 73% d’hydrogène et 25% d’hélium. La température de son noyau est d’environ 15 000 000°C, la zone radiative est de 1 500 000°C et sa zone de convection est de 6 000°C. Par comparaison, la température de la terre est en moyenne de 15°C. La densité du soleil est de 1.41 alors que pour l’eau, qui est la référence, la densité est 1. Dans le noyau, la matière est dans un état, appelé plasma, où les atomes ont perdu leurs électrons (on dit qu’ils sont ionisés).
Malgré que le soleil soit une source inépuisable d’énergie, son utilisation directe ne représente que 0.7% de l’énergie mondiale qui est consommée, alors que les énergies fossiles représentent environ 78%.
Partie C : Les applications.
L’énergie solaire est souvent utilisée pour se chauffer; il peut s’agir du solaire passif alors que les rayons du soleil nous réchauffent directement; il y a les panneaux solaires thermiques qui servent souvent à chauffer de l’eau et aussi la technique de concentration des rayons par des miroirs ou des paraboles. Cette dernière technique est assez puissante pour produire de l’électricité en élevant la température de l’eau jusqu’à créer de la vapeur, qui est ensuite capable d’actionner des turbines.
Cependant la majorité de la production d’électricité provient de la technique qui utilise des cellules photovoltaïques. Le rendement est cependant faible, ne dépassant pas 12%; le reste de l’énergie étant perdu sous forme de chaleur.
L’énergie solaire a d’abord servi à alimenter en électricité plusieurs articles qui consomment peu d’énergie (calculatrice, appareil photo, etc.), mais maintenant, elle est aussi utilisée pour les transports (auto, train, bateau, avion). Il y a même des voiles solaires dans l’espace.
Partie D : Commentaires.
Le soleil est la source principale et originelle de la majorité des énergies sur terre. Cependant, malgré que l’énergie du soleil soit inépuisable, le rendement que l’on réussit à en obtenir directement est actuellement faible. Il est à espérer que son rendement continuera à progresser et que le coût de revient baissera, afin que son utilisation devienne la norme; ce qui réduirait la consommation des énergies fossiles et énormément les gaz à effet de serre.
CHAPITRE 2.2 : L’énergie éolienne.
Partie A : Nature de cette énergie?
L’énergie éolienne provient fondamentalement de l’énergie solaire. Le soleil chauffe inégalement la terre, ce qui crée des zones de températures et de pressions atmosphériques différentes autour du globe. De ces différences naissent des mouvements d’air, appelés vents, qui tentent d’équilibrer les pressions entre les zones voisines. Donc cette forme d’énergie provient fondamentalement de l’énergie solaire, rayonnante, mais se présente sous forme mécanique.
Techniquement aujourd’hui, l’énergie éolienne est produite par la force que le vent exerce sur les pales d’une éolienne, les faisant tourner plusieurs fois à la minute. Les pales sont reliées à un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. Avec l’eau et le bois, le vent a été une des premières ressources naturelles à avoir été utilisée pour faciliter la vie de l’homme. En maîtrisant, la force du vent, l’homme a pu faire avancer des bateaux et découvrir de nouvelles terres, comme il a pu produire, entre autres, de la farine grâce au moulin à vent qui moulait du grain.
Partie B : Caractéristiques.
Le rendement d’une éolienne dépend surtout de la grandeur des pales et de la vitesse du vent; la vitesse minimale du vent pour faire fonctionner une éolienne est d’environ 14 km/h et la vitesse optimale se situe aux alentours de 43 km/h; il y a des systèmes de sécurité sur les éoliennes et ceux-ci arrêtent automatiquement les éoliennes lorsque le vent s’approche de 90 km/h.
La densité de l’air, reliée à la température, est aussi un facteur qui influe sur le rendement. Pour une même vitesse de vent, un air plus froid, donc plus dense, de 10°C produira 3% de plus d’électricité. Selon la loi de Betz, les éoliennes ne peuvent transformer que 60% de l’énergie totale du vent en énergie mécanique. C’est en mer que les vents sont les plus forts et les plus constants.
Le coût de l’éolien, grâce à l’avancement technologique, est en baisse. À titre d’exemple, le prix moyen, suite à des appels d’offre d’Hydro-Québec en 2014, a été de 0.06$ par kWh.
Partie C : Les applications.
En phase d’exploitation, cette énergie renouvelable ne produit pas directement de gaz à effet de serre. À la fin de 2014, la puissance installée au Canada était de 9 GW, tirée de plus de 5 000 éoliennes dispersées dans 206 parcs. Au Canada, 4% des besoins en électricité étaient comblés par l’énergie éolienne.
En 2012, la Chine possédait une industrie éolienne produisant 75 GW, suivi des États-Unis avec 60 GW et de l’Allemagne qui en produisait 31 GW.
Encore en 2012, les principaux fabricants d’éoliennes étaient GE Wind des États-Unis avec 15.5%, Vestas du Danemark avec 14% et de Siemens ainsi que Enerco d’Allemagne avec respectivement 9.5% et 8.2% de la production mondiale.
Partie D : Commentaires.
L’éolien a la cote actuellement, même si le rendement est faible et que plusieurs ne veulent pas de ces « gros vire-vent » dans leur voisinage. L’utilisation du vent est aujourd’hui centrée sur la production d’électricité, alors qu’au début son utilisation était plus mécanique.
CHAPITRE 2.3 : La géothermie.
Partie A : Nature de cette énergie?
Il y a plus de 4 milliards d’années, des poussières cosmiques se sont assemblées pour donner naissance à la terre; plusieurs couches composent la structure interne du globe, avec au centre un noyau puis des roches, tous chargés en radioactivité. Cette énergie serait fondamentalement chimique mais s’exprimerait en thermique.
Ce qui cause la chaleur dégagée par notre globe, c’est la désintégration de la radioactivité* de ces roches, environ 90%, et la perte de chaleur du noyau interne. Le réchauffement de la surface de la terre, par les rayons du soleil, joue aussi un petit rôle.
Partie B : Caractéristiques.
La température dans le sous-sol est proportionnelle à la profondeur; la température augmente d’environ 3°C à chaque 100 mètres de profondeur, c’est ce que l’on appelle le gradient géothermal. Les roches peuvent ainsi atteindre 140°C à 4 000 mètres de profondeur.
L’extraction de chaleur n’est possible que lorsque les formations géologiques du sous-sol contiennent des nappes d’eau. Cette eau, généralement associée à des gaz et à des sels minéraux, peut alors être captée au moyen de forage.
Plus de 99% de la masse de la terre est à une température de plus de 1 000°C; seul, le 0.1% de la masse de la terre, c’est-à-dire les 3 kilomètres superficiels, sont plus froids que 100°C. À la surface de la terre, la chaleur rayonne avec un flux moyen de 0.065 W/m².
Partie C : Les applications.
Selon les sites et les températures, la chaleur permet de générer de l’électricité ou de chauffer les bâtiments. En bas de 100°C, l’eau chaude remontée à la surface est utilisée pour le chauffage des serres, des habitations et autres locaux. En bas de 35°C, l’eau est utilisée dans les stations balnéaires. Lorsque la température dépasse les 100°C, l’eau, en remontant dans le forage, se trouve progressivement dépressurisée et se vaporise. La vapeur sous pression ainsi formée permet de convertir son énergie en électricité, au moyen d’une turbine et d’un générateur.
Les principales centrales géothermiques se concentrent dans un nombre limité de pays, autour des zones volcaniques du globe. Les principaux producteurs d’électricité géothermique sont localisés en Asie et en Amérique du Nord. Les États-Unis produisent 28% de cette énergie, les Philippines 14% et l’Indonésie 11%.
Cette énergie joue un rôle essentiel dans certains pays, comme l’Islande où elle représente presque 30% de l’électricité produite dans ce pays, 26% pour le Salvador et près de 20% au Kénia. Au total environ 20 pays produisent de l’électricité géothermique pour une puissance de 10 GW.
Partie D : Commentaires.
Nous savons que la chaleur correspond à des mouvements désordonnés des molécules; elle est une forme « dégradée » d’énergie. Il est facile de produire une quantité équivalente de chaleur à partir des autres formes d’énergie; cependant, l’inverse n’est pas vrai. Si l’on dispose d’une certaine quantité de chaleur, on ne peut pas la convertir intégralement en énergie mécanique, chimique ou électrique, sans qu’il y ait des pertes; il y a toujours de la chaleur qui se perd et en bout de ligne, la nouvelle énergie ne contient pas l’équivalent de la chaleur utilisée au départ.
Néanmoins, cette source d’énergie est plus constante que l’énergie solaire ou l’éolien et dans certains pays, elle semble rentable.
CHAPITRE 2.4 : Biomasse et biocarburant.
Partie A : Nature de cette énergie?
La biomasse origine des matières biologiques (bois, paille, résidus des récoltes et de l’industrie agroalimentaire ainsi que de certains oléagineux* cultivés). L’énergie peut être produite par la combustion de ces matières ou provenir de leur fermentation qui les convertit en gaz. Elle peut être considérée comme une énergie de type chimique.
Pour obtenir une combustion, il faut trois ingrédients. Un combustible* (gaz, liquide ou solide), un comburant*, généralement du dioxygène de l’air et il faut aussi une énergie d’activation, habituellement de la chaleur, étincelle ou flamme.
Comme pour les ressources fossiles, l’énergie contenue dans la biomasse provient d’une forme de stockage de l’énergie solaire par l’intermédiaire du carbone, provenant originellement du CO2 capté par les plantes. Il existe trois formes de biomasse, les solides, les liquides et les gazeux, présentant des caractéristiques physiques très variées.
La découverte du feu coïncide avec les premières utilisations de la biomasse. La biomasse est considérée comme une source d’énergie renouvelable, seulement si sa régénération est au moins égale à sa consommation; par exemple, l’utilisation du bois ne doit pas conduire à une diminution du nombre d’arbres.
Partie B : Caractéristiques.
La combustion de la biomasse restitue presque la même quantité de dioxyde de carbone que celle qui a été absorbée durant la croissance de la plante ou de l’arbre. On obtient alors un impact environnemental presque nul, contrairement aux énergies fossiles (pétrole, charbon et gaz) qui relâchent du carbone ayant été emmagasiné depuis plusieurs millions d’années.
Le pouvoir calorifique inférieur de la biomasse n’est pas très élevé. La paille donne près de 14 GJ/T, le bois 13 GJ/T et les déchets seulement 8 GJ/T; pour comparaison, le pétrole fournit une énergie de 42 GJ/T et la houille, qui est du charbon, donne 26 GJ/T.
La biomasse est la plus importante des énergies renouvelables avec presque 75% de ces énergies au niveau mondial et parmi les sources de la biomasse, c’est le bois qui est le plus important.
Partie C : Les applications.
La biomasse peut produire de la chaleur, de l’électricité ou une force motrice.
Il existe différents procédés de valorisation de la biomasse; la combustion, qui produit de la chaleur par l’oxydation complète du combustible; la gazéification qui transforme la matière solide en un gaz combustible, composé d’hydrogène et d’oxyde de carbone; il y a aussi la pyrolyse qui utilise la chaleur pour décomposer la matière carbonée et conduit à la production de charbon de bois.
Le procédé de méthanisation, qui est basé sur la dégradation de la matière organique par des micro-organismes, produit des biogaz.
La production de biocarburant s’effectue à partir de réactions chimiques, entre l’huile et l’alcool, pour la création du biodiésel et à partir d’un mélange de sucre et d’essence dans la production de bioéthanol. Les principaux pays producteurs d’éthanol sont les États-Unis et le Brésil, alors que pour le biodiésel, ce sont l’Allemagne et la France.
Partie D : Commentaires.
La concurrence entre alimentation et énergie peut conduire à des problèmes d’alimentation dans les pays pauvres où certaines cultures sont utilisées pour produire de l’énergie, à la demande de pays fortement industrialisés.
L’utilisation de la biomasse pour produire de l’énergie doit aussi être bien encadrée afin de ne pas épuiser les sources d’approvisionnement.
CHAPITRE 2.5 : Les énergies marines.
Partie A : Nature de ces énergies?
L’énergie marémotrice vient des marées qui sont des variations du niveau de la mer, dues à la gravitation de la terre, de la lune et du soleil. Les usines exploitent l’énergie potentielle de la marée, c’est-à-dire l’énergie liée à la différence de niveau entre deux masses d’eau. Cette énergie est de type mécanique.
L’énergie houlomotrice récupère l’énergie des vagues. C’est le vent qui est à l’origine de la formation des vagues. Le vent, en frappant la surface de l’océan, propage une onde mécanique, plus ou moins marquée en fonction de sa force; la vague est ainsi créée.
L’énergie hydrolienne récupère l’énergie des courants marins. Les courants marins sont principalement créés par l’énergie solaire. En fonction de la région dans laquelle on se trouve, on reçoit plus ou moins d’énergie solaire; ainsi les zones tropicales en reçoivent beaucoup plus que les zones polaires. Pour rééquilibrer l’ensemble, les océans et l’atmosphère vont se mettre en mouvement, créant ainsi les courants qui sont aussi influencés par la rotation de la terre sur elle-même. Les niveaux de dénivellation jouent aussi un rôle important (rivière, fleuve, océan) et l’eau rejoint toujours le niveau le plus bas, étant donné la gravité. Comme les deux formes d’énergie précédentes, l’énergie est mécanique mais provient aussi du soleil.
L’énergie thermique des mers utilisent la différence de température entre les eaux de surface et les eaux profondes. Dans les régions tropicales, la température de l’eau en surface peut atteindre plus de 25°C alors qu’en profondeur, elle est seulement de 5°C. Cette différence de température s’explique par la différence de densité de l’eau. Une eau froide et très salée est plus dense, donc plus lourde, qu’une eau chaude et moins salée. Les eaux mondiales circulent sans cesse dans le but de réguler la température moyenne de la planète. Ainsi les eaux froides des pôles circulent vers les zones tropicales, alors que les eaux chaudes remontent vers les pôles, où la chaleur est ensuite évacuée dans l’atmosphère. Donc, c’est une énergie thermique qui provient aussi du soleil.
Le dessalement de l’eau de mer est peu rentable à l’heure actuelle; il y a deux techniques pour obtenir de l’eau qui peut être consommée; la première est la distillation; alors que l’eau de mer est chauffée, l’eau s’évapore puis la vapeur se condense sous forme d’eau pure que l’on peut utiliser. La deuxième technique est la filtration sous pression, dite à osmose inverse.
Partie B : Caractéristiques.
Les océans couvrent 70% de la surface du globe. Le potentiel énergétique exploitable des énergies marines serait de l’ordre de 120 000 TWh/an; c’est énorme sachant que 1 TWh équivaut à 1 000 GWh.
Les plus hautes marées sont observées dans la baie de Fundy au Canada alors qu’elles peuvent atteindre entre 15 et 20 mètres.
Partie C : Les applications.
L’électricité produite par l’usine de Rance en France permet de fournir jusqu’à 500 GWh/an et le coût de revient de l’énergie produite par ce barrage est de 0.22$/kWh; le coût de l’énergie, produite par le barrage à Annapolis en Nouvelle Écosse au Canada, oscille entre 0.14$ et 0.27$/KWh.
En Colombie-Britannique au Canada, l’énergie potentielle théorique tirée des marées serait de 4 GW alors que celle obtenue des vagues grimpe jusqu’à 37 GW; au total, cela représente 53% de la demande provinciale annuelle. Le coût de l’énergie des marées est plus bas que celui de la production d’énergie électrique à partir de la houle, soit environ 0.50$ pour la première alors qu’il est près de 0.70$ pour la seconde.
Partie D : Commentaires.
Malgré que les océans couvrent la majeure partie du globe et que plusieurs techniques peuvent être déployées pour l’utilisation de l’énergie des mers, les énergies marines sont encore chères et peu utilisées.
SECTION 3
AUTRES ÉNERGIES IMPORTANTES
CHAPITRE 3.1 : L’énergie nucléaire.
Partie A : Nature de cette énergie?
L’histoire de l’énergie nucléaire débute en 1895 lorsque Wilhem Röntgen, un physicien allemand, découvre les rayons X. L’année suivante, Henri Becquerel constate que l’uranium produit un rayonnement et en 1898, Pierre et Marie Curie constatent aussi que le polonium et le radium émettent spontanément des rayonnements; ce sont eux qui donnent alors à ce phénomène le nom de radioactivité. En 1938, Haln et Strassmann, deux autres physiciens allemands, montrent que le noyau de l’atome d’uranium peut être cassé sous l’impact d’un neutron; ils ont alors découvert la fission nucléaire.
Le rayonnement alpha est constitué de noyaux d’hélium, 2 protons et 2 neutrons, émis par des corps radioactifs, alors que le rayonnement bêta est un flux d’électrons émis par ceux-ci. Les rayons gamma sont aussi des radiations émises, les photons, semblables au rayon X mais plus pénétrantes et de longueurs d’ondes plus petites. Le rayonnement alpha est arrêté par les couches superficielles de la peau; le rayonnement bêta peut traverser plusieurs centimètres de tissus vivants et les photons, rayonnement gamma, sont capables de traverser des blindages de plomb de plusieurs mètres d’épaisseur.
Fission nucléaire : quelques noyaux lourds (uranium, polonium, radium) sont fissiles. Quand ces noyaux absorbent un neutron, leur noyau a tendance à se séparer en deux morceaux inégaux, en éjectant deux ou trois neutrons. La somme des masses de fragments de fission et des neutrons éjectés est un peu inférieure à celle des masses du noyau initial et du neutron reçu; la masse manquante s’est transformée en énergie, comme l’a si bien démontrée Einstein par sa formule célèbre de E=mc². La fission d’un seul gramme d’uranium produit plus d’énergie que la combustion d’une tonne de pétrole. Les réactions nucléaires sont des fissions qui se produisent en chaine alors qu’un des neutrons éjectés casse un autre noyau qui laisse échapper à son tour d’autres neutrons et ainsi de suite; en bout de ligne, l’énergie obtenue est phénoménale. Cette énergie est du type chimique.
La fusion nucléaire, contrairement à la fission, est un procédé qui consiste à unir plusieurs atomes légers en un atome plus lourd. La masse, du nouvel atome obtenu par la fusion, est inférieure à la somme des masses des deux atomes légers utilisés; dans le processus de fusion, une partie de la masse est transformée en énergie, sous la forme la plus simple, soit la chaleur. Cette perte de masse correspond aussi à la formule d’Einstein. L’exemple le plus simple de fusion s’effectue avec les isotopes* d’hydrogène. Le noyau de l’hydrogène ne contient qu’un proton, le deutérium, qui est un isotope de l’hydrogène, renferme un proton mais aussi un neutron dans son noyau. Le tritium, lui, contient un proton et deux neutrons. Dans la fusion deutérium-tritium, la masse perdue est celle du neutron éjecté pour former un atome d’hélium, qui lui contient deux protons et deux neutrons. Le neutron, qui a été éjecté lors de la fusion deutérium-tritium, se transforme en chaleur en se désintégrant en un peu moins de quinze minutes. À masse égale, la fusion produirait beaucoup plus d’énergie que la fission. La fusion nucléaire est aussi du type chimique.
Partie B : Caractéristiques.
Le noyau d’hélium, deux protons et deux neutrons, présente une masse atomique d’environ 4., alors que la masse de l’hydrogène, l’élément le plus léger de l’univers, est 1.
L’énergie nucléaire, par fission, produit beaucoup d’énergie; un seul Kg d’uranium naturel fournit une quantité de chaleur de 100 000 KWh.
Dans la croute terrestre, le minerai d’uranium naturel est constitué à 99.3% d’uranium 238 et de 0.7% d’uranium 235 fossile. Le combustible nucléaire est constitué d’uranium enrichi en isotope 235.
Partie C : Les applications.
En février 2014, 69 réacteurs étaient en cour de construction dans le monde, dont 25 en Chine. En 2015, 439 réacteurs produisent de l’électricité dans 30 pays, alors que 99 réacteurs sont au États-Unis et que la France en compte 58. Près de 75% de la production de l’électricité en France provient du nucléaire.
La médecine nucléaire est aujourd’hui omniprésente pour les examens servant à dépister les maladies; il y a aussi des injections de substances radioactives qui ont pour but d’aller se fixer sur certains organes ou de détruire certaines bactéries.
Le nucléaire est aussi utilisé dans l’alimentation pour permettre une meilleure conservation; cela se fait en irradiant les aliments.
En plus d’être utilisé pour faire des bombes, certaines armes utilisent des balles en uranium appauvri; ces armes sont très destructrices.
Le nucléaire est aussi utilisé pour la propulsion navale, que ce soit pour des porte-avions ou des sous-marins.
La principale source de radioactivité naturelle est un gaz rare, le radon issu de la chaine de désintégration de l’uranium. La dose moyenne reçue par les humains est d’environ 4 mSv/an, dont 1.5 mSv dus aux examens médicaux. Le millisievert est une unité de mesure de l’effet biologique des radiations sur les humains, alors que le becquerel (Bq) est une unité qui mesure le nombre de désintégrations par seconde dans un composé radioactif.
Les avantages du nucléaire se rapportent au prix de la production de l’électricité qui est plus faible que par les filières classiques; en outre, les réserves en combustibles nucléaires sont plus importantes, en rapport avec l’énergie produite, que celles des combustibles classiques. Les centrales nucléaires sont plus écologiques et elles produisent plus d’énergie que les centrales alimentées de d’autres manières. Les quantités de radioactivité introduites dans l’environnement sont infimes par rapport à la radioactivité naturelle.
Les principaux inconvénients du nucléaire sont reliés aux déchets radioactifs et aux risques d’accidents.
La technologie de la fusion nucléaire n’est pas encore au point. La fusion nucléaire est le processus qui permet à des étoiles de créer des atomes; au départ, les étoiles ne contiennent que de l’hydrogène et ses isotopes; les noyaux d’hydrogène, en fusionnant entre eux, produisent alors de l’hélium; une fois l’hydrogène transformé en hélium, les noyaux d’hélium s’unissent alors entre eux et conduisent à la création des noyaux de carbone et ainsi de suite. Ces fusions produisent énormément d’énergie et font briller l’étoile.
Partie D : Commentaires.
Le plus grand handicap de l’énergie nucléaire est la crainte que le nucléaire suscite; en outre, la disposition de ses déchets fait problème. Malgré cela, cette énergie présente plusieurs avantages, dont un rendement exceptionnel lorsqu’il est comparé à ceux des autres énergies.
CHAPITRE 3.2 : L’électricité.
Partie A : Nature de cette énergie?
600 ans avant J.C., Thales de Millet observe que l’ambre, lorsqu’il est frotté, attire les poussières en suspension dans l’air. Pendant 2 000 ans, l’étrange pouvoir d’attraction de l’ambre n’intéresse plus grand monde; cependant vers 1 600 après J.C., William Gilbert découvre que d’autres matériaux, tels que le diamant et l’alun, attirent eux aussi, lorsqu’ils sont frottés, des plumes, de la paille ou de la poussière. Gilbert nomme cette force d’attraction « électricité », d’après le mot grec « êlektron » qui veut dire ambre jaune.
Pour bien comprendre le phénomène de l’électricité, il faut remonter à l’atome. L’atome est constitué d’un noyau qui est entouré d’électrons, particules chargées négativement. Dans certains métaux, tels le cuivre ou l’aluminium, les atomes peuvent facilement s’échanger leurs électrons; on dit de ces métaux qu’ils sont de bons conducteurs. D’autres, au contraire, sont considérés comme des isolants car ils ne partagent que très difficilement leurs électrons.
Il est difficile de catégoriser l’énergie électrique. Cette énergie est reliée au déplacement des charges électriques de la matière, donc un peu chimique; on parle d’ondes électromagnétiques, donc énergie possiblement rayonnante, et la résistance à l’électricité libère de la chaleur, nous faisant découvrir son côté thermique. L’électricité statique provient des particules chargées qui sont au repos.
La pile électrique est un dispositif électrochimique qui convertit l’énergie chimique en énergie électrique, grâce à une réaction d’oxydo-réduction. Sommairement, dans la pile, il y a une réaction chimique entre deux substances dont l’une peut céder facilement des électrons (matériau réducteur) et l’autre peut facilement absorber les électrons libérés (matériau oxydant).
Le courant continu est le courant provenant du déplacement des électrons d’un pôle négatif à un pôle positif; avec un modulateur*, un aimant contenant un pôle négatif et un pôle positif, il est possible de convertir le courant continu en courant alternatif, c’est-à-dire un courant qui change de direction plusieurs fois par seconde. Aujourd’hui, 99% de l’énergie électrique produite est sous forme de courant alternatif.
L’électricité peut être produite de différentes manières; au Québec, c’est surtout par les immenses barrages que nous la produisons. L’eau recueillie dans les barrages est acheminée par des conduites vers des turbines qui produisent alors l’électricité.
L’électricité et le magnétisme sont unifiés au sein de l’électromagnétisme*. Le magnétisme résulte simplement de la présence de courants électriques, c’est-à-dire de déplacements de charges électriques, à proximité du minerai, habituellement du fer, mais un aimant animé d’un mouvement par rapport à un fil conducteur peut créer à son tour de l’électricité.
Partie B : Caractéristiques.
Au Canada, près de 58% de l’électricité est générée par ses barrages; seuls la Chine et le Brésil produisent davantage d’électricité d’origine hydraulique.
Au Québec en 2007, le prix d’exportation du KWh était de 0.09$ alors qu’il n’était plus que de 0.04$ en 2012, vu que la demande provenant des États-Unis avait fortement diminuée.
L’intensité du courant électrique se mesure en ampères (A); la tension en volts (V); la puissance en watt (W) et la résistance en ohm (ohm).
La tension, c’est comme la pression de l’eau dans un tuyau, c’est la mesure de l’énergie électrique disponible.
Un fil de cuivre, tout comme le corps humain, offre peu de résistance au passage du courant électrique alors que le caoutchouc en offre beaucoup.
Le courant électrique varie en fonction de la tension et de la résistance. Petite tension et grande résistance équivalent à un faible courant, car il passe peu d’électrons; au contraire, il y a beaucoup de courant, lorsque la tension est forte et que la résistance est minime.
Partie C : Les applications.
L’électricité est omniprésente dans nos maisons, que ce soit pour l’éclairage, le chauffage, la cuisson, le lavage ou le séchage des vêtements ainsi que de nombreux autres appareils électriques qui nous rendent la vie plus facile et plus agréable.
L’industrie et le commerce sont aussi de grands consommateurs d’énergie. L’industrie d’aluminium s’est bien implantée au Québec, vu les grandes ressources hydroélectriques de la province. Depuis quelques années, l’électricité a fait son entrée dans les transports et sa progression est constante.
Partie D : Commentaires.
Malgré un stockage plus difficile que pour les énergies fossiles, l’utilisation de l’électricité ne semble plus avoir de limites. La miniaturisation de plusieurs objets et tout le domaine de l’électronique ont favorisé grandement l’utilisation de cette énergie que l’on peut considérer comme la reine des énergies; c’est la pièce la plus forte sur l’échiquier de l’énergie, le roi étant évidemment le soleil.
CHAPITRE 3.3 : L’hydrogène.
Partie A : Nature de cette énergie?
L’hydrogène est l’élément le plus abondant de l’univers; il est inflammable et brûle à l’air avec une flamme pâle. C’est le physicien Cavendish qui en fait la découverte. En faisant réagir des métaux avec des acides, il remarqua la formation d’un gaz qu’il nomma « air inflammable », car il pouvait brûler. Il constata aussi par la suite que sa combustion formait de la vapeur d’eau.
La molécule d’hydrogène est en fait du dihydrogène, car ce sont deux atomes d’hydrogène qui sont reliés entre eux. Un atome d’hydrogène contient seulement un proton dans son noyau et il ne possède qu’un électron.
L’atmosphère terrestre est presque totalement dépourvue de ce gaz, car le champ gravitationnel terrestre n’est pas assez puissant pour retenir ces molécules qui sont très légères. On retrouve cependant de l’hydrogène combiné à d’autres éléments.
Près de 90% de la production d’hydrogène provient des composés organiques qui sont constitués d’hydrogène et de carbone, comme le gaz naturel, le charbon ou la biomasse. Une partie de l’hydrogène peut aussi être obtenue par la décomposition de l’eau (H2O).
Partie B : Caractéristiques.
L’hydrogène est un gaz extrêmement léger dont la densité est de 0.0000899 et la masse atomique est de 1.00794; il se solidifie à -259.14°C et se liquéfie à -252.87°C.
L’hydrogène possède un pouvoir calorifique massique élevé, soit 3 fois plus que le pétrole et 4.5 fois plus que le charbon. C’est aussi un bon conducteur de chaleur et d’électricité. Cependant, le pouvoir calorifique volumique est faible car à l’état gazeux, il n’est que de 1/230 par rapport à l’essence et à l’état liquide, il est encore 1/3.5. Donc en fonction de sa masse, l’hydrogène offre un bon rendement calorifique mais non en fonction du volume.
Partie C : Les applications.
L’hydrogène est utilisé par l’industrie chimique pour la synthèse des matières plastiques, du polyester et du nylon.
Vu que c’est un carburant léger qui produit trois fois plus d’énergie que l’essence, il est grandement utilisé dans le domaine spatial. L’hydrogène réagit avec l’oxygène liquide et fournit une grande quantité d’énergie.
L’industrie du verre se sert de l’hydrogène qui offre, avec de l’azote, une atmosphère protectrice au bain d’étain sur lequel le verre en fusion est étiré.
En électronique, l’hydrogène est employé comme gaz de balayage lors des étapes de dépôts de silicium ou lors de la production de circuits imprimés.
Ce gaz est aussi utilisé pour enlever le soufre dans les combustibles fossiles; l’hydrogène réagit avec les atomes de soufre pour former du sulfure d’hydrogène, H2S.
Depuis quelques années, il est utilisé dans les piles à combustibles où il se combine avec de l’oxygène de l’air pour produire de l’électricité, en ne rejetant que de l’eau; ces piles servent à propulser des véhicules.
Vu que la combustion de l’hydrogène ne libère pas de dioxyde de carbone, il n’a aucun impact négatif sur l’effet de serre.
Partie D : Commentaires.
L’hydrogène est utilisé avantageusement dans des situations particulières mais son emploi est encore très limité, comparé à l’utilisation des énergies fossiles et de l’électricité; iI serait surprenant que cette énergie réussisse à détrôner les deux précédentes, même si sa combustion en fait l’énergie la plus propre écologiquement.
SECTION 4
ÉNERGIE CELLULAIRE
CHAPITRE 4.1 : L’énergie cellulaire.
Partie A : Nature de cette énergie?
Pour les êtres vivants, il existe deux sources d’énergie : la lumière et les aliments. La lumière est utilisée par les végétaux afin de concevoir leur propre nourriture, donc leur propre énergie, via la photosynthèse. Quant aux aliments, ils sont utilisés par les autres vivants, comme les animaux, qui ne peuvent produire leur propre énergie. L’être humain a développé la respiration cellulaire pour extraire, des aliments, l’énergie qui lui est nécessaire.
La photosynthèse est un processus qui consiste à transformer l’énergie solaire en nourriture. Elle s’effectue principalement grâce à la chlorophylle, un pigment contenu dans les chloroplastes des cellules végétales; c’est ce pigment qui capte l’énergie lumineuse.
La respiration cellulaire, elle, est une réaction de combustion, ayant lieu dans les mitochondries des cellules; elle permet de transformer le glucose en énergie, qui sera alors utilisée par les cellules pour accomplir leurs diverses activités.
L’équation de la réaction de la respiration cellulaire est :
1 C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + énergie. (glucose) + (oxygène) égale (gaz carbonique) + (eau) + énergie.
L’énergie libérée par cette réaction est égale à 2 860 KJ; cependant, une grande partie de l’énergie, 60%, est perdue sous forme de chaleur.
Toutes les cellules du corps humain sont capables d’utiliser le glucose pour produire de l’énergie. Cette énergie se présente sous la forme de la molécule d’ATP (Adénosine-TriPhosphate). Certaines cellules ont un besoin impératif de glucose comme source d’énergie; c’est le cas des cellules nerveuses. Cette production d’ATP se réalise en deux temps : d’abord par la glycolyse* et ensuite par la respiration au sein des mitochondries.
De même que la dégradation du glucose permet une production d’énergie dans la cellule, sous forme d’ATP, la dégradation des acides gras (des lipides) permet aux cellules d’obtenir l’énergie nécessaire à leur survie. Cette dégradation se réalise aussi dans les mitochondries. Les corps gras fournissent deux fois plus d’énergie que les sucres et constituent l’essentiel de nos réserves d’énergie.
Partie B : Caractéristiques.
La respiration animale implique la transformation du dioxygène (O2) en dioxyde de carbone (CO2), alors que la photosynthèse, réaction opposée à la respiration animale, transforme le dioxyde de carbone (CO2) en dioxygène (O2).
Le métabolisme est l’échange de matière et d’énergie entre un organisme et son milieu ainsi que la transformation que subissent cette matière et cette énergie dans l’organisme.
Partie C : Les applications.
L’homme utilise l’énergie produite pour maintenir sa température à 37°C et accomplir ses activités. La puissance de son énergie est d’environ 100 J au repos et de 500 J en pleines activités. L’énergie est dite électrochimique vu que les liaisons entre les atomes créent de l’électricité qui fait contracter nos muscles, exciter nos neurones, etc.
Comme les aliments ne fournissent pas tous la même énergie, les activités ne consomment pas toutes la même quantité d’énergie; la natation dépense 40 KJ/min, la course 34, la bicyclette 21 et la marche 10 KJ/min.
L’être humain utilise entre 8 800 KJ/jour et 13 400 KJ/jour. Même au repos, notre corps a besoin d’énergie pour faire fonctionner le cœur, les poumons, le cerveau, etc. Cette dépense d’énergie de base est d’environ 7 000 KJ pour l’homme et de 5 800 KJ pour la femme.
Le cerveau qui ne représente que 2% de la masse du corps consomme près de 25% de l’énergie dont nous disposons. L’adrénaline est une hormone qui stimule rapidement, au niveau du foie, la conversion de réserves de glycogène en glucose, ce qui accroit l’énergie disponible pour les muscles.
Partie D : Commentaires.
L’être humain est un organisme très complexe et il a un constant besoin d’énergie, même lorsqu’il est au repos. La mécanique de production d’énergie est subtile mais, comme dans plusieurs processus de transformation, il y a des pertes sous forme de chaleur. Vu l’importance de l’alimentation chez l’humain, il s’est développé toute une industrie où des spécialistes conseillent les gens sur leur consommation, tentant de faire contrepoids aux producteurs industriels et à leur publicité.
SECTION 5
ÉNERGIE SOMBRE ET
QUESTIONS DIVERSES
CHAPITRE 5.1 : L’énergie sombre.
Partie A : Nature de cette énergie?
La nature de l’énergie sombre est totalement inconnue et reste très spéculative. Néanmoins, voici le chemin parcouru par les chercheurs qui étudient ce phénomène.
En 1920, Edwin Hubble découvrit que plus une galaxie est éloignée, plus elle semble s’éloigner rapidement.
L’énergie sombre est une composante hypothétique du cosmos qui agirait, étant donné sa particularité d’avoir une pression négative, comme une force de répulsion, expliquant alors l’accélération de l’expansion de l’univers, contrairement à la gravité qui attire à elle les objets et favoriserait plutôt la contraction de l’univers.
L’hypothèse la plus populaire actuellement dit que l’énergie sombre provient du vide et que sa densité serait constante et uniforme dans tout l’univers. Elle aurait un ordre de grandeur qui s’écrit avec un zéro puis un point suivi de 122 zéro avant le chiffre1; la faible mesure de cette constante est presqu’inimaginable et correspondrait à seulement quelques atomes d’hydrogène par m³. L’autre hypothèse importante pense que le pouvoir de l’énergie sombre dépend de particules encore inconnues.
La vision d’avant 1998 proposait un univers dont l’expansion d’abord rapide, il y a 13,7 milliards d’années, ralentissait sous l’effet gravitationnel de sa matière. La nouvelle vision souligne qu’avec son expansion, l’univers a vu la matière s’y diluer, libérant ainsi une sorte de place pour l’énergie sombre dont la force répulsive croissait en proportion de la place qu’elle prenait. Cette force est devenue plus grande que la force d’attraction gravitationnelle, déclenchant alors l’accélération de l’expansion de l’univers. Le prix Nobel de physique 2011 a récompensé les découvreurs des supernovae révélatrices de l’accélération de l’expansion de l’univers; ce sont Saul Perlmitter, Brian P Schmidt et Adam G. Riess. L’accélération de l’expansion de l’univers est démontré par le décalage vers le rouge de la lumière des supernovae; leur luminosité indique leur distance, leur couleur leur vitesse de fuite.
En 2003, les observations du rayonnement fossile par le satellite WMAP ont donné une mesure passablement précise de la composition de l’univers : 4.6% de matière visible, 23% de matière sombre et 72% d’énergie sombre.
Partie B : Caractéristiques.
La gravité est une force qui est reliée à la masse et à la distance des objets. Une grosse étoile attirera facilement une petite étoile qui est à proximité; la force de la gravité décroit avec la distance. L’énergie gravitationnelle n’est appréciable que si des masses considérables sont en jeu. La force gravitationnelle d’un corps en chute libre sur la terre est de 9.8 m/s².
L’analyse du fond cosmologique, un rayonnement électromagnétique émis alors que l’univers était à peine âgé de 380 000 ans, indique que l’univers suit une géométrie euclidienne aux grandes échelles. Le satellite Planck a observé, de 2009 à 2013, le fond diffus cosmologique dans le domaine des ondes micro-ondes, soit le millimétrique ou 10-3m. L’analyse complète des données, en décembre 2014, indique qu’il y a des empreintes de matière noire et aussi de neutrinos, mais les ondes gravitationnelles, qui auraient donné naissance à la matière noire, sont restées insaisissables. La recherche a été concentrée dans cette période car l’univers n’était pas encore transparent et la lumière non visible. En février 2015, le département de l’énergie des États-Unis a accepté la construction d’un nouveau télescope afin de tenter d’aller encore plus loin que Planck. Ce nouveau télescope, qui s’appelle le LSST (large synoptic survey telescope), devrait être opérationnel en 2022.
La taille de la voie lactée est estimée entre 600 000 et 1 000 000 années lumières (al); le soleil est environ à 28 000 al* du centre de la galaxie.
Selon le chercheur David Ward et ses collaborateurs qui ont analysé les données fournies par le Sloan Digital Sky Survey, un programme de relevé des objets célestes utilisant un télescope optique dédié de 2.5 mètre de diamètre, la quantité de matière noire présente dans l’univers serait en train de décliner, littéralement « consummée » par l’énergie sombre.
La matière sombre, qui est seulement détectée par ses effets, ferait tourner les galaxies plus rapidement que ne le prévoit le calcule de leur masse apparente. Le spectromètre AMS, installé sur la station spatiale internationale, lors d’une expérience en novembre 2013 (LUX), n’a pu cependant détecter de matière sombre.
Pour plusieurs, la matière noire ou sombre est composée de neutrinos, une particule qui interagit extrêmement faiblement avec les autres particules de matière; on estime que sa masse est très faible et que la particule est cependant très abondante, venant après le photon pour la quantité de particules. Le neutrino représenterait environ 18% de la matière total de l’univers.
Pour d’autres personnes, ce sont les WIMP (weakly interactive massive particles) qui seraient les particules de la matière noire; ces particules possèderaient une masse importante.
Partie C : Les applications.
Il n’y a pas encore d’application de l’énergie sombre, même si les astrophysiciens pensent qu’elle est responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers.
Quant à la matière noire, elle joue un rôle dans la cohésion et la vitesse des galaxies, mais nous ne connaissons pas encore sa nature.
Partie D : Commentaires.
La terre fait le tour du soleil à une vitesse de 30 Km/s, le soleil tourne à l’entour de la galaxie à 250 Km/s et cette dernière se déplace dans l’univers à la vitesse d’environ 600 Km/s.
Ma petite étude sur les énergies ne me permet pas de faire des hypothèses concernant l’énergie sombre. Comme la majorité des gens, nous allons devoir attendre et espérer que les scientifiques, avec leurs instruments d’observation et d’analyse, pourront faire bientôt la lumière sur la noirceur qui entoure cette composante importante de l’univers.
CHAPITRE 5.2 : Questions diverses.
Q1 : Est-ce que l’énergie sombre peut se transformer en matière sombre, comme on le voit dans le visible avec E=MC²?
Nous connaissons les effets de la supposée énergie sombre ainsi que ceux de la matière noire, mais nous ne connaissons pas leur nature et nous ne savons pas s’il y a des liens entre les deux.
Q2 : Est-ce que tout tourne dans l’univers?
Nous savons que les étoiles, les planètes et les galaxies tournent sur elles-mêmes, rotation, et à l’entour d’un autre objet, révolution; par contre, contrairement à la représentation populaire, l’électron ne tourne pas sur lui-même ni à l’entour du noyau de l’atome; au lieu de cela, chaque électron existe en tant que nuage de probabilité de présence; l’électron se trouvera plus probablement d’un côté ou de l’autre du noyau sur des orbitales. Le spin de l’électron est une sorte de minuscule aimant qui peut s’orienter dans différentes directions. Dans un matériau aimanté, le déplacement d’un électron dépend fortement de l’orientation du spin de l’électron par/rapport à l’aimantation du matériau. Les électrons de spin parallèle à l’aimantation ont un déplacement facilité, le matériau est dit peu résistant. À l’inverse, la résistance d’un matériau est augmentée par des électrons de spin antiparallèle.
Nous ne savons pas comment les quarks, à l’intérieur du proton, se déplacent; par contre, il est important de savoir que la masse du proton provient à 95% de l’énergie produite par les déplacements des quarks et des gluons et à leurs interactions. Les gluons n’ont pas de masse et les quarks ne comptent que pour 5% de la masse totale du proton. Voir annexe 3.
Nous savons que l’univers est en expansion, mais impossible de savoir s’il tourne comme ses composantes, même si certains l’affirment déjà. En étant sur une orbite elliptique, une planète va plus vite, dans sa course à l’entour du soleil, lorsqu’elle est près du soleil et ralentit lorsqu’elle en est éloignée.
Q3 : Est-ce que la chimie pourrait produire de la matière noire?
Nous n’avons pas de réponse à ce sujet.
Q4 : De quoi dépend le niveau d’énergie d’un électron?
Les niveaux le plus éloignés du noyau sont les plus énergétiques; la différence entre deux niveaux diminue rapidement alors que l’on s’éloigne du noyau.
L’énergie des différents niveaux varie avec chaque atome du fait de sa structure, ce qui a des conséquences sur sa capacité à interagir avec les autres atomes et aussi avec les différentes fréquences électromagnétiques. Comme exemple, voici les niveaux d’énergie fondamentaux de quelques éléments. Il y a augmentation du niveau fondamental d’énergie dans les éléments qui suivent : sodium, lithium, magnésium, oxygène, hydrogène, azote, néon et hélium.
Q5 : De quoi dépend le niveau d’énergie d’un photon?
Un photon est de l’énergie qu’un électron libère lorsqu’il revient à son niveau initial après une excitation. Le photon est une particule, non chargée, de masse nulle, se déplaçant à la vitesse de la lumière et transportant un quantum d’énergie, noté E. La formule est E= hxv où h est la constante universelle de Planck et v la fréquence de la lumière monochromatique en Hz. E est en électronvolts (eV).
L’énergie restituée par l’électron, sous la forme d’un photon, est égale à celle absorbée antérieurement par l’électron. Grande longueur d’onde, petite fréquence et faible énergie vont ensemble, tout comme petite longueur d’onde, haute fréquence et photon de haute énergie.
Q6 : Comment réduire les gaz à effet de serre (GES)?
Par la diminution de la consommation des énergies fossiles pour aller vers les énergies renouvelables moins polluantes, non carbonées; par une diminution de la consommation en améliorant nos procédés de fabrication et d’utilisation. En reboisant nos forêts qui sont d’énormes puits de carbone et en espérant que les océans continuent à absorber aussi fortement les polluants.
La taxe sur le carbone peut aussi être un incitatif à réduire considérablement sa consommation d’énergie fossile.
CONCLUSION
Comme vous avez pu le constater, les données rapportées dans chaque chapitre touchent plus l’économie que l’écologie. C’est le choix que nous avons fait vu que nous voulions surtout connaître chacune des énergies et leur pouvoir calorifique. Si nous avions aussi intégré l’écologie, les applications et les effets des énergies auraient nécessité de faire une analyse plus poussée, avec des données qui sont parfois plus contestées. Il est clair et heureux que nous soyons dans une transition énergétique, même si les énergies fossiles comptent encore pour environ 80% de l’énergie mondiale consommée.
L’énergie solaire est à l’origine de toutes les formes de productions énergétiques aujourd’hui utilisées sur terre, à l’exception de l’énergie marémotrice ainsi que de la géothermie qui est, elle, reliée à la désintégration d’atomes radioactifs. L’homme utilise l’énergie solaire pour la transformer en d’autres formes d’énergie : énergie chimique (les aliments que notre corps utilise), l’énergie cinétique, l’énergie thermique, l’énergie électrique ainsi que la biomasse.
C’est grâce aux rayons du soleil et à la photosynthèse par les plantes, que les énergies fossiles existent, vu que le pétrole, le charbon et les gaz sont les produits de la décomposition des plantes et des animaux.
Les énergies transformées sont plus ou moins puissantes dépendant de la situation. Un ressort, lorsqu’il est comprimé, présente une énergie plus grande que lorsqu’il est détendu; l’énergie d’une casserole remplie d’eau augmente lorsqu’on la chauffe.
L’énergie se transforme non seulement à partir du soleil mais aussi des autres formes d’énergie. L’énergie emmagasinée dans une pile de lampe de poche se change, lorsqu’on ferme le circuit, en énergie électrique; celle-ci se convertit à son tour, dans l’ampoule, en énergie lumineuse et calorifique. L’énergie électrique est la plus importante énergie secondaire dans le monde et elle est, aujourd’hui, un indice de développement humain.
L’énergie se conserve. Lorsque l’énergie change de forme, le bilan est toujours exactement équilibré. Il n’y a jamais création ni destruction d’énergie. Dans une centrale thermoélectrique, on ne produit pas d’énergie, mais on transforme l’énergie chimique ou nucléaire en énergie électrique et calorifique. Le bilan global de la conversion est caractérisé par un rendement. Le rendement d’une centrale nucléaire serait de 33%; c’est-à-dire que pour envoyer sur le réseau 33 unités d’énergie électrique, il a fallu consommer 100 unités d’énergie nucléaire, tout en dégageant 67 unités de chaleur. Cependant, si l’énergie se conserve toujours, ses diverses formes ne sont pas toutes équivalentes. Il y a une équivalence entre l’énergie mécanique et la chaleur alors que 1 calorie égale 4.18 joules.
L’énergie se mesure et il est souvent difficile de s’y retrouver. L’énergie se calcule à partir de la formule d’Einstein, E=mc²; lorsque la masse est exprimée en Kg et la vitesse en m/s, on obtient alors l’unité légale du système international, soit le joule (J). L’unité de base de la puissance d’une énergie est le watt qui est un joule par seconde; vu que cette mesure n’est pas efficace pour les calculs des grandes quantités d’énergie, les gens préfèrent alors le multiple kWh qui correspond alors à 1 000 W ou 1 000 J multiplié par 3 600 sec (h); alors 1 kWh égale 1 000 joules multiplié par 3 600, ce qui donne 3 600 000 joules.
Nous espérons que la lecture de cette étude n’a pas été trop ardue et qu’elle vous a intéressés.
Annexe 1
Mesures d’énergie
1 MJ : équivaut à 1 000 000 J ou 1x 106 J
1 GJ : 1 000 000 000 J ou 1x 109 J
1 TJ : 1 000 GJ ou 1x 1012 J
1eV 1.602x10-19 J
1 W : 1.000 J/s
1 cal : 4.18 J
1 Cal: 4.18 kJ
1 BTU 1 055 J
1 kW/h: 3.6x106 J
1 Thermie: 0.00415 GJ
1 TEC: 29.3076 GJ/T
1 TEP: 41.868 GJ/T
Annexe 2
Pouvoir calorifique des énergies
Énergies TEP GJ/T
Uranium : 10 000 TEP 418 680.000 GJ/T
Essence : 1.048 TEP 43.877 GJ/T
Pétrole : 1.000 TEP 41.868 GJ/T
Gaz : 0.860 TEP 36.006 GJ/T
Anthracite : 0.799 TEP 33.494 GJ/T
Houille : 0.616 TEP 25.790 GJ/T
Lignite : 0.405 TEP 16.956 GJ/T
Paille : 0.342 TEP 14.360 GJ/T
Bois : 0.321 TEP 13.460 GJ/T
Tourbe : 0.227 TEP 9.524 GJ/T
Déchets : 0.185 TEP 7.770 GJ/T
Annexe 3
Autres mesures
Année lumière : al= 9 460 895 288 762.850 Km.
Constante gravitationnelle : G= 6.67484x10-11 m³.Kg-1.s-2.
Constante de Planck : h= 6.62606957x10-34 J.s.
Énergie cinétique : Ec= ½mv² ou (½ x (masse x vitesse au carré)).
Énergie nucléaire : E= mc² ou (masse x vitesse au carré de la lumière).
Énergie potentielle d’un électron : 1eV= 1.6x10-19.
Énergie du photon : E= hf ou (constante de Planck x fréquence de l’onde du photon).
Énergie potentielle : Epot= mgh ou (masse x force de gravitation x hauteur).
Force de gravitation sur terre : g= 9.8 m/s².
Masse de l’électron : me= 9.1093826x10-31 Kg.
Masse du proton : mn= 1.67492728x10-27 Kg.
Vitesse de la lumière : c= 299 792.458 Km/s.
Unité astronomique : au=149 597 870.700 Km.
Glossaire
Année lumière : Voir annexe 3.
Aphélie : Point le plus éloigné de l’orbite d’un corps gravitant autour du soleil.
Atome : Un assemblage de particules fondamentales. L’atome est constitué d’un noyau massif, composé de protons et de neutrons, environné par des électrons, en nombre égal aux protons.
Comburant : Se dit d’un corps qui, par combinaison avec un autre, amène la combustion de ce dernier. L’oxygène est un comburant.
Combustible : Matière dont la combustion produit une quantité de chaleur utilisable.
Électromagnétisme : Partie de la physique qui étudie les relations entre l’électricité et le magnétisme.
Glycolyse : Voie métabolique d’assimilation du glucose et de production d’énergie.
Hydrolyse : Décomposition de certains composés chimiques par l’eau.
Hydrocarbure : Molécule composée uniquement de carbone et d’hydrogène.
Isotope : Chacun des différents types d’atomes d’un même élément, différant par leur nombre de neutrons mais ayant le même nombre de protons et d’électrons, et possédant donc les mêmes propriétés chimiques.
Modulateur : Appareil permettant la variation dans le temps d’une caractéristique d’un phénomène (amplitude, fréquence, etc.) en fonction des valeurs d’une caractéristique d’un autre phénomène.
Oléagineux : Plantes cultivées pour ses graines ou ses fruits, riches en lipides.
Ondes électromagnétiques : Contrairement aux ondes mécaniques (ondes sonores, vagues dans un liquide, etc.), qui se propagent par vibration de la matière, les ondes électromagnétiques (ondes radio, lumière, etc.), se propagent en dehors de tout support matériel, dans le vide.
Périhélie : Point le plus rapproché de l’orbite d’un corps gravitant autour du soleil.
Photon : Particule spécifique de la lumière (du groupe des bosons) porteuse des interactions électromagnétiques. Le photon constitue la lumière visible, les ondes radio, les rayons x et les rayons gamma qui remplissent notre environnement.
Pouvoir calorifique : Le pouvoir calorifique inférieur (PCI), c’est l’énergie thermique libérée par la combustion d’un kilogramme de combustible; si on ajoute l’énergie de la vapeur d’eau, qui est généralement produite par la combustion, nous obtenons alors le pouvoir calorifique supérieur (PCS).
Pyrolyse : C’est la décomposition d’un composé organique par la chaleur, effectuée en l’absence d’oxygène ou avec très peu.
Radioactivité : Propriété de certains noyaux atomiques de perdre spontanément de leur masse en émettant des particules ou des rayonnements électromagnétiques.
Roches sédimentaires : Roches formées par le dépôt plus ou moins continu de matériaux marins (coquilles) ou de matériaux prélevés sur les continents suite à l’érosion.
Semi-conducteur : Se dit d’un corps non métallique qui conduit imparfaitement l’électricité, et dont la résistivité décroit lorsque la température augmente.
Supernovae : Étoile massive qui se manifeste, lors de son explosion, en devenant momentanément extrêmement lumineuse.
Bibliographie
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Sites internet utilisés
http://bv.alloprof.qc.ca
http://gte.univ-littoral.fr
www.astronoo.com
www.collegelaval.ca
www.connaissancedesenergies.com
www.futura-sciences.com
www.planete-energies.com
Table de matières
Avant-propos…………………………………………………………. 2
SECTION 1 : LES ÉNERGIES FOSSILES………………………… 3
—CHAPITRE 1.1 : Le pétrole…………………………………………3
—CHAPITRE 1.2 : Le charbon……………………………………… 5
—CHAPITRE 1.3 : Les gaz……………………………………………6
SECTION 2 : LES ÉNERGIES RENOUVELABLES……………… 8
—CHAPITRE 2.1 : L’énergie solaire………………………………… 8
—CHAPITRE 2.2 : L’énergie éolienne……………………………… 10
—CHAPITRE 2.3 : La géothermie……………………………………11
—CHAPITRE 2.4 : Biomasse et biocarburant……………………… 13
—CHAPITRE 2.5 : Les énergies marines…………………………… 14
SECTION 3 : AUTRES ÉNERGIES IMPORTANTES………………16
—CHAPITRE 3.1 : L’énergie nucléaire…………………………… 16
—CHAPITRE 3.2 : L’électricité………………………………………18
—CHAPITRE 3.3 : L’hydrogène…………………………………… 20
SECTION 4 : ÉNERGIE CELLULAIRE…………………………… 21
—CHAPITRE 4.1 : L’énergie cellulaire…………………………… 22
SECTION 5 : ÉNERGIE SOMBRE ET QUESTIONS DIVERSES 24
—CHAPITRE 5.1 : L’énergie sombre……………………………… 24
—CHAPITRE 5.2 : Questions diverses………………………………26
CONCLUSION……………………………………………………… 27
ANNEXES………………………………………………………………29
—ANNEXE 1 : Mesures d’énergie……………………………………29
—ANNEXE 2 : Pouvoir calorifique des énergies…………………… 29
—ANNEXE 3 : Autres mesures……………………………………… 30
GLOSSAIRE……………………………………………………………30
BIBLIOGRAPHIE…………………………………………………… 32
SITES INTERNET…………………………………………………… 32
TABLE DES MATIÈRES………………………………………………33
Terminé mars 2015.
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