Les ressources énergétiques de la planète, appelées énergies primaires, peuvent se classer en deux catégories selon leur temps de formation : les énergies renouvelables et les énergies non renouvelables. Les combustibles fossiles (pétrole, gaz naturel et charbon) ainsi que les matières fissiles (uranium) constituent les principales ressources énergétiques non renouvelables (sous forme d'énergie chimique) tandis que l'énergie solaire (énergie de rayonnement) et l'énergie de biomasse (énergie chimique) sont les principales ressources énergétiques renouvelables. Pour être utilisées, les énergies primaires doivent souvent être converties plusieurs fois : c'est une chaîne énergétique aboutissant à des énergies finales. Les réactions chimiques de combustion convertissent de l'énergie chimique en énergie thermique. Les réactions nucléaires de fission et de fusion transforment de l'énergie nucléaire en énergie thermique. L'énergie du rayonnement solaire peut être convertie en plusieurs sortes d'énergie, par exemple, en énergie électrique par des panneaux solaires photovoltaïques et en énergie thermique par des panneaux solaires thermiques.
Les énergies primaires
Les différentes énergies primaires
Energie primaire
On appelle énergie primaire une forme d'énergie disponible dans la nature.
Le pétrole disponible dans la nature est une ressource en énergie primaire sous forme chimique.
Les principales ressources énergétiques au niveau de la Terre sont :
- Les ressources fossiles en hydrocarbures (pétrole, gaz naturel) et charbon
- Les ressources fissiles en uranium
- Les ressources en biomasse (bois, cultures pour biocarburants)
- Le rayonnement solaire
- Les ressources liées à la géographie et à la météorologie de la planète : l'éolien, l'hydroélectrique, la géothermie, etc.
Les énergies primaires sont sous forme :
- D'énergie chimique pour les ressources fossiles et la biomasse
- D'énergie nucléaire pour les ressources fissiles en uranium
- D'énergie de rayonnement pour le rayonnement solaire
La problématique de la durée de formation
Le critère pour qualifier une ressource énergétique de renouvelable
Energie renouvelable
On dit qu'une ressource d'énergie est renouvelable si sa durée de formation est faible à l'échelle de la durée d'une vie humaine.
Le pétrole est formé par la lente décomposition de résidus végétaux. La transformation nécessite plusieurs dizaines de millions d'années. C'est une durée extrêmement longue à l'échelle humaine. Ainsi le pétrole n'est pas une énergie renouvelable.
Le bois récupéré lors de l'abattage ou de l'élagage d'un arbre s'est formé sur une durée de l'ordre de la dizaine d'années au maximum. C'est une durée faible à l'échelle de la vie humaine. Le bois est donc une ressource d'énergie renouvelable.
Il est à peu près équivalent de considérer qu'une énergie est renouvelable si la vitesse de consommation est telle que la durée nécessaire pour épuiser le stock actuel est supérieure à la durée nécessaire à la fabrication par la nature de ce stock.
Les énergies renouvelables et non renouvelables.
Les ressources non renouvelables sont :
- Les énergies fossiles : pétrole, gaz naturel, charbon. Il a fallu des dizaines de millions d'années pour former des stocks qui seront épuisés dans une centaine d'années au maximum.
- Les ressources fissiles : uranium. L'uranium contenu dans la Terre a été formé en même temps que la Terre, il ne se renouvelle pas. Sa durée de formation est donc finie. Le stock sera épuisé dans une centaine d'années également.
Les ressources renouvelables sont :
- La biomasse : bois, cultures agricoles. La biomasse, énergie issue de la vie végétale se forme en quelques mois à quelques années. Avec une bonne gestion des sols, cette ressource est inépuisable.
- Le rayonnement solaire. C'est une ressource d'énergie primaire inépuisable qui peut être utilisée directement ou indirectement.
- Les ressources liées à la géographie et à la météorologie de la planète : l'éolien, l'hydroélectrique, la géothermie, etc.
La conversion des énergies primaires
L'exemple de la production d'électricité dans une centrale électrique thermique
Les énergies primaires sont rarement sous une forme dans laquelle elles sont directement utilisables. Il convient donc de les transformer.
On prend ici l'exemple d'une centrale thermique de production électrique.
L'énergie primaire peut se trouver sous forme :
- D'énergie chimique dans le cas d'une centrale à combustible fossile comme du pétrole ou du charbon
- D'énergie nucléaire dans le cas de l'uranium
Cette énergie primaire subit une réaction chimique ou nucléaire et se transforme en énergie thermique.
Cette énergie thermique est utilisée pour faire bouillir de l'eau afin de faire tourner une turbine avec les vapeurs. On obtient alors de l'énergie mécanique.
La turbine est couplée à un alternateur qui fournit de l'électricité. On a obtenu finalement de l'énergie électrique.
On peut résumer ces étapes dans un schéma de chaîne énergétique :
Les réactions de combustion
Combustion
Une combustion est une réaction chimique violente au cours de laquelle un combustible (hydrocarbure, charbon, bois, etc.) réagit avec le dioxygène \ce{O2} de l'air et forme du dioxyde de carbone \ce{CO2} et de l'eau \ce{H2O}.
La production de dioxyde de carbone \ce{CO2} est le principal inconvénient des combustions : en effet le dioxyde de carbone \ce{CO2} est responsable de l'effet de serre.
La combustion du butane \ce{C4H10} :
\ce{C4H10} + \dfrac{13}{2}\ce{O2} \ce{->} 4 \ce{CO2} +5 \ce{H2O}
Les réactions de combustion produisent de la chaleur.
Elles transforment donc de l'énergie chimique en énergie thermique.
La combustion dégage entre 4 et 15 kWh (ou entre 15 et 50 MJ) par kilogramme de combustible brûlé.
La combustion du butane produit environ 13,8 kWh par kilogramme de butane brûlé.
Les réactions nucléaires
La fission nucléaire
Fission nucléaire
On appelle fission nucléaire une réaction nucléaire au cours de laquelle un noyau comprenant un grand nombre de nucléons se sépare en deux noyaux plus petits sous l'impact d'un neutron.
La fission ne produit pas de dioxyde de carbone \ce{CO2}, ni d'autres gaz à effet de serre, mais pose le problème du traitement et du stockage des déchets radioactifs.
Un exemple de réaction de fission de l'uranium 235 :
\ce{^{235}_{92}U} + \ce{^{1}_{0}n} \ce{->}\ce{^{92}_{36}Kr} + \ce{^{140}_{56}Ba}+ 3 \ce{^{1}_{0}n}
La réaction produit des déchets radioactifs krypton 92 et baryum 140, ainsi que 3 neutrons.
On rappelle la signification de la notation des noyaux \ce{^{A}_{Z}X} :
- Z s'appelle numéro atomique ou nombre de charge. C'est le nombre de protons.
- A s'appelle nombre de masse. C'est le nombre total de nucléons, c'est-à-dire protons et neutrons.
Le noyau \ce{^{A}_{Z}X} de l'élément de symbole chimique X possède Z protons et (A - Z) neutrons.
Le noyau \ce{^{A'}_{Z}X} de l'élément de symbole chimique X possède Z protons et (A' - Z) neutrons.
Les deux noyaux \ce{^{A}_{Z}X} et \ce{^{A'}_{Z}X} sont des isotopes de l'élément de symbole chimique X : ils ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents.
L'élément carbone C possède deux isotopes principaux : le carbone 12 et le carbone 14.
- Le carbone 12 se note \ce{^{12}_{6}C} et possède 6 protons et \left(12-6\right) = 6 neutrons.
- Le carbone 14 se note \ce{^{14}_{6}C} et possède 6 protons et \left(14-6\right) = 8 neutrons.
Des isotopes ont le même comportement lors d'une réaction chimique, mais des comportements différents dans le cas de réactions nucléaires.
L'uranium naturel comporte environ 99,3% de l'isotope \ce{^{238}_{92}U} et 0,7% de l'isotope \ce{^{235}_{92}U}.
Or seul l'isotope \ce{^{235}_{92}U} est fissile, c'est-à-dire que c'est le seul qui peut subir une réaction de fission.
Ainsi, pour permettre le fonctionnement d'un réacteur nucléaire, l'uranium naturel doit être enrichi en isotope \ce{^{235}_{92}U}, c'est-à-dire qu'on doit augmenter sa proportion jusqu'à 3 à 5%.
Les réactions de fission produisent de la chaleur.
Elles transforment donc de l'énergie nucléaire en énergie thermique.
La fission d'un kilogramme d'uranium naturel fournit environ 560 000 MJ soit 155 000 kWh.
La fission permet de produire environ cent mille fois plus d'énergie qu'une combustion pour la même masse.
La fusion thermonucléaire
Fusion thermonucléaire
On appelle fusion thermonucléaire une réaction nucléaire au cours de laquelle deux noyaux légers fusionnent pour former un noyau plus lourd.
La fusion pose pour l'instant de gros problèmes de mise en œuvre mais des recherches sont en cours. Si elle était maîtrisée elle constituerait une ressource énergétique quasi-inépuisable.
La fusion est la source d'énergie du Soleil et des autres étoiles.
La réaction de fusion du deutérium (hydrogène 2) et du tritium (hydrogène 3) :
\ce{^{2}_{1}H} + \ce{^{3}_{1}H} \ce{->} \ce{^{4}_{2}He} + \ce{^{1}_{0}n}
Les réactions de fusions thermonucléaires produisent de la chaleur.
Elles transforment donc de l'énergie nucléaire en énergie thermique.
La fusion d'un kilogramme de deutérium et de tritium produit environ 400 millions de MJ soit 110 millions de kWh.
L'exploitation des ressources renouvelables
L'ensemble des ressources renouvelables de la Terre vient directement ou indirectement du rayonnement solaire.
En effet, le rayonnement solaire est une énergie primaire de rayonnement récupérable :
- Directement par des ouvertures, fenêtres pour éclairage (énergie de rayonnement), chauffage (énergie thermique)
- Par des panneaux solaires photovoltaïques pour obtenir de l'énergie électrique
- Par des panneaux solaires thermiques (chauffe-eau solaire), pour obtenir de l'énergie thermique
Le rayonnement solaire est aussi utilisé par la nature pour la croissance des végétaux : c'est la photosynthèse, au cours de laquelle l'énergie de rayonnement est transformée en énergie chimique (biomasse).
De nombreuses énergies primaires renouvelables (comme l'énergie éolienne par exemple), sont issues du rayonnement solaire. En effet, c'est par le chauffage des masses d'air et d'eau que ces mouvements (vents par exemple) sont produits.
On peut résumer l'action du Soleil comme énergie primaire et source d'énergie primaire par ce schéma non exhaustif :
La séparation d'un mélange de liquides par distillation fractionnée
Distillation fractionnée
On appelle distillation fractionnée l'opération consistant à séparer les constituants d'un mélange de plusieurs liquides miscibles qui n'ont pas la même température d'ébullition.
Le liquide est chauffé dans un ballon, les vapeurs s'élèvent dans une colonne à distiller puis sont liquéfiées dans un réfrigérant. Le liquide obtenu, appelé distillat, s'écoule le long d'un tube incliné et est recueilli dans un récipient adéquat, comme un bécher ou un erlenmeyer.
Un montage à distiller
La distillation fractionnée du pétrole permet de séparer les différentes substances chimiques dont les températures d'ébullition sont différentes. C'est la première étape dans le processus d'obtention d'hydrocarbures purs (raffinage).
Lors d'une distillation fractionnée, les liquides les plus volatiles, c'est-à-dire dont les températures d'ébullition sont relativement faibles :
- Constituent la majorité des vapeurs obtenues en début de distillation, à une température relativement faible.
- Sont majoritaires dans le distillat obtenu au début.
Le bioéthanol, utilisé comme carburant de substitution aux hydrocarbures issus du pétrole est obtenu en deux étapes :
- La fermentation alcoolique de biomasse (maïs, canne à sucre, betterave sucrière) permet d'obtenir des solutions aqueuses contenant environ 10% d'éthanol.
- La distillation de cette solution permet d'obtenir un mélange beaucoup plus riche en éthanol, utilisable en tant que carburant.
Lors de la distillation de la solution obtenue par fermentation, on doit remarquer que l'éthanol est plus volatil que l'eau. En effet la température d'ébullition de l'éthanol est de 78°C alors que celle de l'eau est de 100°C.
Ainsi, en début de distillation, les vapeurs obtenues sont à une température à peine supérieure à 78°C et très majoritairement constituées d'éthanol.
La distillation doit impérativement être arrêtée quand la température des vapeurs devient trop élevée, car à ce moment-là, les vapeurs commencent à être très chargées en eau.