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GUIDE PEDAGOGIQUE

Septembre 2011

LE JARDIN DES ENERGIES

Dossier enseignant

Ce guide a été conçu et réalisé par le CRDP de Poitou-Charentes en collaboration avec Romain Chauvière, professeur de Sciences Physiques.

L’objectif général est de vous fournir des pistes de travail, des propositions d’activités dont vous pourrez vous inspirer pour conduire un projet pédagogique ou tout simplement pour donner un sens à la visite de votre classe au Futuroscope, pour qu’elle devienne une étape dans un processus plus général d’apprentissage.

Consultez les mises à jour des guides pédagogiques

sur education futuroscope com

SOMMAIRE

Présentation de l’attraction p.2Corrigés fiches d’activités p.4Ressources documentaires p.9• La géothermie p.11• L’hydraulique p.19• Le solaire p.23• L’éolien p.29• La biomasse p.32• L’hydrogène p.37• Le nucléaire p.42Pour en savoir plus p.47

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Département Education Futuroscope 2 Présentation de l’attraction

PRESENTATION DE L’ATTRACTION

LE JARDIN DES ENERGIESLE JARDIN DES ENERGIESLe Jardin des Energies est un parcours qui vise àsensibiliser les jeunes visiteurs aux économies d’énergie et à la nécessité de produire moins de CO2.

Dans chacun des espaces, l’élève peut comprendre et ressentir les différentes énergies, à travers des installations artistiques et scientifiques avec lesquelles il interagit et s’amuse à apprendre.

Dans l’espace dédié à la géothermie , il peut ressentir la chaleur qui vient du sol, au moyen de bouillonnements dans l’eau et dans la terre et de geysers d’ou jaillit de la fumée, alliés à un ventilateur propulsant de l’air chaud.Deux pompes à main sont placées le long du chemin qu’il emprunte.

En actionnant la pompe « Géothermie très basse et basse énergie », de l’eau jaillit et un compteur indique la température, la profondeur d’extraction et l’usage : chauffage et climatisation.

En actionnant la pompe « Géothermie moyenne et haute énergie », de la vapeur jaillit et un compteur indique la température, la profondeur d’extraction et l’usage : production d’électricité.

Le jeune visiteur découvre que chacune des pompes correspond à une température.

Il traverse 7 espaces chacun dédié à une énergie :

la géothermie / la biomasse / l’hydraulique / l’hydrogène / l’éolien / le solaire / le nucléaire.

Géothermie très basse et basse énergie -0°À 90°: elle concerne les aquifères peu profonds d’une température inférieur à 30°C et servent au chauffage et à la climatisation (si l’on adjoint une pompe à chaleur). Elle consiste en l’extraction d’une eau à moins de 90°C dans des gisements situés entre 1 500 et 2 500 m. de profondeur et sert essentiellement au chauffage des habitations (elle permet aussi la production d’électricité).

Géothermie moyenne et haute énergie de 90° à150° et plus : elle se présente sous forme d’eau chaude ou de vapeur humide ou sèche. Elle sert àla production d’énergie (nécessite l’utilisation d’un fluide intermédiaire).

Dans l’espace dédié à la biomasse , le visiteur peut tester les différents combustibles et comparer leurs rendements énergétiques.

Un pupitre permet de piloter le dispositif depuis la rambarde. Il fait face à une série de différents combustibles aux masses identiques (mais volumes variables). En arrière plan, on peut voir deux colonnes de feu.

Département Education Futuroscope 3 Présentation de l’attraction

Le plateau de commande fixé au garde corps de la passerelle permet de sélectionner un des combustibles présentés dans des tubes de plexiglas, afin de connaître son rendement énergétique et son taux de production de CO2.

La durée de chauffage permis par le combustible s’affiche dans un compteur et des témoins s’allument pour signifier un faible, moyen ou bon rendement énergétique. La flamme s’allume plus ou moins haut en fonction.

La production de CO2 est lisible également au moyen de témoins en forme de nuage noir (plus il y en a qui s’allument, plus le combustible dégage de CO2). La flamme s’allume plus ou moins haut en fonction.

L’élève découvre la diversité de la biomasse et biogaz : bois, plaquettes, sciures, écorces, plantes, et aussi déchets, ainsi que leurs rendements et leurs taux de CO2.

L’espace dédié à l’hydraulique présente une roue àeau géante (6m. de diamètre), inspirée de la roue népalaise et d’une noria.

Le visiteur découvre les hydroliennes, ainsi que les micro centrales, présentées en contraste avec l’installation de la noria de grande taille, faisant référence au passé.

Dans l’espace dédié à l’hydrogène , le visiteur pousse une manette pour créer une bulle dans un tube en plexiglas, il observe des doubles boules blanches fixes (marquée avec symbole hydrogène), dans une zone de stockage transparente. Les boules hydrogènes se mettent en mouvement dans les tubes en plexiglas, vers la pile à combustible. Il observe la lumière qui s’allume dans la pile à combustible, et voit une brume qui se forme, correspondant aux déchets de la pile.

L’élève apprend que l’hydrogène n’est pas une énergie, mais un vecteur d’énergie, à l’image des électrons de l’électricité. Il fournit de l’énergie lorsqu’il participe à une réaction chimique, par exemple dans une pile à combustible ou lors d’une combustion.

Dans l’espace dédié au solaire , le visiteur manipule des disques métalliques pivotant autour d’un axe fixéà la rambarde. Il doit les orienter afin de viser les cibles fixées aux tubes serpentant au dessus du jardin ou aux arbres existants.Ces cibles sont reliées à des objets types : calculatrice, parcmètre, chauffe eau, ventilation, ... qui s’animent lorsque les cibles sont visées.

L’élève comprend que, pour une bonne production énergétique solaire, il faut surtout bien régler l’orientation des panneaux.Les plus petits modules peuvent alimenter des montres, des calculatrices ou encore des parcmètres, ou des bornes d’appel d’urgence sur autoroute. Des systèmes plus puissants peuvent fournir l’électricité pour des sites isolés (bateaux, maisons, etc.) ou être reliés à un réseau de distribution électrique, intégrés dans un bâtiment ou non. Pour chaque cas de figure, l’équipement sera différent. Des applications « au fil du soleil » (pompe à eau, ventilation) peuvent exploiter directement l’électricité produite en fonction du soleil. En revanche, l’utilisation en site isolé demande de pouvoir stocker le courant pour une utilisation la nuit ou par mauvais temps. Les modules produisent du courant continu, qu’il faut convertir en courant alternatif pour l’adapter à la plupart des appareils électriques.

Dans l’espace dédié à l’éolien , il manipule une éolienne factice entourée de soufflerie. Afin de comprendre que le rendement énergétique dépend de l’orientation de ses panes, des diodes graduelles s’éclairent relativement à la justesse de l’orientation donnée par le visiteur grâce à un cercle et à un axe rotatif.

Le jeune visiteur comprend que le rendement énergétique dépend de la hauteur d’une éolienne, de la grandeur de ses panes et de leurs orientations.

Dans l’espace dédié au nucléaire , le visiteur se trouve dans une sphère contenant des balles colorées. Il envoie une balle qui représente une boule d’uranium dans la machine, pour déclencher la machine à boules. Il peut ensuite régler la vitesse de battement des balles grâce à un levier. Lorsque c’est trop lent, l’image de ville en fond ne s’éclaire pas, lorsque la bonne vitesse est atteinte, la photo de ville s’éclaire.

Le but est de comprendre qu’une très faible quantitéd’uranium produit une grande quantité d’énergie (envoi d’une seule balle). Il appréhende le principe du contrôle de la fusion nucléaire (réglage de la vitesse) et réalise que le nucléaire est l’énergie qui produit la plus grande quantité d’énergie (ville qui s'éclaire).

Département Education Futuroscope 4

Question 1 :

Question 2 :

Géothermie à très basse énergie (< 30°C)Géothermie à basse énergie (de 30 à 90°C)

Géothermie à moyenne énergie (de 90 à 150°C)Géothermie à haute énergie (> 150°C)

ThermalismeSéchage de produits industrielsProduction d’électricitéChauffage avec pompe à chaleur

Fiche 1 La géothermie

Corrigés fiches d’activités

CORRIGES DES FICHES D’ACTIVITES

La structure interne du globe ©ADEME

Question 3 : À la pression atmosphérique, l’eau est à l’état liquide quand sa température est entre 0 et

100°C. Au-dessus de 100°C, elle est à l’état gazeux .

Question 4 : La liquéfaction correspond au changement d’état physique, de gazeux à liquide. La

vaporisation correspond au changement d’état physique de liquide à gazeux.Question 5 : Une pompe à chaleur a besoin d’électricité pour fonctionner. Elle est notamment constituée

d’un compresseur et d’un détendeur. Quand elle est réversible, elle sert à chauffer l’habitation l’hiver, et

à la climatiser l’été.


Question 6 : Il existe les capteurs géothermiques horizontaux que l’on enterre entre 0,6 et 1,2 mètre de profondeur et les capteurs géothermiques verticaux (appelés aussi sondes géothermiques) que l’on

enterre à moins de 100 mètres de profondeur.

Question 7 :

Dans le cas d’une PAC à détente directe, l’évaporateur permet de récupérer la chaleur du sol et le condenseur la redistribue dans l’habitation.

Dans le cas d’une PAC avec fluide intermédiaire, l’évaporateur permet de récupérer la chaleur du circuit de captage enterré dans le sol et le condenseur la transfert au circuit de chauffage de l’habitation.


Fiche 2 L’hydraulique

Question 1 : Une centrale hydroélectrique convertit l’énergie liée à la vitesse de l’eau en électricité.Question 2 : Un alternateur

Question 3 : 61 329 gigawattheures (GWh)

Question 4 : 9 km/h

Question 5 : 18 mètresQuestion 6 : 10 mètres/seconde. La vitesse de l’extrémité de la pale est liée à sa longueur : ω = v / R où

ω représente la vitesse de rotation en tours par seconde et R, la longueur d’une pale en mètres.

Question 7 : 750 mètres

Fiche 3 Le solaire

Question 1 :

Le solstice d’étéLe solstice d’hiver

L’équinoxe de printempsL’équinoxe d’automne

20 mars21 juin22 septembre21 décembre

Question 2 : La France est située dans l’hémisphère nord. Le solstice d’été correspond au jour le plus

long de l’année. Durant les équinoxes de printemps et d’automne, la durée du jour et de la nuit sont égales. Le solstice d’hiver correspond au jour le plus cout de l’année.

Question 3 : L’énergie solaire peut être utilisée pour produire de l’électricité ou produire de l’eau chaude.

Question 4 : 212 gigawattheures (GWh)

Question 5 : Vers le Sud

Question 6 : 45°


Question 7 :

panneau

solaire

cellule photovoltaïque

Question 8 :

panneau

solaire

cellule photovoltaïque


Fiche 4 L’éolien

Question 1 : Un aérogénérateur est une éolienne qui convertit l’énergie du vent en électricité.

Question 2 : Le moulin à vent.

Question 3 :

Pale

RotorNacelle

Mat


Question 7 : Elles produisent davantage d’électricité.Question 8 : En Grande-Bretagne.Il s’agit du parc éolien de Thanet situé en Grande-Bretagne, à l’est de Londres. Il est constitué de 100 turbines ayant une puissance unitaire de 3MW.

un klaxonune cantine scolaire

une éolienneune chambre à coucher

30 dB50 dB85 dB95 dB

Question 4 : La direction du vent

Question 5 : 10 à 15 tours/minuteQuestion 6 :


Fiche 5 La biomasse

Question 1 : La biomasse représente l’ensemble de la matière organique, qu’elle soit d’origine végétale

ou animale. Cette matière organique est la matière qui compose les êtres vivants et leurs résidus, ayant pour particularité d’être toujours composée de carbone.Question 2 : la biomasse solide ; le biogaz ; les biocarburantsQuestion 3 : la photosynthèseQuestion 4 : le bois sous différentes formes (bûches, copeaux, briquettes, résidus de broyage) ; la paille (de blé, de colza, de tournesol, de riz, …) ; les coques d’arachidesles céréales entières telles que le blé, le seigle, etc. ; les graines de céréales (graines de blé, de seigle, de colza, …) ; les tourteaux d’olives ; le foin d’origines diverses…Question 5 : Le biogaz (le méthane) est un gaz dont l’effet de serre est 21 fois plus important que le dioxyde de carbone. Il est donc préférable de le brûler même si cela rejette du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.Question 6 : Les Etats-UnisQuestion 7 :

blétournesol

canne à sucrebetterave

boiscolza

Bioéthanol

Biodiesel

Fiche 6 L’hydrogène

Question 1 : gazeuxQuestion 2 : Comme l’hélium, le dihydrogène est un gaz ayant une faible densité (il est plus léger que l’air). Par conséquent, la gravité terrestre ne peut le retenir.Question 3 : le pétrole ; le gaz naturel ; l’eau ; la biomasse…Question 4 : la cathode (chargée en dioxygène), l’anode (chargée en dihydrogène), l’électrolyteQuestion 5 : du dioxygèneQuestion 6 : Lors de son fonctionnement, une pile à combustible rejette de la vapeur d’eau et produit de l’électricité et de la chaleur.Question 7 : Son rendement est meilleur.

Département Education Futuroscope 8 Corrigés fiches d’activités

Fiche 7 Le nucléaire

Question 1 : la fusion nucléaireQuestion 2 : naturelle et artificielleQuestion 3 :

Question 4 : le becquerel (Bq)Question 5 : un dosimètreQuestion 6 : ils détruisent les bactéries logées dans ces objets

rayonnement alpharayonnement béta

neutronrayonnement gamma

4m de bétonUne feuille de papier Une feuille d’aluminiumPlusieurs dm de paraffine


RESSOURCES DOCUMENTAIRES

De tout temps, l’homme a eu besoin de l’énergie pour se nourrir, se déplacer. Celle-ci existe sous plusieurs formes. Aujourd’hui, la technologie permet d’en produire en grande quantité, en utilisant toutes les ressources possibles (fossiles, eau, vent, Soleil…). À l’aube du XXIe siècle, l’énergie reste un enjeu majeur, tant au niveau politique, économique, scientifique qu’environnemental…

L’énergie se présente sous des formes très diverses. L’énergie d’un système physique dépend de l’état dans lequel il se trouve. On distingue deux familles d’énergie.

� L’énergie mécanique désigne l’énergie d’un système emmagasiné sous forme d’énergie cinétique et d’énergie potentielle de pesanteur. L’énergie cinétique est liée au mouvement. Le vent, l’eau qui coule, la vapeur qui s’échappe ont une certaine vitesse, donc possèdent de l’énergie cinétique. L’énergie potentielle de pesanteur est liée à la force de gravitation exercée par la Terre sur les objets dans son voisinage. Plus la distance par rapport à la Terre (soit l’altitude) est grande, plus l’énergie potentielle est importante. Dans le cas d’un barrage hydraulique, c’est cette énergie qui est exploitée, l’eau acquiert de l’énergie cinétique lors de sa chute et actionne des turbines qui entraînent des alternateurs.

� L’énergie interne couvre différents domaines.� Lorsque la température du système varie, c’est son énergie interne thermique qui évolue. Elle est mise en jeu avec les centrales thermiques qui utilisent l’eau des geysers, ou encore avec la géothermie.� L’énergie interne physique varie lors des changements d’état notamment ceux des fluides caloporteurs.� Un mélange de méthane-dioxygène ou de dihydrogène-dioxygène possède une énergie interne chimique qu’il va libérer respectivement lors de la combustion ou du fonctionnement de la pile àcombustible.� L’énergie interne nucléaire est mise en jeu avec la fusion au niveau de notre Soleil et avec la fission pour les centrales nucléaires.

L’énergie peut se transformer au sein d’un même système, ou bien se transmettre d’un système à un autre. Il existe différents moyens de transfert d’énergie, appelés le travail :� le travail mécanique correspond au déplacement d’un objet ;� le travail électrique correspond au déplacement de particules chargées (électrons) ;� la chaleur (ou travail thermique) correspond au niveau microscopique à un transfert d’agitation d’atomes ou de molécules ;� le travail rayonnant correspond à l’émission d’un rayonnement visible ou invisible (lumière visible, U.V., infrarouge, rayons X, …).

La caractéristique la plus remarquable de l’énergie est qu’elle se conserve toujours. Lorsqu’elle est transférée d’un système à un autre, ou lorsqu’elle change de nature au sein du système, il n’y a jamais ni création ni destruction d’énergie. Si un objet a perdu de l’énergie, la même quantité d’énergie a obligatoirement été gagnée par un autre objet en communication avec le premier. De même, lorsque l’énergie change de forme, le bilan est toujours exactement équilibré. C’est donc par abus de langage que les journaux, les économistes ou les hommes politiques parlent de « production d’énergie », ou de « pertes d’énergie », puisque l’énergie ne peut être ni créée ni perdue. En réalité, dans une centrale thermoélectrique, on ne « produit » pas d’énergie, mais on transforme de l’énergie chimique ou nucléaire en travail électrique et en chaleur. Le bilan global de cette conversion est caractérisé par un rendement. Celui d’une centrale nucléaire représente 33 %, ce qui signifie 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 ; cette chaleur, évacuée dans l’environnement, par exemple par le brouillard sortant des tours de refroidissement, est donc, en général, perdue pour nous. Certaines centrales en récupèrent toutefois une partie pour chauffer des habitations ou des serres. Au niveau individuel, c’est le cas des chaudières à condensation.

Introduction

Introduction


L'unité du système international pour mesurer l'énergie est le joule (J). Certaines activités utilisent d'autres unités, le kilowattheure pour les factures d’électricité (1 kWh = 3,6 MJ), la tonne d'équivalent pétrole pour comparer les différentes sources d’énergie (1 tep = 41,868 GJ), la calorie (1 cal = 4,18 J), la grande calorie en diététique (1 Cal = 1 kcal = 4182 J).

Les échanges d’énergie sont caractérisés, non seulement par la quantité d’énergie transférée ou transformée, mais aussi par la durée du processus. La notion de puissance est ainsi définie comme une quantité d’énergie échangée par unité de temps. L’unité de puissance, le watt, est donc le joule par seconde. Un radiateur électrique de 1 500 W consomme durant chaque seconde une énergie électrique de 1 500 J. Par conséquent, durant chaque heure (3 600 secondes), une énergie électrique de 3 600 x 1 500 J = 5 400 000 J est transformée en chaleur. Cet exemple montre que le joule est une unité d’énergie trop petite pour nos usages courants. On emploie souvent en pratique le kilowattheure (kWh), quantité d’énergie mise en jeu par un appareil d’une puissance de 1 000 W pendant un délai d’une heure. Ainsi, 1 kWh vaut 3 600 x 1 000 J = 3 600 000 J.

L’énergie ne se prête au stockage en quantitéappréciable que sous certaines de ses formes. Sa mise en réserve et sa récupération impliquent donc des transformations, et par suite de la dissipation.L’énergie électrique peut être emmagasinée dans des accumulateurs, sous forme d’énergie chimique. Mais la décharge d’un accumulateur fournit moins d’énergie électrique que sa charge, car les réactions électrochimiques s’accompagnent d’une assez forte dégradation en chaleur. De plus, les accumulateurs sont coûteux et lourds, puisqu’ils n’emmagasinent que 0,1 kWh par kg, ce qui est, avec le prix, la principale entrave au développement de la voiture électrique. Nos besoins en puissance électrique varient avec l’heure, en croissant par exemple rapidement le soir ; et les centrales nucléaires ont du mal à suivre ces changements. Étant donné la faiblesse des pertes de chaleur dans les échanges électromécaniques, on a imaginé utiliser les barrages non seulement comme sources d’énergie hydroélectrique, mais aussi comme réservoirs d’énergie.

La relative facilité de stockage et aussi de transport sur de grandes distances du charbon, du pétrole et du gaz a été l’un des facteurs primordiaux du développement de l’industrie depuis deux siècles.

L’essor de l’automobile repose aussi sur la possibilité d’emporter avec soi assez de carburant pour parcourir plusieurs centaines de kilomètres. Mais l’électricité est la seule forme d’énergie susceptible d’être à la fois transformée en quasi-totalité en n’importe laquelle des autres, et transportée au loin en grande quantité à un coût relativement faible. Les pertes de chaleur dans les lignes à haute tension et les transformateurs atteignent cependant 8 %.

On distingue les énergies fossiles des énergies renouvelables. Les premières reposent sur l’exploitation de minéraux et combustibles formés durant l’histoire de la Terre et n’existant qu’en quantités limitées. En tenant compte de l’évolution des consommations, et de l’espoir de découvrir de nouveaux gisements, on peut estimer les réserves mondiales à quelques dizaines d’années pour le pétrole, à une centaine d’années pour le gaz ou l’uranium, à quelques siècles pour le charbon. Les énergies renouvelables sont celles qui nous parviennent directement ou indirectement du Soleil, qui nous envoie en permanence son rayonnement. Il s’agit des énergies solaire, hydraulique, éolienne (celle du vent), mais aussi de l’énergie chimique qui s’accumule dans les végétaux utilisables comme combustibles (bois, déchets, alcool). La puissance totale que l’on peut tirer de ces énergies renouvelables est cependant limitée ; par exemple, il ne faudrait pas brûler les forêts à un rythme plus rapide que celui de leur croissance.

Introduction


La géothermie, du grec γῆ (la terre) et θερµός (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par abus de langage, la géothermie désigne aussi l'énergie géothermique issue de l'énergie de la Terre qui est convertie en chaleur et/ou en électricité.

La chaleur dégagée par notre globe est causée par la désintégration de la radioactivité de ses roches (90%) et, dans une moindre mesure, le refroidissement du noyau. La surface de la Terre est également réchauffée par l'énergie du soleil, mais elle permet de réchauffer seulement les premiers mètres du sous-sol.

Ainsi, en France, la température moyenne au niveau du sol tout au long de l’année est de 10 à 14° C puis, au-delà de plusieurs de dizaines de centimètres, au fur et à mesure que l’on s’enfonce, elle augmente en moyenne de 3,3° C tous les 100 mètres (c’est ce que l’on appelle le gradient géothermal). Les roches peuvent ainsi atteindre 140°C à 4 000 mètres de profondeur !

Les plus anciens vestiges en rapport avec la chaleur de la Terre, retrouvés sur le site de Niisato au Japon, sont des objets en pierre volcanique taillés (outils ou armes) datant justement du troisième âge glaciaire, il y a 15 ou 20 000 ans. Les régions volcaniques ont donc constitué, très tôt, des pôles d'attraction, du fait de l'existence de fumerolles et de sources chaudes que l'on pouvait utiliser pour se chauffer, cuire des aliments ou tout simplement se baigner.

Un des témoignages les plus anciens l'exploitation d'eau naturellement chaude pour les thermes remonte à 2000 ans avant Jésus-Christ, dans les îles Lipari en Italie.

Depuis un siècle, les exploitations industrielles se sont développées pour la production d'électricité et le chauffage urbain. C’est en 1930 à Reykjavik (Islande) quel’on voit apparaître le premier réseau de chauffage urbain.

Avec la géothermie à très basse énergie(température inférieure à 30° C), on peut chauffer une maison à condition d’utiliser une pompe àchaleur. Il s’agit d’un équipement qui fonctionne exactement comme le réfrigérateur qui trône dans ta cuisine, mais à l’envers ! Grâce à un circuit, le réfrigérateur capte en permanence la chaleur contenue dans les aliments et la rejette à l’extérieur grâce à la grille « échangeur » située à l’arrière de l’appareil. La pompe à chaleur géothermique, elle, capte la chaleur du sol pour la ramener à l’intérieur des bâtiments. Cependant, pour bien fonctionner tout au long de l’année, il faut qu’elle soit installée dans une zone où la température du sous-sol est stable (c’est-à-dire qu’elle reste la même tout au long de l’année).

Au final, le bilan reste intéressant car même si elle nécessite un peu d’électricité pour fonctionner, la pompe à chaleur géothermique peut fournir jusqu’à60 % des besoins en énergie pour chauffer une maison !Source : http://www.mtaterre.fr/

Géothermie

La géothermie


1 - Un premier circuit de tuyaux (circuit primaire) remplis d’eau collecte la chaleur à faible profondeur et la fait remonter vers la maison.

2 - Le circuit primaire arrive au contact d’un deuxième circuit de tuyaux (échangeur thermique) remplis d’un fluide caloporteur (un fluide permettant de transporter la chaleur entre deux ou plusieurs sources de température) et le réchauffe, le faisant passer à l’état de gaz.

3 - Il gagne le compresseur : comme son nom l’indique, cette petite machine alimentée

en électricité compresse le gaz pour augmenter sa température. Le gaz brûlant arrive au contact d’un troisième circuit de tuyaux (circuit secondaire) remplis d’eau et lui cède sa chaleur. Ce circuit alimente le plancher chauffant partout dans le bâtiment et permet de le chauffer.

4 - Le gaz du circuit secondaire se refroidit. Il arrive dans le détendeur, qui fait le travail inverse du compresseur en jouant sur la pression : le gaz redevient liquide. Il poursuit sa route jusqu’àrencontrer de nouveau le circuit primaire qui ne cesse de rapatrier la chaleur du sous-sol.

En fonction de ce que l’on veut chauffer (habitations individuelles, serres, bâtiments collectifs…) et des caractéristiques du sol, on installera des pompes àchaleur plus ou moins puissantes. Cependant, le système de chauffage par géothermie doit être complété par un autre mode de chauffage d’appoint pour prendre le relais quand la demande en énergie est trop importante, notamment pendant les périodes de grand froid.

Si une pompe à chaleur est un réfrigérateur àl'envers, une pompe à chaleur à l’envers est un réfrigérateur ! La géothermie peut donc assurer non seulement la production de chaleur en hiver, mais aussi la production de froid en été. On parle alors de pompe à chaleur réversible : elle est équipée d'un dispositif permettant d'inverser le cycle du fluide frigorigène. Le condenseur devient l'évaporateur, l'évaporateur devient condenseur et la pompe àchaleur puise alors des calories dans le bâtiment pour les rejeter dans le sol.

Géothermie

©ADEME


Avec la géothermie basse énergie (température entre 30 et 90°C), on peut se chauffer en exploitan t directement la chaleur du sous-sol. Cependant, il faut que les roches soient assez poreuses (fissurées) pour être gorgées d’eau (car c’est l’eau que l’on utilise pour exploiter la chaleur) et profondes (plus de 200 m) pour atteindre une température importante (supérieure à 60°C).

Géothermie

Ces zones géologiques sont appelées « aquifères profonds ». C’est le cas dans de nombreuses régions françaises situées au-dessus de grands bassins sédimentaires profonds : essentiellement en Ile-de-France et Aquitaine, mais également en Midi-Pyrénées et Languedoc-Roussillon.

Carte des aquifères profonds en métropole ©BRGM


L’eau puisée dans le sous-sol (par le puits de production) cède ses calories à un circuit de tuyaux (principe de l'échangeur thermique) qui permet de chauffer les bâtiments.

Dans la boucle géothermale, l'eau qui sort chaude de la Terre tourne en circuit fermé. Cette eau chargée de sels minéraux cède sa chaleur à un autre réseau appelé cette fois circuit géothermique, dans lequel circule l'eau de ville destinée à être réchauffée.Cet échange est nécessaire pour capter des calories tout en évitant la corrosion du réseau de chaleur. Le dispositif est appelé échangeur.

À ces profondeurs, l’eau étant fréquemment salée et/ou chargée en sulfures, donc corrosive, il est interdit de la rejeter en surface. Il est nécessaire de forer un second puits (puits de réinjection) pour réinjecter l’eau dans l’aquifère originel. Mais il convient d’implanter ce puits à environ 1 500 ou 2 000 mètres du puits de production afin que l’eau refroidie réinjectée ne vienne pas refroidir celle qui est puisée.

Géothermie

Il est alors possible d’alimenter un réseau de chaleur par simple échange.

Principe de fonctionnement d’un réseau de chaleur ©ADEME-BRGM

Principe d’un échangeur thermique


En 2005, plus de 70 pays déclarent utiliser la géothermie pour produire de la chaleur. Les principaux pays producteurs sont la Chine, l’ex-URSS, les pays d’Europe centrale et orientale et les Etats-Unis.

La France, quant à elle, a été pionnière dans le développement de la géothermie. Aujourd’hui, 40 installations dédiées au chauffage urbain, pour la majorité réalisées dans les années 1980,

permettent de chauffer près de 200 000 équivalent-logements (dont 150 000 en région parisienne).

Et face à l’augmentation des prix de l’énergie, la géothermie se développe : en 2008, près de 19 500 nouvelles pompes à chaleur ont été vendues en France.On estime actuellement que près de 122 000 maisons individuelles sont chauffées grâce àl’énergie du sol.

Géothermie

Production de chaleur avec la géothermie dans le mon de en 2010 (source : WGC 2010) ©ADEME

Dans les zones volcaniques, à la frontière des plaques lithosphériques, la chaleur du centre de la Terre remonte et réchauffe de gigantesques poches d’eau (zones situées en rouge sur le schéma ci-dessous).

Avec la géothermie haute énergie(températures supérieures à 150° C), on utilise de la vapeur d’eau, extraite du sous-sol, qui alimente des turbines pour produire de l’électricité.

Zones de socle cristallin réservées pour la très basse énergie

Zones favorables à la géothermie basse énergie (bassins sédimentaires)

Zones propices au développement de la géothermie haute énergie(Régions tectoniques et volcaniques actives émergées)

Département Education Futuroscope 16 Géothermie

À l'intérieur du réservoir géothermal, il y a de l'eau sous forme liquide ou vapeur ou encore un mélange de ces deux phases. Un forage géothermique pourra produire de la vapeur seule (dite vapeur sèche) ou un mélange des deux phases liquide et vapeur (on parle alors de vapeur humide). Selon la nature et les propriétés du fluide arrivant en surface, on utilise différents systèmes pour produire de l'électricité.

On distingue :

• des unités de production à cycle direct où la vapeur actionne une turbine à échappement atmosphérique (cas le plus simple) ou une turbine à condenseur (on crée alors un vide à l’échappement de la turbine) ;

• des unités à cycle binaire où la vapeur turbinée est celle d’un fluide dit “de travail” qui est vaporisé par échange thermique avec le fluide géothermal (cycle de Rankine ou cycle de Kalina) ;

• et des unités à cycle combiné qui associent des dispositifs de turbine à cycle direct avec des “récupérateurs” d’énergie à cycle binaire.

Principe de fonctionnement de la centrale électrique géothermique de Bouillante (Guadeloupe) ©ADEME


Le "système géothermique stimulé" est une technologie encore en développement. La production de l’électricité est faite par de la géothermie profonde à haute température à partir de roches sèches. L'eau chaude n'est donc pas directement prélevée du sous-sol, mais injectée dans le sous-sol pour y être réchauffée.

Un puits est creusé dans lequel on injecte de grandes quantités d’eau (il est plus facile de capter la chaleur à travers l’eau car les roches ne conduisent pas bien la chaleur).

Géothermie

Elle s’infiltre en profondeur et se réchauffe au contact de la roche. Puis elle est captée grâce àdes pompes par deux autres puits. Une fois en surface, cette eau chaude cède sa chaleur (via un échangeur) à un fluide qui se transforme en vapeur. Il monte en pression, ce qui lui permet d’entraîner la turbine qui produit de l’électricité. Pendant ce temps, l’eau du puits qui a cédé une bonne partie de sa chaleur redescend… et c’est reparti pour un tour.


Plusieurs expériences ont été tentées et développées dans le monde pour mettre au point cette technologie. Cependant, le projet le plus avancé a démarré en 1987, en France dans le cadre d’une collaboration franco-allemande, sur le site de Soultz-sous-Forêts (Bas-Rhin). Cela a demandé du temps, car la centrale n’a étéopérationnelle qu’en juin 2008. Il a fallu vérifier que cette opération ne consommait pas plus d’énergie qu’elle n’en produisait, que le système était exploitable sur plusieurs années, qu’il n’avait pas d’impact sur l’environnement et qu’il peut être exploitable à un coût intéressant. Elle dispose d’une puissance de 1,5 MW injectée sur le réseau d’électricité de Strasbourg. Le calcul montre que la mise en exploitation géothermique de 3 % de la surface de l’Alsace sur un kilomètre de hauteur (entre 4,5 et 5,5 km de profondeur) pourrait assurer une production électrique équivalente àcelle d'une dizaine de centrales nucléaires pendant plusieurs décennies. Et ceci sans aucune pollution.

De telles régions, comprenant des roches naturellement fracturées, se retrouvent aussi dans le Massif central et le Couloir rhodanien, sur de vastes étendues en Europe et dans une grande partie du monde, ouvrant des grandes perspectives à la géothermie profonde.

Géothermie

Mais ce qui va conditionner son développement est sa rentabilité économique. Pour l'instant, ce système coûte cher car il nécessite des forages àgrande profondeur dans un milieu encore mal connu. Selon les prévisions, le prix du kWh électrique produit par la géothermie profonde pourrait s'approcher de 8 centimes d'euro en 2015. Pour être compétitif avec les autres ressources, il faudra que son prix baisse à moins de 5 centimes d’euro le kWh.

Les perspectives pour la géothermie sont nombreuses. A l’horizon 2020, la géothermie devrait contribuer ainsi pour 1,3 millions de tep (tonnes-équivalent-pétrole) à l’objectif très ambitieux fixé par le Grenelle de l’environnement de produire 20 millions de tep d’énergie renouvelable supplémentaires. A la même échéance, il est prévu que 20 % de l'électricitéproduite dans les DOM soit d'origine géothermique.

Les secteurs où sont attendues les croissances les plus fortes sont les pompes à chaleur géothermiques pour les maisons individuelles (neuf et rénovation) ou pour le tertiaire et le résidentiel collectif, ainsi que les réseaux de chaleur alimentés par géothermie profonde.

Le Grenelle de l’environnement fixe des objectifs ambitieux pour les pompes à chaleur géothermiques : atteindre un parc de plus de600 000 installations d’ici à 2020.


La plus ancienne machine à eau connue est représentée sur un bas-relief du IIIème siècle après J.-C. à Hiérapolis en Turquie. Il s’agissait d’une scierie qui, par un système de bielles et manivelles, actionnait une paire de scies destinées à couper de la pierre. Le moulin à eau, dont l’existence est prouvée en Europe depuis l'antiquité, est plus ancien que le moulin à vent. Au Moyen Âge, le moulin à eau se développe parallèlement à la disparition de l'esclavage, à partir du IXème siècle.

Ce n'est qu'au cours du XIXème siècle que les roues à aubes ont été utilisées pour produire de l'électricité : on parle alors d’hydroélectricité. À la fin de ce siècle, la turbine remplaça la roue hydraulique et les premiers barrages firent leur apparition. En 1869, dans les Alpes, l'industriel et ingénieur Aristide Bergès utilisait à Lancey l'énergie hydraulique pour faire fonctionner ses défibreurs (appareils râpant le bois afin d'en faire de la pâte àpapier) grâce à une chute de 200 mètres. Il utilisa la formule de « houille blanche » développée àGrenoble à partir de 1878 au cours de réunions locales, puis à la foire de Lyon en 1887, et définitivement popularisée lors de l'Exposition universelle de Paris de 1889, où il en fit l'expression populaire pour caractériser la puissance hydraulique sous toutes ses formes. En 1925, Grenoble organisa l'Exposition internationale de la houille blanche afin de consacrer la ville capitale de la houille blanche.

L'énergie hydroélectrique représente 19% de la production totale d'électricité dans le monde. C’est la source d'énergie renouvelable la plus utilisée. Cependant, tout le potentiel hydroélectrique mondial n’est pas encore exploité. En France, l’énergie hydraulique est la 2ème source de production d’électricité derrière le nucléaire. Il y a environ 2 100 centrales hydroélectriques dont 447 sont exploitées par EDF. La production annuelle française actuelle (61 térawattheures (TWh) en 2009) représente environ 70% du potentiel technique exploitable.

Il existe une grande diversité de centrales hydrauliques :

• les centrales gravitaires pour lesquelles les apports d'eau dans la réserve sont uniquement liés à l’écoulement naturel de l’eau sous l’action de la gravité.

• les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP), turbinant vers l’aval aux heures de forte consommation et pompant l’eau vers l’amont aux heures creuses. Celles-ci comprennent d'ailleurs fréquemment une partie gravitaire.

• les usines marémotrices au sens large qui utilisent l'énergie du mouvement des mers, qu'il s'agisse du flux alterné des marées, des courants marins permanents ou du mouvement des vagues.

De plus, selon le débit et la vitesse de l’eau, la turbine sera différente. Pour les faibles hauteurs d’eau avec des débits importants (une rivière de plaine alluviale), on fera appel à des turbines à axe vertical de type Kaplan ou Francis. Pour les chutes de grande hauteur et de faible débit (cascade ou torrent déviés en conduites forcées), des turbines àaxe horizontal de type Pelton ou Francis donnent les meilleurs résultats.

Les centrales gravitaires sont celles mettant àprofit l'écoulement de l'eau au long d'une dénivellation du sol. Elles sont composées de 3 éléments principaux :

• un barrage plus ou moins important : son rôle est, d’une part, de créer une chute d’eau pour faire tourner les turbines, d’autre part, de stocker l’eau pour alimenter la centrale. Outre le barrage proprement dit, des conduites assurent le transport vers l’usine, particulièrement en montagne ;

• un canal de dérivation : il prélève l’eau dans son milieu naturel (rivière, lac) pour alimenter le réservoir du barrage. Il peut s’agir d’un canal à ciel ouvert, d’une galerie souterraine ou d’une conduite ;

• une usine : elle comprend des turbines qui tournent grâce à la chute d’eau et entraînent le générateur d’électricité (en général, un alternateur).

On peut les classer selon trois types de fonctionnement, déterminant un service différent pour le système électrique. Ce classement se fait en fonction de la constante de vidage, qui correspond au temps théorique qui serait nécessaire pour vider la réserve en turbinant à la puissance maximale.

Les centrales au fil de l'eau ont une constante de vidage généralement inférieure à 2 heures. Principalement installées dans des zones de plaines, elles présentent des retenues de faible hauteur.

Hydraulique

L’hydraulique


Elles utilisent le débit du fleuve tel qu'il se présente, sans capacité significative de modulation par stockage. Elles fournissent une énergie en base très peu coûteuse. Elles sont typiques des aménagements réalisés sur les fleuves importants comme le Rhône et le Rhin.

Les centrales éclusées ont une constante de vidage comprise entre 2 et 200 heures. Elles présentent des lacs plus importants, leur permettant une modulation dans la journée voire la semaine. Leur gestion permet de suivre la variation de la consommation sur ces horizons de temps (pics de consommation du matin et du soir, différence entre jours ouvrés et week end...). Elles sont typiques des aménagements réalisés en moyenne montagne.

Les centrales-lacs (ou centrales-réservoirs) ont une constante de vidage supérieure à 200 heures. Elles correspondent aux ouvrages présentant les réservoirs les plus importants. Ceux-ci permettent un stockage saisonnier de l'eau et une modulation de la production pour passer les pics de consommation électrique comme en hiver lors des grands froids. Ces centrales sont typiques des aménagements réalisés en moyenne et haute montagne.

De plus, on distingue les installations en fonction de leur puissance. En Europe, c’est le seuil de puissance de 10 mégawatts (MW) qui délimite la petite de la grande centrale hydroélectrique. Loin de s’exclure, ces deux catégories d’installation sont complémentaires. Si les grands barrages font l’essentiel de la production électrique de la filière qui sera distribuée par le réseau national de transport du courant, les petites centrales, très décentralisées, sont plus proches des consommateurs. Elles évitent ainsi le transport de l’électricité sur de grandes distances, ce qui contribue à limiter les pertes sur le réseau. La France possède le 2ème parc européen, derrière l’Italie, de petites centrales hydroélectriques totalisant une puissance de 2082 MW en 2009.

Les stations de transfert d'énergie par pompage(STEP), en plus de produire de l'énergie à partir de l'écoulement naturel, comportent un mode pompage. L'électricité ne se stocke pas, tout surplus d'offre par rapport à la demande est donc perdu.

En revanche, l'eau peut se stocker dans des bassins de retenue ou des lacs réservoirs, c'est la propriété qu'utilisent ces centrales. Elles sont donc particulièrement utiles pour équilibrer les réseaux de transport et de distribution d'électricité gérés en France par RTE et par ERDF.

Ces centrales possèdent deux bassins, un bassin supérieur et un bassin inférieur entre lesquels est placée une machine hydroélectrique réversible : la partie hydraulique peut fonctionner aussi bien en pompe qu'en turbine et la partie électrique aussi bien en moteur qu'en alternateur (machine synchrone). En mode accumulation, la machine consomme l'électricité produite par d'autres centrales pour remonter l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur et, en mode production, la machine convertit l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau en électricité. Elle fonctionne alors comme une centrale hydroélectrique gravitaire.

Les STEP consomment toutefois plus d'électricitépour pomper l'eau dans les bassins supérieurs qu'elles n'en retirent lors de la chute de l'eau. L'électricité consommée en mode accumulation se retrouve réinjectée au moment opportun dans les réseaux à hauteur de 70-80%. Ce type de centrale présente un intérêt économique lorsque les coûts marginaux de production varient significativement sur une période de temps donnée (le jour, la semaine, la saison, l'année...). Elles permettent en effet de stocker de l'énergie gravitaire, dans les périodes où ces coûts sont bas, pour en disposer dans les périodes où ils sont élevés.

L'intérêt des STEP dépend également du mix énergétique prévalant dans la production d'électricité locale. Si la production d'électricité est majoritairement assurée par des centrales au gaz très flexibles et capables de produire à la demande, les STEP présentent peu d'intérêt. En revanche, si la production d'électricité est majoritairement assurée par des sources de production d'électricitéen base peu flexibles et peu modulables (nucléaire, hydroélectrique au fil de l'eau), comme c'est le cas en France, les STEP sont un excellent moyen d'utiliser des quantités d'électricité qui pourraient être perdues.

La STEP la plus connue en France se trouve dans la vallée de l'Eau d'Olle (dans les Alpes), et relie le lac du Verney (retenue aval) au barrage de Grand'Maison (retenue amont).

Le parc hydraulique français bouge peu depuis plusieurs années. Dans la grande hydraulique, les sites potentiels étant tous exploités, les évolutions du parc ne peuvent être observées que grâce à la rénovation des centrales.

Hydraulique


Depuis 2006, la petite hydraulique a également très peu évolué. Partout dans le monde, plusieurs moyens sont ainsi envisageables pour développer la production :

• renforcer les installations hydro-électriques de 10 à50 MW du parc existant, par l’ajout de nouvelles turbines par exemple ;

• construire de nouveaux barrages quand cela est possible ;

• développer la petite hydroélectricité (PHE), c’est-à-dire les unités de 0,1 à 10 MW ;

• rénover les anciens moulins à eau (pico-hydraulique, puissance entre 10 et 100 kW) déjàinstallés, nombreux étant les projets en cours ou achevés.

Les usines marémotrices (au sens large) utilisent l’ensemble des énergies renouvelables produites grâce au milieu marin. Les sources exploitables sont nombreuses et nécessitent chacune des technologies très spécifiques. On distingue cinq flux d’énergie différents.

Les courants de marées représentent une source d’énergie marine appelée à un développement rapide car ces courants sont concentrés, proches de côtes et hautement prévisibles. Le système de barrage marémoteur exploite les variations du niveau de la mer pour produire de l’électricité. Ce type de centrale hydroélectrique nécessite un site approprié (baie ou estuaire) où les amplitudes des marées sont importantes. Un barrage est établi en travers du site (baie ou estuaire), un bassin est donc formé. L’usine marémotrice fonctionne ensuite sur le principe des vases communicants. Deux cycles d’exploitation sont possibles : le simple ou le double effet. Ce choix est fait en fonction de la hauteur d’eau disponible ainsi que des prévisions de marnage (différence entre la haute-mer et la basse-mer) afin d’obtenir un rendement optimal.

Le fonctionnement en cycle simple effet est le suivant. A marée montante, le barrage est ouvert grâce à des vannes, il laisse passer la mer qui envahit le bassin de retenue.

Le bassin se remplit jusqu’à atteindre son plus haut niveau et dès que la marée se prépare àredescendre, le barrage est fermé. A marée descendante, il faut attendre que le niveau de la mer ait suffisamment baissé.

On laisse alors l’eau stockée dans le bassin se déverser dans la mer en entraînant des turbines hydroélectriques.

Le fonctionnement en cycle double effet nécessite des turbines réversibles qui peuvent fonctionner dans les deux sens. A marée montante, les vannes sont fermées. Une fois que le bassin a atteint son plus bas niveau et la mer son niveau optimal, les vannes sont ouvertes : le bassin se remplit et la hauteur de chute importante permet de générer de l’énergie. A marée descendante, le fonctionnement est identique au cycle simple effet : l’eau stockée dans le bassin se déverse dans la mer en entraînant des turbines hydroélectriques.

Quel que soit le cycle de fonctionnement, un système de pompage peut être activé pour augmenter le niveau du bassin. Cela permet d’amplifier et d’anticiper la production en fonction des besoins en électricité du réseau. Lorsque le niveau de la mer et celui du bassin sont très proches, le remplissage de ce dernier est accélérépar le pompage. Ce supplément permet d’augmenter le volume d’eau du bassin et ainsi d’augmenter le temps d’exploitation de l’usine et le rendement de l’usine.

Le système de barrage marémoteur a étéessentiellement mis en œuvre sur l’installation de la Rance, inaugurée en 1966 entre Saint-Malo et Dinard. Il comporte 24 turbines ayant une puissance de 10 MW, soit une puissance totale de 240 MW ce qui en fait le plus grand site de production d’énergies marines au monde.

Les hydroliennes à axe horizontal ou vertical sont des générateurs électriques associés à une hélice sous-marine (des sortes d’éoliennes sous-marines). Elles peuvent utiliser les courants de marées pour produire de l’électricité. D’autres formes de technologie sont aussi testées comme les ailes planes battantes ou oscillantes, ainsi que les roues à aubes flottantes.

L'énergie des vagues (ou force houlomotrice) offre une importante ressource brute en énergie. Il existe plusieurs types de dispositifs pour récupérer l'énergie des vagues.

Les colonnes d'eau oscillantes côtières recueillent les vagues en fin de course. L'eau entre dans un caisson où elle comprime de l'air aspiré quand la mer se retire. Cet air comprimé fait alors tourner une turbine qui entraîne un générateur électrique.

Hydraulique


Les colonnes d'eau oscillantes immergées sont des bouées sous-marines en mouvement qui montent, descendent et tanguent au gré des vagues. Ancrées dans les fonds marins, leur mouvement actionne un piston, aspire de l'eau de mer dans une turbine ou comprime de l'air ou de l'huile qui va faire tourner un moteur et entraîner un générateur d'électricité.

Les débordements de chenal consistent à faire s'engouffrer les vagues dans un chenal qui se rétrécit de plus en plus. Les vagues enflent et débordent par-dessus la digue d'un réservoir qui se remplit peu à peu. L'eau du réservoir revient à la mer en passant par une turbine qu'elle fait tourner. Le réservoir peut se trouver sur la côte ou plus loin, sur une plateforme à déferlement flottante.

Les caissons flottants, reliés entre eux par des charnières articulées, sont déplacés par les vagues selon leurs mouvements. L'énergie est récupérée au niveau des articulations mobiles entre chaque caisson grâce à des pistons actionnant des pompes à huile sous pression.

Le développement technologique de l'énergie houlomotrice se poursuit depuis plus de 20 ans. Encore peu présente en France, elle se développe dans plusieurs pays européens (en Ecosse ou au Portugal par exemple) qui utilisent déjà unedeuxième génération d'outils en off-shore.

L’énergie des courants océaniques, comme pour celle des courants de marées, pourra être récupérée en plaçant une hélice, une aile plane oscillante ou d’autres systèmes dans le flux de déplacement d’eau. Toutefois il existe peu de projets, car les courants océaniques sont lents : le Gulf Stream se déplace à environ 1 mètre par seconde (m/s) alors que les hydroliennes étudiées pour les courants de marées nécessitent des vitesses de 2 à 3 m/s.

L’énergie thermique est l’une des premières exploitations énergétiques de l’océan, avec un premier projet français mis en œuvre en 1935. Le principe est toujours utilisé aux États-Unis, en Inde et au Japon, pays les plus avancés dans la recherche sur le sujet.

L’énergie thermique des mers est l’exploitation d’une différence de température de 20 °C entre l’eau située environ à 1 000 mètres de profondeur et l’eau située en surface, réchauffée par le rayonnement solaire. Il faut en pratique une température de surface de 24 °C, des conditions que l’on rencontre principalement en zone intertropicale et plus particulièrement dans le Pacifique.

Les centrales à cycle fermé utilisent de l’ammoniaque comme fluide caloporteur qui, porté à24 °C, se vaporise et entraîne une turbine électrique. L’eau de mer puisée dans les profondeurs sert à refroidir le fluide qui sera réintroduit dans le circuit. Une partie de l’énergie produite est utilisée pour le pompage. Le bilan environnemental est, semble-t-il, positif, puisque le pompage d’eau froide reproduit le mouvement naturel de “upwelling” qui fait localement remonter les eaux profondes, riches en nutriments, et stimule ainsi l’activité biologique.

L’exploitation de la pression osmotique nécessite de l’eau douce pour tirer parti de la différence de salinité avec l’eau de mer, en disposant une membrane entre les deux. Le phénomène d’osmose va instantanément tenter de rééquilibrer la salinitédes masses d’eau et créer un flux à travers la membrane, de l’eau douce vers l’eau salée pour la diluer. Ce flux provoque une surpression hydrostatique (côté eau salée) susceptible d’entraîner une turbine électrique. La membrane est l’élément clé du système et une production de 4 W/m² est nécessaire pour envisager la construction de centrales permettant une génération électrique significative, de l’ordre de 70 kW pour une membrane de 120 x 150 m. Les estuaires sont les lieux d’implantation de prédilection des centrales osmotiques puisqu’on y trouve de l’eau salée et de l’eau douce. Les quelques projets sur le sujet sont encore peu avancés.

Hormis la construction des dispositifs, l’exploitation des énergies marines pose des problèmes comme la corrosion des matériaux par l'eau de mer, les contraintes environnementales, le besoin d'un accès pour la maintenance ou la connexion au réseau électrique.

Selon EDF, le potentiel français techniquement exploitable est de 5 à 14 TWh par an, soit une puissance installée de 2,5 à 3,5 GW. Parmi les projets, la société quimpéroise Sabella s’est démarquée en 2008 en immergeant quelques mois le premier prototype français d’hydrolienne. 2012 voit l’île d’Ouessant se doter d’une hydrolienne pour résoudre son approvisionnement énergétique, coûteux en raison de son isolement. A terme, cette hydrolienne, baptisée Sabella D10, couvrira 40 % de la consommation énergétique de l’île.

Hydraulique


Le Soleil est l’étoile centrale de notre système solaire qui comporte 8 planètes, des planètes naines (dont Pluton), des comètes et des astéroïdes ainsi qu’une bande de poussière.

C’est dans le cœur du Soleil que se produisent les réactions thermonucléaires qui transforment l’hydrogène en hélium : c’est la fusion nucléaire.

Les panneaux solaires photovoltaïques

Un panneau solaire photovoltaïque est constituéd’un ensemble de cellules photovoltaïques. Chaque cellule photovoltaïque est constituée de semi-conducteurs, principalement à base de silicium. Sous l’effet de la lumière, ces composants électroniques vont produire de l’électricité : c’est l’effet photoélectrique.

L'effet photoélectrique a été présenté dès 1839 par Antoine Becquerel. Son expérience permettait d'observer le comportement électrique d'électrodes immergées dans un liquide, modifié par un éclairage. Son principe a été compris et présentéen 1887 par Heinrich Rudolf Hertz. Albert Einstein fut le premier, en 1905, à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière, appelé aujourd'hui photon. Cette découverte lui valut le prix Nobel de physique en 1921.

Solaire

Le solaire

Gisement solaire en France (source ADEME)

La totalité de l’énergie qui y est produite doit traverser de nombreuses couches successives jusqu’à la photosphère, avant de s’échapper dans l’espace sous forme de rayonnement solaire : lumière visible, U.V. pour ne citer que les plus connus.

Sur Terre, le Soleil fournit donc un travail rayonnant et de la chaleur (travail thermique). Ils varient selon la zone du globe, la saison, la nébulosité du jour, …

Une cellule photovoltaïque est donc un générateur électrique de tension continue qui convertit le travail rayonnant en travail électrique avec un rendement de 10 à 20 %. Chaque cellule ne génère qu’une petite quantité d’électricité. Assemblées en série et en parallèle, elles fournissent une tension et un courant électrique : on obtient ainsi des modules photovoltaïques. Ce sont eux qui sont commercialisés. Le matériau utilisé étant très fragile, il est nécessaire de le protéger des chocs par un verre transparent et solide. Les enveloppes employées actuellement sont étudiées pour résister de vingt à trente ans aux agressions de l’environnement. Les modules ont en général une forme rectangulaire et quelques millimètres ou plus d’épaisseur. Leur surface varie entre quelques centimètres carrés et trois mètres carrés. Un module laminé en verre (type le plus courant) de 1 m² pèse environ 10 kg.


Il sert à transformer le courant continu produit par les modules en courant alternatif identique à celui du réseau. Il coupe également le courant venant de votre installation si le réseau est mis hors tension : cette précaution assure la sécurité du personnel d’intervention. Sa durée de vie est d’une dizaine d’années.

Solaire

Un type de cellule photovoltaïque au silicium crist allin (source ADEME)

L’énergie réellement captée par un module dépend de la surface, de la puissance nominale du panneau, de son orientation et de son

Suivant le branchement électrique des cellules, la tension continue délivrée est comprise entre 10 et 100 volts. Une tension continue convient parfaitement pour de nombreuses applications notamment pour le stockage de l’énergie dans une batterie. Cependant, pour l’injecter dans le réseau de distribution (utilisation dans l’habitat ou revente), un onduleur doit être installé.

inclinaison mais aussi de l’ensoleillement, variable selon la latitude, la saison, l’heure de la journée, la météo, le masquage subi, etc.

Département Education Futuroscope 25 Solaire

Les panneaux solaires thermiques

L’énergie solaire peut servir à chauffer votre eau sanitaire grâce à un chauffe-eau solaire individuel (CESI), mais aussi alimenter un système ayant la double fonction de chauffage et de production d’eau chaude : le système solaire combiné (SSC), aussi appelé “combi”. D’une façon générale, un chauffe-eau solaire couvre entre 40 et 80 % des besoins en eau chaude, et un SSC de 25 à 60 % des besoins en chauffage et en eau chaude.

La production d’eau chaude à l’aide de capteurs solaires est possible partout en France. Cependant, suivant la région, la surface des capteurs sera différente pour produire la même quantité d’eau chaude.

Le tableau indicatif ci-dessous prend pour base de calcul une consommation journalière par personne de 50 litres d’eau chaude à 45 °C et

une couverture des besoins par le solaire comprise entre 50 et 70 %.


Ci-contre : le schéma de principe de fonctionnement d’un chauffe-eau solaire à

éléments séparés avec chauffage d’appoint.

Le capteur solaire (1) est en général placé sur un toit. Il comprend :

• une plaque et des tubes métalliques noirs. Ils constituent l’absorbeur. C’est le cœur du« système solaire » qui reçoit le rayonnement solaire et s’échauffe ;

• un coffre rigide et thermiquement isolé entourant l’absorbeur. Sa partie supérieure, vitrée, laisse pénétrer le Soleil et retient la chaleur comme une petite serre.

Le circuit primaire (2) a pour rôle de transporter la chaleur. Il est étanche et calorifugé (principe du thermos). Il contient de l’eau additionnée d’antigel qui s’échauffe en passant dans les tubes du capteur, et se dirige vers un ballon de stockage.

La chaleur est restituée grâce à un échangeur thermique (serpentin), il cède ses calories solaires à l’eau sanitaire (3). Le liquide caloporteur, refroidi, repart vers le capteur (4) où il est chaufféà nouveau tant que l’ensoleillement reste efficace.

Le ballon solaire (5) est une cuve métallique bien isolée. Il constitue la réserve d’eau sanitaire. L’eau chaude soutirée est remplacée immédiatement par la même quantité d’eau froide du réseau (6),réchauffée à son tour par le liquide caloporteur du circuit primaire. Il faut choisir un ballon dont le volume suffit à vos besoins habituels : un ballon trop gros amènerait à une sur-dépense de réchauffage par l’appoint, à longueur d’année.

La circulation du liquide peut être naturelle ou forcée :

• dans le premier cas, le liquide caloporteur circule grâce à sa différence de densité avec l’eau du ballon. Tant qu’il est plus chaud, donc moins dense qu’elle, il s’élève naturellement par thermo-circulation. Le ballon doit être placé plus haut que les capteurs. Les chauffe-eau solaires « en thermosiphon » sont conçus sur ce principe ;

• dans le second cas, une petite pompe électrique, le circulateur (7), met en mouvement le liquide caloporteur quand il est plus chaud que l’eau sanitaire du ballon. Son fonctionnement est commandé par un dispositif de régulation (8)jouant sur les écarts de températures : si la sonde

du ballon (10) est plus chaude que celle du capteur (9), la régulation coupe le circulateur. Sinon, le circulateur est remis en route et le liquide primaire réchauffe l’eau sanitaire du ballon.

Partout en métropole, on doit faire face à des périodes défavorables (hiver, demi-saison, longue période de mauvais temps). L’énergie solaire ne peut alors assurer la totalité de la production d’eau chaude. Aussi, le ballon est équipé d’un dispositif d’appoint qui prend le relais en cas de besoin et reconstitue le stock d’eau chaude. Il peut s’agir :

• d’une résistance (appoint électrique), souvent placée à mi-hauteur du ballon solaire ;

• d’un échangeur (11) (appoint hydraulique) raccordé à une chaudière (12) (gaz, fioul, bois) située en aval du ballon.

Un second ballon pourvu d’un réchauffeur électrique peut également servir d’appoint.


Les centrales solaires à concentration

La concentration optique des rayons du Soleil permet d’obtenir de très hautes températures. Selon les différentes technologies de captage, la chaleur produite est généralement comprise entre 400 °C et 1 000 °C. On distingue deux usages principaux :

• la production de chaleur (thermique), • la production d’électricité (thermodynamique).

Dans leur principe, les concentrateurs optiques superposent en un même point des rayons solaires collectés sur une surface de captage, le plus souvent formée de miroirs. Différentes géométries de concentrateurs ont étéexpérimentées. Ils sont dotés de dispositifs de suivi de la course du Soleil, en hauteur ou en hauteur et en azimut.

Dans les centrales solaires à concentration, on peut produire de grandes quantités d’électricité. Cette filière, promue dans les années 1970, a étédélaissée à la suite du contre-choc pétrolier de 1986. Aujourd’hui, elle intéresse à nouveau les industriels, les investisseurs et les compagnies électriques, car elle est source de kilowattheures propres et participe ainsi à la lutte contre l’effet de serre. En concentrant l’énergie solaire, on obtient une température très élevée qui permet de produire de la vapeur. En faisant tourner une turbine, la vapeur génère de l’électricité destinée au réseau de distribution général : c’est l’héliothermodynamique.

La France s’était trouvée à la pointe du secteur dans les années 1980 avec la mise en service de Thémis à Targassonne dans les Pyrénées-Orientales. Il s’agissait d’une centrale à tour d’une puissance de 2 500 kilowatts (kW).

Il existe quatre technologies différentes pour faire passer le fluide à l’état de vapeur.

• Les centrales à tour. Des centaines ou milliers d’héliostats (miroirs plans de plusieurs dizaines de mètres carrés chacun) sur pied suivent le Soleil et concentrent le rayonnement sur un récepteur central placé en haut d’une tour. Le Soleil est concentré plus de 500 fois et la température obtenue dépasse les 600 °C.

• Les centrales à capteurs paraboliques. Les rayonnements solaires réfléchis par le miroir en forme d’assiette convergent vers un seul point, le foyer de la parabole. Le système doit être orienté àtout instant vers le Soleil, ce qui implique une motorisation précise selon deux axes. Le Soleil est concentré plus d’un millier des fois et la température obtenue dépasse les 700 °C.

• Les centrales à capteurs cylindro-paraboliques. Ces miroirs en forme d’auge concentrent les rayons du Soleil vers une ligne focale. Le récepteur est un tube placé sur ce foyer linéaire et dans lequel circule un fluide caloporteur. L’avantage de ces miroirs paraboliques réside dans la simplification du suivi du Soleil : il s’effectue sur un seul axe au lieu de deux pour les héliostats. La concentration est modeste, de 20 à 80 fois le rayonnement.

• Les centrales à réflecteurs de Fresnel. Il s’agit d’une variante des concentrateurs cylindro-paraboliques puisque les réflecteurs sont composés d’une série de lames de miroirs mobiles

L'inconvénient des centrales solaires àconcentration est qu'elles ne peuvent pas produire d'électricité la nuit. Il y a deux solutions pour palier àce problème :

• soit une partie de la chaleur apportée par le circuit primaire pendant les heures d'ensoleillement est stockée afin de l'utiliser pendant la nuit,

• soit on utilise un carburant conventionnel comme le gaz pour prendre le relais du Soleil dans son absence.

La centrale Solar Tres construite près de Séville au sud de l'Espagne a pu démontrer que le stockage de la chaleur dans des sels de nitrate fondus permettait de continuer la production d'électricitélors du passage de nuages et pendant une partie de la nuit.


Les centrales solaires à effet de cheminée

La surface de captage solaire est formée d'une couverture transparente tenue à une certaine hauteur du sol, créant une serre ouverte à la périphérie mais attachée à une cheminée au centre. L'air dans la serre est chauffé par le soleil, devient plus léger et monte vers la cheminée. Le tirage thermique ou "effet de cheminée" induit une dépression et aspire l'air de l'extérieur à travers la surface de captage.

La vitesse du mouvement de l'air est déterminée par la différence de température entre la partie basse et la partie haute de la cheminée et de sa hauteur. L'effet de cheminée peut fonctionner 24 heures sur 24, à cause de la chaleur dans la serre due au rayonnement solaire pendant la journée et due au rayonnement de la chaleur emmagasinée dans le sol, pendant la nuit.

L'électricité est produite quand l'air montant passe à travers des turbines des générateurs àl'entrée de la cheminée.

Un prototype de tour solaire est implanté àManzanares, en Espagne. Inventée par l’ingénieur allemand Jörg Schlaich, cette première tour solaire de 195 m de haut a étéconstruite en 1982. Sa puissance est de 50 kilowatts (kW). Le prototype a fonctionnépendant 7 ans. Son arrêt est dû au coût du kilowattheure qui n'était pas compétitif. La surface de la serre au pied de la cheminée mesure près de 46.000 m².


Depuis près de 4 000 ans, l’Homme a appris àutiliser l’énergie éolienne. Les Phéniciens semblent être le premier peuple à avoir utilisé la force du vent pour propulser leurs navires de guerre ainsi que leurs embarcations marchandes à l’aide de voiles.

Plusieurs siècles après, les moulins à vent apparaissent en Orient, en Égypte antique et en Iran. Ils permettent de convertir l'énergie éolienne en énergie mécanique. Elle est généralement utilisée pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier ou relever de l'eau comme en Perse dès l'an 600. De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail.

C’est à la fin du XIXème siècle que les premiers aérogénérateurs (éoliennes produisant directement de l’électricité) sont apparus. En 1888, l’américain Charles F. Brush a construit une grande éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs. La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité a été mise au point par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il créa l'éolienne Lykkegard, dont il vendit soixante-douze exemplaires en 1908.

Le fonctionnement d’un aérogénérateur est simple et s’inspire de la technologie des moulins à vent.

La machine est constituée d’un rotor à 2 ou 3 pales, d’un système de transmission mécanique directe ou à multiplicateur et de circuits de gestion du courant (régulateur, onduleur, etc., selon le type de machine). L’ensemble se trouve dans la nacelle posée sur le mât de l’éolienne. Un anémomètre et une girouette déterminent respectivement la vitesse du vent et la direction, et communiquent ses informations à un système de contrôle électronique. Un moteur électrique permet d’orienter la partie supérieure afin qu’elle soit toujours face au vent. Le vent fait tourner les pales entre 10 et 25 tours par minute. La vitesse de rotation des pales est fonction de la taille de celles-ci. Plus les pales seront grandes, moins elles tourneront rapidement. Les éoliennes fonctionnent pour des vitesses de vent comprises entre 11 et 90 km/h. Au-delà, elles s’arrêtent pour des raisons de sécurité.

La production électrique varie selon la vitesse du vent. C’est avec des vents de 45 à 90 km/h que l’éolienne produit sa puissance maximale.La plupart des générateurs ont besoin de tourner àgrande vitesse (de 1 000 à 2 000 tours par minute) pour produire de l’électricité. Ainsi, le multiplicateura pour rôle d’accélérer le mouvement lent des pales. L’électricité produite par le générateur a une tension d’environ 690 volts (V). Ne pouvant pas être utilisée directement, elle est traitée grâce à un convertisseur, et sa tension est augmentée à 20 000 V. Elle est alors injectée dans le réseau électrique et peut être distribuée aux consommateurs.

Tous les éléments d’un aérogénérateur font appel àce que la technologie offre d’aujourd’hui de mieux. Ainsi les pales ont des profils et des matériaux issus de l’aéronautique. Quant aux parties électriques, leur rendement avoisine souvent 100 %, les pertes étant plutôt d’origine mécanique (frottements, rendements des engrenages, etc.). Globalement, les aérogénérateurs sont des machines qui affichent un bon rendement, puisqu’elles sont en mesure de transformer en électricité 30 à 50 % de l’énergie du vent.

Eolien

L’éolien

Schéma d’une éolienne ©ADEME


Les éoliennes couramment installées aujourd’hui ont une puissance entre 1,5 et 3 mégawatts (MW). Une machine de 2 MW a un rotor de 70 à 90 m de diamètre et la nacelle est perchée sur un mât de 60 à 100 m de hauteur. La pointe d’une pale atteint une hauteur maximale entre 100 et 140 m au-dessus du sol. Les machines de demain seront encore plus puissantes. Quelques éoliennes de 4,5 MW, 5 MW et 6 MW sont déjà installées, en Allemagne notamment.

Les éoliennes récentes sont peu bruyantes, et des études n’ont pas montré d’impact particulier du bruit sur les riverains des parcs éoliens. Les machines font l’objet de perfectionnements techniques constants pour réduire encore le bruit : diminution de la vitesse de rotation des pales, engrenages de précision silencieux, montage des arbres de transmission sur amortisseurs, capitonnage de la nacelle.

L’énergie éolienne favorise le respect de l’environnement durant tout son cycle de vie(fabrication, utilisation, fin de vie). La fabrication des éoliennes nécessite bien sûr de l’énergie, mais l’énergie utilisée est restituée en quelques mois quand l’éolienne est en service. Lors de leur utilisation, les éoliennes qui utilisent uniquement l’énergie du vent, ne rejettent aucun gaz à effet de serre. Lors de la fin de vie d’un parc éolien, un site peut être démantelé à tout moment et en quelques jours, assurant une totale remise en état du site. Les matériaux utilisés pour la fabrication étant recyclables, ils peuvent servir pour la production d’autres objets.

Il est important de bien choisir le terrain en fonction de ses ressources éoliennes (force et régularité du vent). Il faut savoir qu’une éolienne ne fonctionne pas toute l’année à sa puissance nominale (maximale). On définit ainsi le facteur de capacitéqui est l’énergie réelle produite dans un an divisée par la production théorique de l'éolienne si elle fonctionnait à sa puissance nominale pendant un an, soit 8766 heures. Ce facteur est le plus souvent entre 25 % et 30 %.

En effet, la production électrique dépend des vents qui ne sont pas constants sur l’année. Il vente plus en hiver qu’en été, le vent est également plus fort le jour que la nuit. C’est pourquoi, pour envisager l’installation d’une éolienne, la vitesse moyenne annuelle du vent doit être supérieure à 15 km/h. Ceci représente une vitesse minimale d’opération, mais on souhaite généralement une vitesse d’environ 45 km/h. Pour des raisons de sécurité, il faut toutefois éviter de placer des éoliennes là où les vents sont souvent forts. Par ailleurs, le terrain autour de l’éolienne doit être dégagé afin de ne pas perturber les courants d’air. De plus, les vents existants entre les cols, au sommet d’une colline ou proche de la mer, permettent d’obtenir les meilleures performances d’une éolienne. Il faut également tenir compte des possibilités pour raccorder l’éolienne au réseau si nécessaire car l’ajout de nouvelles lignes de transport d’électricitéest très coûteux. Il faut également évaluer tous les effets que peut entraîner une telle installation sur la faune, la flore et la population humaine dans le voisinage.

Eolien

Echelle du bruit (en dB) ©ADEME


La France bénéficie d’un gisement éolien important, le deuxième en Europe après les Iles britanniques. Les régions ventées sont celles indiquées en bleu sur le schéma.

L’énergie éolienne est, parmi les énergies renouvelables, l'une de celles sur laquelle la France mise beaucoup. Elle est considérée comme une des énergies renouvelables ayant le meilleur potentiel de développement à court terme. Si en 2010, l’énergie éolienne contribuait à hauteur de 1,6 % àla production électrique nationale, pour 2020, il est prévu qu’elle y contribue à hauteur de 10 %. Elle devrait donc produire autant d’électricité que l’hydraulique. La France s’est fixé comme objectif d’avoir une puissance totale installée de 25 000 MW dont 6 000 MW en mer d’ici à 2020.

L’éolien en mer (ou off-shore) est un enjeu important pour le secteur français qui, jusqu’àprésent, ne compte aucun site. En mer, les vents sont “purs” (importants et réguliers) et on sait bien gérer les problèmes d’installation et de maintenance, grâce à l’expérience acquise avec les plates-formes pétrolières. De plus, on dispose d’espace pour installer des éoliennes puissantes en grand nombre : un parc off-shore peut rassembler plusieurs dizaines, voire centaines d’éoliennes géantes. En 2010, le tarif d’achat de l’électricité pour ces types de projets n’était pas suffisamment élevépour permettre leur développement. En effet, l'installation d'éoliennes en mer est plus coûteuse que sur terre, car les mâts et les machines doivent résister à la force des vagues et à la corrosion des embruns, l'implantation en mer nécessite des engins spécialisés, le raccordement électrique implique des câbles sous-marins coûteux et fragiles et la maintenance peut être complexe. De plus, elles doivent être installées à plus de 30 km des côtes et à moins de 30 m de profondeur.

Eolien

3 352 éoliennes étaient installées en octobre 2010 soit une puissance éolienne installée totale de 5 322 mégawatts. Même si la part de l’éolien dans la production d’électricité en France est encore faible (1,6 % en 2010), sa progression est rapide et importante. Elle a augmenté de 38 % entre 2009 et 2010.

Le parc éolien le plus important est celui de Fruges dans le Pas-de-Calais. Il compte 70 éoliennes pour une puissance totale installée de 140 MW. Ce parc peut alimenter en électricité une population d’environ 126 000 habitants. La Picardie est la région qui possède la plus grande puissance éolienne installée en France.


La biomasse représente l’ensemble de la matière organique, qu’elle soit d’origine végétale ou animale. Elle peut être issue de forêts, milieux marins et aquatiques, haies, parcs et jardins, industries générant des co-produits, des déchets organiques ou des effluents d’élevage. Cette matière organique est la matière qui compose les êtres vivants et leurs résidus, ayant pour particularité d’être toujours composée de carbone (du bois aux feuilles en passant par la paille, les déchets alimentaires, le fumier…).

Dans le domaine de l'énergie, et plus particulièrement des bioénergies, le terme de biomasse désigne l'ensemble des matières organiques d'origine végétale (algues incluses), animale ou fongique pouvant devenir source d'énergie par combustion (bois énergie ou biomasse solide), après méthanisation (biogaz) ou après de nouvelles transformations chimiques (biocarburant).

La biomasse est utilisée par l'Homme depuis qu'il maîtrise le feu. Elle reste la première énergie renouvelable utilisée dans le monde, pour le chauffage et la cuisson surtout, mais essentiellement dans les pays peu industrialisés. L'énergie tirée de la biomasse intéresse à nouveau les pays riches confrontés au dérèglement climatique et à la perspective d'une crise des ressources en hydrocarbures fossiles. C'est une filière en développement rapide, y compris sous des formes industrielles avec les biocarburants et le bois énergie à usage industriel.

La biomasse est aujourd'hui, de loin, la première énergie renouvelable en France : en 2009, la France a produit 13 742 ktep (kilotonne d’équivalent pétrole) à partir de biomasse contre 4 913 ktep pour l’hydraulique et seulement 692 ktep pour l’éolien et 67 ktep pour le solaire. Cette filière est en développement rapide.

L'énergie tirée de la biomasse est considérée comme une énergie renouvelable et soutenable tant qu'il n'y a pas surexploitation de la ressource, mise en péril de la fertilité du sol, de compétition excessive d'usages (des terres arables, de l'eau), ni d'impacts excessifs sur la biodiversité, etc.

La biomasse dégage très peu de gaz à effet de serre. Bien sûr, tout comme le charbon ou le pétrole, lorsque des éléments de la biomasse brûlent, cela dégage du dioxyde de carbone (CO2),

le principal gaz responsable du réchauffement planétaire. La différence, c'est que la biomasse ne fait pas qu’émettre du dioxyde de carbone, elle en a stocké aussi… en poussant !

Les plantes sont en effet les plus efficaces des usines chimiques. Elles sont capables de transformer le dioxyde de carbone de l'air, la lumière du soleil et l'eau en énergie et en dioxygène grâce à une réaction chimique : la photosynthèse. Ce mécanisme permet aux plantes de grandir, mais également participe au quotidien à lutter contre le réchauffement en fixant le dioxyde de carbone et en rendant l'air respirable grâce à la production de dioxygène (O2). Par exemple, chaque tonne de bois poussée équivaut ainsi à 0,5 tonne de dioxyde de carbone fixé !

Biomasse

La biomasse

Illustration : SER - http://www.mtaterre.fr/

La combustion restitue la même quantité de dioxyde de carbone qui a été absorbée durant la croissance de la plante. Emission et absorption de dioxyde de carbone sont donc très proches dans le temps ce qui permet un bilan équilibré et un impact sur l’environnement presque nul. Ce qui n’est pas le cas pour les énergies fossiles car le dioxyde de carbone est relâché plusieurs centaines de millions d'années après son absorption…


La biomasse solide (ou bois énergie) représente les matériaux d’origine biologique qui peuvent être employés comme combustible pour la production de chaleur ou d’électricité. Le combustible provient d’origines très variées. Ce sont principalement les ressources ligneuses (à base de lignine) d’origine forestière, agricole ou urbaine : le bois bûche, les granulés de bois, les déchets de bois sous forme de plaquette ou de sciure… Toutes les essences d’arbre peuvent convenir, feuillus ou résineux. Les peuplements non forestiers comme les parcs, les jardins, les bords de routes et les haies bocagères fournissent aussi du combustible. L’agriculture et le secteur agroalimentaire fournissent également des matières organiques cultivées à cette fin (céréales) ou des résidus (balles de riz, coquilles de noix…) utilisés pour la production d’énergie. Enfin, les liqueurs noires, issues de l’industrie papetière, et les déchets urbains solides renouvelables sont aussi considérés comme biomasse solide.

Actuellement, comme dans la plupart des pays européens, la surface boisée française augmente d’année en année. En France, la récolte annuelle de bois est inférieure à la production biologique de la forêt (on ne récolte au plus que 60 % environ de ce qui pousse chaque année). Le développement de la filière biomasse solide ne contribue donc pas à la déforestation. Et, comparé aux énergies fossiles, la durée de reconstitution du bois est de loin la plus rapide : de 15 à 200 ans contre 250 à 300 millions d’années pour le charbon, et 100 à 450 millions d’années pour le pétrole. L'utilisation de 4 tonnes de bois comme énergie permet d'économiser 1 tonne d’équivalent pétrole (tep) (c'est-à-dire la chaleur que produirait la combustion d’une tonne de pétrole) et d'éviter l'émission de 1,5 à 2,5 tonnes de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

La biomasse solide se prête mieux à la production de chaleur pour le chauffage, la production de vapeur pour des procédés industriels, le séchage…Quand on parle de « chauffage au bois », on pense souvent à un joli feu de cheminée qui permet un chauffage d’appoint.

Des poêles ou des chaudières à granulés ou plaquettes de bois, par exemple, permettent aujourd’hui de chauffer une maison entièrement avec du bois. Cependant, pour que ce type de chauffage soit efficace et intéressant au point de vue environnemental, il faut que le combustible (le bois) soit sec et la combustion de bonne qualité. En effet, le bois, s’il n’est pas de bonne qualité (humide ou traité par exemple) peut émettre des polluants,

favorisant ainsi la pollution atmosphérique. Une mauvaise combustion entraîne également des émissions de polluants et de poussières et un mauvais rendement de l'appareil de chauffage (la combustion ne dégage pas assez de chaleur).

Il est aussi possible de produire de l’électricité : la vapeur produite fait tourner des turbines qui génèrent du courant. Toutefois, la production d’électricité seule à partir de biomasse solide présente un rendement faible. Aussi, la cogénération est principalement utilisée pour produire de l’électricité en plus de la chaleur.

Les chaufferies à bois sont de véritables usines qui brûlent le bois pour produire de la chaleur et/ou de l’électricité. Elles comportent une chaudière et un silo de stockage du combustible (il s'agit le plus souvent de bois sous la forme de plaquettes ou de petits granulés car sous ces formes particulières, le bois peut être transporté jusqu’au foyer de la chaudière de façon automatique). Les fumées produites lors de la combustion sont évacuées par un conduit qui filtre les particules et enfin, un réseau de canalisations enterrées et isolées distribue la chaleur vers les différents bâtiments et/ou la turbine (pour produire de l'électricité). En France, une centaine de réseaux de chaleur, alimentés par une ou plusieurs chaufferies à bois, desservent des immeubles, des établissements scolaires et même des hôpitaux, des cliniques et des piscines.

Les usines d’incinération de déchets produisent de la chaleur à partir de nos déchets en les brûlant. Si l’incinérateur est à cogénération, on peut produire, àpartir des déchets, de la chaleur et/ou de l’électricité. Ainsi, cette technique est intéressante d'un point de vue environnemental sous plusieurs angles : � elle permet de tirer le meilleur parti du contenu énergétique des déchets en produisant de la chaleur susceptible d'alimenter un réseau de chaleur urbain et/ou d'être transformée en électricité.� elle permet de diminuer fortement le volume des déchets (90 % de réduction environ) et leur masse (70 % environ). � elle émet moins de gaz à effet de serre que le stockage, qui provoque inévitablement des fuites de méthane (CH4) qui est un puissant gaz à effet de serre issu de la dégradation des déchets organiques sans oxygène.

Biomasse


En 2008, en France, environ 28 % du volume des déchets ménagers était orienté vers l’incinération. On comptait 256 centres de stockage (décharges) en 2008, contre 303 en 2006. Les incinérateurs étaient au nombre de 129, dont 112 permettaient la récupération d'énergie (contre 266 en 1996, dont 90 avec récupération d'énergie). La diminution du nombre d’incinérateurs est due au remplacement des structures de faible capacité par des installations récentes capables de traiter des quantités de déchets plus importantes. De plus, le recyclage des déchets a progressé fortement du fait du développement de la collecte sélective, conséquence de l’ouverture au début des années 2000 de nombreuses déchetteries. La valorisation énergétique des déchets, sous forme d'électricité ou de chaleur, atteignait 12 000 GWh (gigawattheures). La majeure partie de l’énergie produite était utilisée sous forme de chaleur alimentant les réseaux de chauffage (68 % en 2008, contre 76 % en 2002). Le reste était valorisé sous forme d'électricité.

Aujourd’hui, près de 10 mégatonnes d’équivalent pétrole (Mtep) de biomasse solide sont utilisées pour la valorisation énergétique. Or, du fait de la faible performance du parc d’équipements français, cette consommation ne génère qu’une production de 5 Mtep d’énergie utile. Selon l’institut des bioénergies Itebe, les voies à développer sont la cogénération et les chaudières très performantes, qui permettent d’obtenir des rendements de 70 à85 %. À l’avenir, le potentiel de ressource en biomasse mobilisable pour une valorisation énergétique est de l’ordre de 20 Mtep, et le besoin énergétique total français s’élève à 100 Mtep. Selon l’option d’efficacité choisie, la biomasse pourrait donc couvrir jusqu’à 16 % des besoins français d’électricité et de chaleur.

Le biogaz est un gaz combustible. Le préfixe bio (vivant) indique sa provenance : ce sont les matières organiques, qui libèrent le biogaz lors de leur décomposition selon un processus de fermentation. On l’appelle aussi gaz naturel “renouvelable”, par opposition au gaz naturel d’origine fossile. Le biogaz se nomme encore “gaz de marais”, au fond duquel se décomposent des matières végétales et animales.

La fermentation est un phénomène de dégradation des substances organiques. Quand la fermentation se déroule en présence d’air, on la qualifie d’« aérobie » ; l’exemple le plus connu étant le compostage. En l’absence d’air, donc de dioxygène, la fermentation est dite « anaérobie ».

On parle alors de méthanisation. Naturelle ou contrôlée, elle met en jeu des bactéries qui contribuent à produire notamment du méthane, du dioxyde de carbone et du sulfure d’hydrogène (responsable des mauvaises odeurs). En pratique, on peut rendre la fermentation efficace à 95 % dans les usines de méthanisation, c’est-à-dire des enceintes fermées, dans lesquelles les déchets sont homogénéisés mécaniquement et ensemencés avec des micro-organismes appropriés.

Chimiquement, le biogaz se compose d’environ deux tiers de méthane (CH4) et d’un tiers de dioxyde de carbone (CO2). D’autres substances sont aussi présentes sous forme de traces (vapeur d’eau, azote, soufre, oxygène, éléments organo-halogénés) qui le rendent moins pur et plus corrosif que le gaz naturel fossile. Enfin, la composition du biogaz varie en fonction de la nature des déchets et des conditions de fermentation.

Nos sociétés de consommation génèrent de telles quantités de déchets que la nature ne peut seule “recycler” les tonnages de biogaz produits. Or le biogaz est composé pour deux tiers de méthane, un gaz qui engendre un effet de serre 21 fois plus puissant que le dioxyde de carbone. Il est donc primordial de le récupérer, une action à la fois dépolluante et génératrice d’énergie.

La méthanisation et l’utilisation du biogaz permettent à la fois de :� réduire le volume de déchets� récupérer l’énergie dégagée par la décomposition des déchets organiques pour produire de la chaleur et/ou de l’électricité (valorisation énergétique).� augmenter la part de production d’énergie renouvelable� réduire les émissions de gaz à effet de serre en valorisant le méthane dégagé lors de la décomposition des déchets et en équilibrant le bilan carbone (le dioxyde de carbone dégagé par la combustion du biogaz est compensé par celui absorbé par les végétaux lors de leur croissance).

Dans les centres de stockage des déchets (ou décharge d’ordures ménagères), les matières organiques contenues dans les déchets se dégradent et forment du biogaz. Sa production est inévitable, il est donc appelé biogaz "fatal". En l'absence d'une valorisation énergétique, les unités de stockage sont obligées de le brûler en torchère afin de le transformer en dioxyde de carbone, beaucoup moins nocif d’un point de vue climatique. En 2010, seulement 65 centres français de stockage de déchets sur environ 1 200 valorisaient le biogaz.

Biomasse


Les unités de méthanisation accélèrent le phénomène naturel de la méthanisation en plaçant la matière organique dans un digesteur. A l'intérieur, les microorganismes sont privés de dioxygène et il règne une température de 38 °C. Ils sont ainsi placés dans les conditions idéales pour favoriser leur développement, ils accélèrent la dégradation des déchets et produisent du biogaz. Selon les cas, les déchets mis dans des unités de méthanisation peuvent avoir des origines très variées : déchets verts et agricoles comme le lisier, la paille, la tonte de gazons, les déjections animales, les boues et les graisses des stations d’épuration mais également les déchets industriels (provenant des industries papetières, agro-alimentaires et pharmaceutiques). Après fermentation et extraction du biogaz, on extrait la matière restante, le digestat. Il ne dégage pas d’odeur et se présente sous forme de compost ou d’effluent liquide. Après un éventuel traitement, le digestat pourra être épandu pour fertiliser les terres agricoles. Alors que l'Allemagne, les Pays-Bas, la Suède, l'Autriche ou encore la Suisse injectent d'ores et déjà du biogaz dans leur réseau, la France de son côté tarde encore à donner son feu vert.

Si les conditions d'injection sont définies, les tarifs d'achat sont en attente. En octobre 2008, l'Afssetavait pourtant confirmé l'absence de risque lié àl'injection de biogaz épuré issu de déchets ménagers produits à partir de centre de stockage et pour celui qui est issu de digesteur de déchets non dangereux.

Le biogaz peut être utilisé dans le domaine des transports. Cependant, pour qu’il puisse être valorisé comme carburant, le biogaz doit subir plusieurs traitements afin d’obtenir la même qualitéque le gaz naturel pour véhicules (GNV) : épuration, concentration pour obtenir 96 % de méthane, compression… Du fait de ses conditions de distribution, le biogaz carburant a d’abord intéresséles flottes captives : plusieurs dizaines de véhicules utilitaires (bus, bennes à ordures…) fonctionnent d’ores et déjà au biogaz principalement en Suède. Les particuliers peuvent aussi rouler au biogaz, en Suisse notamment où l’industrie gazière et les producteurs de biogaz ont signé une convention qui prévoit l’obligation pour les stations-services de GNV de délivrer au moins 10 % de biogaz.

Biomasse

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Les biocarburants, parfois appelés agrocarburants, sont issus de la biomasse. Il existe principalement deux filières industrielles : l’éthanol et le biodiesel. Ils peuvent être utilisés purs comme au Brésil (éthanol) ou en Allemagne (biodiesel), ou comme additifs aux carburants classiques. La France a d’abord opté pour cette dernière solution, mais autorise depuis 2006 un pourcentage plus élevéd’éthanol en mélange (E85 = jusque 85 % d’éthanol dans le réservoir).

L’éthanol est le premier carburant d’origine végétale à avoir été utilisé. Il s'agit d'un alcool produit par la fermentation des sucres contenus dans les plantes

riches en sucre (betteraves, topinambours, canne àsucre...) ou en amidon (pomme de terre, céréales) ou en cellulose (bois, paille...). Il est produit en France à 70 % à partir de la betterave, et à 30 % àpartir de céréales. Il peut être utilisé en mélange direct dans l’essence, mais le choix fait par les pétroliers jusqu’en 2006 pour lui donner des propriétés plus adaptées à leur outil industriel consistait à le faire réagir avec de l’isobutylène (ou 2-méthylpropène), un dérivé du pétrole. Il forme alors l’ETBE (éthyl-tertio-butyl-éther), composé de 47 % de bio-éthanol et 53 % d’isobutylène. L’ETBE et l’éthanol pur se rencontrent maintenant tous deux dans les mélanges à la pompe.


Le biodiesel est connu en France sous son nom de marque Diester et est issu des graines oléagineuses (colza, tournesol). Après pressage et raffinage des graines, l’huile est mélangée avec du méthanol, afin de lui donner des propriétés proches du gazole (viscosité, stabilité, etc.). La réaction de 90 % d’huile avec 10 % de méthanol donne 10 % de glycérine et 90 % d’ester méthylique d’huiles végétales (EMHV), plus communément appelé biodiesel.

La première génération de biocarburants est donc issue de produits alimentaires (blé, maïs, betteraves, colza) via des processus techniques simples. Cependant, le bilan environnemental est médiocre voire dangereux car la production agricole intensive entraîne l’augmentation de la pollution des eaux (pesticides, engrais ...), la déforestation dans certaines zones du globe (Brésil, Malaisie ...) et par voie de conséquence la réduction de la biodiversité.

La seconde génération de biocarburants est issue de source ligno-cellulosique (bois, feuilles, paille, etc.) à partir de processus techniques avancés. Au lieu d’utiliser les graines ou les tubercules des plantes comme dans la première génération, les nouveaux procédés cherchent à améliorer le bilan énergétique en utilisant toute la plante. Leur bilan en gaz à effet de serre est bien meilleur et surtout, ils ne risquent pas d’entrer en concurrence avec les cultures alimentaires. Il existe deux procédés industriels pour les produire.

� La production par voie thermochimique (gazéification) est un procédé technologique complexe qui permet de transformer de la biomasse en gaz (essentiellement de l’hydrogène et du monoxyde de carbone). Ce procédéthermochimique est obtenu dans des conditions de température et de pression élevées (environ 1000°C et 40 bars) Cela nécessite donc une importante production de chaleur qui diminue par conséquence le bilan énergétique du procédé. En revanche, la rapidité de la transformation de la biomasse en gaz constitue un avantage puisqu’il n’y a pas d’étape de fermentation.� La production par voie biochimique consiste àtransformer la biomasse (de type lignocellulosique) en sucre par des enzymes. Le sucre ainsi produit est ensuite transformé en éthanol par un procédé de fermentation. On obtient alors un éthanol dit de seconde génération. Ce procédé est plus économe en énergie que la voie thermochimique mais l’hydrolyse enzymatique a un coût élevé.

La troisième génération de biocarburant n’est encore qu’au stade de la définition. Une des principales pistes de recherche est la production d’hydrogène par des micro-organismes. Le soufre est un élément chimique nécessaire à la synthèse de certains acides aminés qui forment les protéines. Lorsque l’algue Chlamydomonas reinhardtii est privée de soufre, le processus de photosynthèse diminue et elle met en place une autre voie énergétique : la production d’hydrogène.

Biomasse

Production d’énergies renouvelables par filière en 2 009, en MtepSources : Ministère du Développement Durable

Les engagements du Grenelle de l'Environnement qui consiste à diviser par 4 nos émissions de gaz à effet de serre d’ici 2020 sont donc particulièrement ambitieux pour la biomasse.

Devant l’hydraulique, l’éolien et l'énergie solaire… la biomasse est la première source d’énergie renouvelable de notre pays. Le bois représentait à lui seul 46 % des énergies renouvelables produites en France en 2009. Si on y ajoute les biocarburants (11 %), les déchets, le biogaz ou les résidus agricoles, la biomasse était à l’origine de plus de 66 % de l’énergie produite à partir de sources renouvelables en France. En France, en 2009, 15,3 % de la production d’énergie provenait des énergies renouvelables.


Le mot « hydrogène » est en fait fréquemment utilisé pour désigner le dihydrogène. Une molécule de dihydrogène est composée de deux atomes d’hydrogène. Sa formule chimique est H2. Cette molécule se trouve à l’état gazeux dans les conditions normales de température et de pression. Le dihydrogène est présent sous forme de traces dans l’air. C’est un gaz non toxique et très énergétique capable de produire de la chaleur et de faire fonctionner des moteurs par combustion directe (moteurs à combustion interne) avec de l’eau pure comme résidu. Il peut même produire directement de l’électricité dans les piles àcombustible avec, là encore, comme seul résidu de l’eau. Mais l’hydrogène ne se trouve dans la nature qu’à l’état combiné, surtout dans l’eau et les hydrocarbures. Il est donc nécessaire de produire le dihydrogène soit à partir de l'électrolyse de l'eau, soit à partir du reformage d'hydrocarbures ou encore par l'intermédiaire d'algues. En cela, comme l’électricité, il n’est pas à proprement parler une énergie mais seulement un vecteur d’énergie. Un point très important est de noter que la production de dihydrogène par électrolyse de l’eau à partir de l’électricité fournie par les énergies renouvelables (éoliennes, capteurs photovoltaïques) permettrait sans polluer, à la fois de stocker, de transporter et de réutiliser ces énergies, c'est-à-dire de compenser leurs deux principaux inconvénients d’être intermittentes et non stockables. Mais adopter le dihydrogène comme vecteur d’énergie demande de le produire, de le stocker (en particulier à bord des véhicules), de le distribuer et d’assurer la sécuritéde son utilisation.

De l’Antiquité au siècle des lumières, à la suite d’Aristote, tous les savants ont été convaincus que l’univers était constitué de quatre éléments : l’eau, la terre, l’air et le feu. Après une vingtaine de siècles, des doutes s’insinuaient. Le premier scientifique connu à avoir décrit la production de dihydrogène est le suisse Paracelse (1493-1541). Il fit cette découverte en versant du vitriol sur de la poudre de fer, mais ne comprit pas la nature exacte du gaz dégagé au cours de l'expérience.

Henry Cavendish (1731 – 1810), physicien et chimiste britannique, recommençant les expériences de Paracelse avec plusieurs métaux différents, isola ce gaz et découvrit que le gaz ainsi produit était différent de l'air car il était inflammable et avait une faible densité.

Il appelle ce gaz « air inflammable » (en anglais : inflammable air) et s'aperçut que sa combustion avec le dioxygène, étant lui nommé « air vital », produisait de l'eau.

Le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier (1743 – 1794), considéré comme le père de la chimie moderne, confirma les expériences de Cavendish et en donna une interprétation grâce à la synthèse de l'eau effectuée le 24 juin 1783. Il proposa le mot « hydrogène » pour remplacer l'expression « air inflammable ». Ce mot est forméavec le préfixe hydro (« eau ») et du suffixe gène (« engendrer »). En avril de l'année suivante, Lavoisier et Meusnier présentèrent à l'Académie un procédé quasi industriel de production de dihydrogène en grande quantité par action de l'eau sur le "fer au rouge".

Le physicien et chimiste français Jacques Alexandre Charles expérimenta la faible densité du dihydrogène sur des bulles de savon. Il persévéra dans son idée d’utiliser le dihydrogène pour les aérostats des frères Montgolfier et, le 27 août 1783, il fit voler devant 300 000 spectateurs rassemblés aux Tuileries, un ballon gonflé au dihydrogène.

En 1804, le français Louis Joseph Gay Lussac et l'allemand Alexander von Humboldt démontrèrent conjointement que l'eau est composée d'un volume de dioxygène pour deux volumes de dihydrogène. En 1839, William Robert Grove découvrit le principe de la pile à combustible. Puis, à la fin du XIXème siècle, indépendamment l'un de l'autre, le suisse Adolphe Pictet et le français Louis Paul Cailletet liquéfièrent le dioxygène. A la suite de ces travaux, le Professeur Sigismond Wroblewski, de l'Universitéde Cracovie, réussit la première liquéfaction du dihydrogène. Enfin, les allemands Fritz Haber (Prix Nobel en 1918) et Carl Bosch (Prix Nobel en 1931) inventèrent le procédé de synthèse de l'ammoniac àpartir de dihydrogène et de diazote. Le dihydrogène devient alors une matière première de l’industrie chimique qui, aujourd’hui, outre la synthèse de l’ammoniac, est utilisée dans de nombreux secteurs (pétrochimie, fabrication d’amines, de méthanol, d’eau oxygénée, industrie alimentaire, etc.).

Hydrogène

L’hydrogène


En 2011, la production de dihydrogène se faisait à95 % à partir des combustibles fossiles (gaz naturel, pétrole) par reformage (conversion de molécules àl'aide de réactions chimiques). Le principe est le suivant : le méthane (CH4) (nommé aussi gaz naturel) est exposé à de la vapeur d’eau (H2O) très chaude. Après deux réactions successives, il se reforme d'un côté du dihydrogène (H2), et de l'autre du dioxyde de carbone (CO2). En raison de l’utilisation de vapeur d’eau, ce processus est également appelé vaporeformage. Ce procédédemeure le moins cher même si son prix de revient reste le triple de celui du gaz naturel. Cependant, il a l’inconvénient majeur de rejeter du dioxyde de carbone dans l’atmosphère, principal responsable de l’effet de serre. Pour éviter cela, la production de dihydrogène à partir de combustibles fossiles supposerait donc d’emprisonner le dioxyde de carbone par des techniques qui doivent faire l’objet de développements (par exemple, de le réinjecter dans les puits de pétrole épuisés). Comme ce mode de production est polluant et comme les ressources en énergies fossiles sont appelées à décroître, diversifier les modes de production s’avère indispensable.

On peut également produire du dihydrogène par une oxydation partielle effectuée sur des produits plus ou moins lourds allant du gaz naturel aux résidus lourds, au charbon ou à la biomasse. C’est en fait une combustion menée en défaut de dioxygène qui conduit principalement à la formation de dihydrogène (H2) et de monoxyde de carbone (CO). D’un point de vue économique, l’utilisation de ces charges lourdes pour une production de dihydrogène ne se justifie que lorsque le surcroît d’investissement par rapport au vaporeformage est compensé par le moindre coût de la matière première, résidus pétroliers lourds, coke de pétrole ou charbon par exemple.

A l'image de l'électricité, le dihydrogène a besoin d'énergie pour être fabriqué. Ainsi, pour obtenir du dihydrogène "propre", il convient nécessairement de recourir à une énergie elle-même "propre". Plusieurs solutions sont possibles.

La biomasse est une source de production d’hydrogène potentiellement très importante. Elle est constituée de tous les végétaux (bois, paille, etc.) qui se renouvellent à la surface de la Terre. La biomasse, obtenue par photosynthèse de dioxyde de carbone (CO2) et d’eau (H2O), capte l'énergie solaire pour produire un ensemble de molécules (cellulose, lignocellulose et lignine) de composition équivalente à C6H9O4.

La filière thermochimique de transformation de la biomasse consiste en une succession de traitements thermochimiques réalisés, tout d'abord en l'absence de dioxygène (thermolyse vers 500 à600 °C), puis en présence d'un réactif comme la vapeur d'eau (gazéification vers 900°C). Un étage supplémentaire de rectification, vers 1200 à 1300°C peut s'avérer nécessaire pour éliminer les dernières traces d'impuretés (goudrons à forte masse moléculaire). Globalement, l'ensemble des réactions peut se traduire par :

C6H9O4 + 2 H2O = 6 CO + 6,5 H2

La gazéification à la vapeur donne un gaz dit « de synthèse » composé de monoxyde de carbone (CO) et de dihydrogène (H2) dont on peut tirer des carburants liquides ou gazeux.

Dans le cas où on veut privilégier la production de dihydrogène, une réaction dite de « gas shift », permet la conversion suivante :

6 CO + 6 H20 = 6 CO2 + 6 H2

Sur les 12,5 molécules d'hydrogène finalement obtenues, 4,5 seulement proviennent de la biomasse, et 8 sont apportées par l'eau, utilisée comme réactif. Il faut remarquer que les 6 molécules de dioxyde de carbone ainsi libérées ne contribuent pas à alimenter l'effet de serre car ce sont les mêmes molécules que la photosynthèse a captées dans l'atmosphère, pour la croissance de la plante, et qui sont recyclées. Cela sous-entend que la quantité de biomasse utilisée, pendant la période de temps considérée (par exemple l'année), est inférieure ou au plus égale à la quantité produite sur la zone de référence.

L’électrolyse de l’eau est la réaction chimique de dissociation de la molécule H2O soumise à un courant électrique. Elle s’écrit de manière globale :

H2O = H2 + ½ O2

En 2011, l’électrolyse représentait moins de 1% de la capacité totale de production de dihydrogène et n’est utilisée que si l’électricité est soit fatale (cas des renouvelables comme l’éolien ou le photovoltaïque), soit bon marché et/ou si une puretéélevée de dihydrogène produit est requise. Le recours croissant aux sources renouvelables conduit aujourd’hui au développement de l’électrolyse, procédé séduisant pour la valorisation de ces énergies nouvelles. On obtient au final du dihydrogène "propre".

Hydrogène


A côté de l’électrolyse industrielle mettant en œuvre des puissances unitaires pouvant atteindre plusieurs mégawatts (électrolyse chlore-soude, par exemple), on assiste aujourd’hui à l’essor des électrolyseurs de capacités petites à moyennes, typiquement de 1 à 100 kW (kilowatts).

D'autres procédés sont également à l'étude :� les organismes photosynthétiques : certains microbes modifiés peuvent produire du dihydrogène sous l'effet de la lumière du soleil� la photoélectrolyse : immergée dans l'eau, une cellule photoélectrochimique (composant électronique qui décompose l'eau sous l'effet de la lumière solaire) peut produire du dihydrogène et du dioxygène.� la décomposition thermochimique de l'eau : portée à haute température (800 / 1 000°C), la molécule d'eau se décompose et libère du dihydrogène. L'inconvénient de cette méthode est le recours à l'énergie nucléaire pour chauffer l'eau : les investissements sont lourds et la production dépend des stocks d'uranium.

Les coûts de production du dihydrogène les plus élevés (et probablement rédhibitoires) sont associés à l'électrolyse de l'eau et se classent dans le même ordre que le coût de l'électricité utilisée. Même en tenant compte des progrès attendus à l'horizon 2020, les productions de dihydrogène par de l'électricité éolienne ou photovoltaïque sont lourdement pénalisées. La gazéification de la biomasse reste la seule voie capable de concurrencer le vaporeformage du gaz naturel auquel il serait logique d'appliquer, en outre, une pénalité supplémentaire correspondant soit àl'émission de dioxyde de carbone (écotaxe), soit au coût de son captage et stockage.

La France est le pays européen qui a le plus fort potentiel en biomasse, en accumulant annuellement des rémanents forestiers et résidus de transformation (14 Mt (mégatonnes)), des déchets industriels, ménagers et agricoles (41 Mt) et des cultures dédiées, utilisant des sols cultivés à des fins non alimentaires (36 Mt). Avec une ressource totale d'environ 90 Mt, équivalente à 40 Mtep(mégatonnes d’équivalent pétrole) d'énergie primaire, c'est près de 20 Mtep qui pourraient être obtenus en énergie finale, sous forme de carburants, par transformation thermochimique, àcomparer aux 63 Mtep de produits pétroliers, consommés en France pour les transports, dont 53 Mtep sur la route. Ce potentiel de 20 Mtep pourrait être renforcé par l'accès à des ressources extra-territoriales ou par des apports énergétiques, soit de

chaleur industriellement disponible (incinération de déchets, chaudière nucléaire), soit par addition de dihydrogène, obtenu à coût marginal, par électrolyse en courant d'heures creuses.

Une autre particularité intéressante de la transformation thermochimique de la biomasse est de donner accès à des débouchés plus larges que les autres filières d'énergie renouvelable, généralement plutôt adaptées à la production d'électricité. En effet, les transformations thermochimiques de la biomasse réagissant sur de la vapeur, conduisent à un mélange gazeux, contenant principalement du monoxyde de carbone (CO) et du dihydrogène (H2), dénommé gaz de synthèse, à partir duquel de nombreuses possibilités se présentent :

� ce gaz, anciennement connu comme « gaz de ville » lorsqu'il était issu de la gazéification du charbon, peut alimenter des piles à combustible de type SOFC (solid oxyde fuel cell), fonctionnant à haute température (800°C).� une réaction, dite de « gas shift », peut consommer le monoxyde de carbone par réaction sur de l'eau, pour renforcer la production de dihydrogène.� de nombreuses réactions de synthèse peuvent être dirigées vers la production de liquides, plus facilement stockables et transportables. Parmi les plus classiques, on peut citer, la production d'alcool (méthanol) ou d'hydrocarbures (Fischer- Tropsch), ces derniers étant directement utilisables dans les moteurs à explosion (essence ou diesel).

Les difficultés techniques qui restent à résoudre, avant d'envisager un développement industriel de cette filière, sont principalement liées à la présence, dans le gaz de synthèse, soit de poussières, soit de condensables pouvant générer des acides ou goudrons.

Hydrogène


Le stockage est certainement un verrou technique et scientifique pour le développement de la technologie du dihydrogène. Mais les progrès offrent dès aujourd’hui des solutions attractives, même si des progrès sont encore nécessaires dans les applications mobiles pour trouver une bonne adéquation entre les spécifications demandées et les systèmes de stockage certifiés. Le stockage de méthane sous forme de gaz comprimé est une pratique répandue depuis de nombreuses années. Son utilisation pour des véhicules automobiles a surtout concerné des utilitaires ou poids lourds. Il existe donc de nombreux fabricants de réservoirs Haute Pression qui travaillent selon des normes nationales et internationales bien établies. Le stockage du dihydrogène est techniquement plus difficile, plus coûteux du fait de sa très faible masse molaire et de sa très basse température de liquéfaction, tout particulièrement quand il s’agit d’un stockage mobile. Si l’état liquide s’impose indiscutablement quand le besoin se chiffre en tonnes, voire en dizaines de tonnes, le stockage àl’état gazeux sous pression présente de nombreux avantages quand les quantités mises en jeu ne dépassent pas quelques kilogrammes ou dizaines de kilogrammes. C’est le cas, en particulier, des véhicules automobiles pour lesquels on vise une autonomie de l’ordre de 400 à 500 km et même moins pour des usages essentiellement urbains.

Le stockage et la distribution de dihydrogène sous pression sont cependant une pratique standard, depuis de très nombreuses années, avec des bouteilles ou assemblages de bouteilles cylindriques, en acier, gonflées à 20 ou 25 MPa(mégaPascal). L’inconvénient de ce mode de stockage est l’encombrement – seulement 14 kg/m3 à 20MPa et à température ordinaire (21°C) contre 100 kg/m3 pour le méthane – et surtout le poids qui résulte de l’utilisation d’aciers à de bas niveaux de contraintes pour éviter les problèmes de fragilisation par le dihydrogène. Pour une même quantité, le volume de stockage peut être réduit en augmentant la pression mais cette augmentation entraîne un accroissement de l'épaisseur des parois et donc du poids du réservoir vide. Pour surmonter ce dilemme, il a été proposé d'utiliser les propriétés qui permettent de retenir le dihydrogène dans la matière solide que ce soit par piégeage (méthode d’adsorption) ou par combinaison chimique (méthode d’absorption).

Des réseaux de distribution de dihydrogène par pipelines existent déjà dans différents pays pour approvisionner les industries chimiques et pétrochimiques (environ 1 050 km en France, en Allemagne et au Bénélux sont exploités par Air Liquide). La réalisation de ces infrastructures industrielles démontre que l’on dispose d’une bonne maîtrise de la génération et du transport d’hydrogène. Un bémol cependant : le coût du transport est environ 50 % plus cher que celui du gaz naturel et une unité de volume de dihydrogène transporte trois fois moins d’énergie qu’une unité de volume de gaz naturel. Pour distribuer le dihydrogène, des infrastructures de ravitaillement devront être développées. La mise au point de stations-service ne semble pas poser de problèmes techniques particuliers. Une quarantaine de stations pilotes existent d’ailleurs déjà dans le monde, en particulier aux États-Unis, au Japon, en Allemagne et en Islande. Il faudra cependant du temps pour que ces stations-service couvrent tout le territoire, ce qui risque de freiner le développement du dihydrogène dans les transports.

Le développement de la filière hydrogène repose en grande partie sur la technologie de la pile àcombustible (PAC). Son principe n’est pas nouveau, puisqu’il fut découvert dès 1839 par William R. Grove. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant le dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité. La pile à combustible est née. En 1921, Edmond Bauer découvrit l'importance de la cinétique et construisit une cellule fonctionnant à haute température (1000°C). C’est Francis T. Bacon, ingénieur, qui réalisera, en 1953, le premier prototype industriel de puissance notable (de l’ordre du kW). Mais seule la Nasa exploitera, dans les années 60, cette technologie pour fournir en électricité certains de ses vaisseaux comme Geminiet Apollo. Car si le principe de la PAC paraît simple, sa mise en œuvre est complexe et coûteuse, ce qui interdisait jusqu’alors sa diffusion dans le grand public. Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses. De la microPAC, qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile, à la pile capable de produire 1 MW (mégawatt) pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif, en passant par la pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports, il existe désormais toute une gamme de PAC. Le principe de fonctionnement est toujours le même, mais différentes technologies sont en développement.

Hydrogène


Une pile à combustible est un générateur qui convertit l'énergie du combustible (ici le dihydrogène) en électricité par réaction électrochimique. Cette pile contient deux électrodes: � l'une est l'anode chargée en dihydrogène ;� l'autre est la cathode chargée en dioxygène ;� entre les deux, se trouve un électrolyte, un corps solide ou liquide. Dans le cas de la pile àcombustible, il s'agit le plus souvent d'un polymère contenant du platine.

Dans l'anode, les molécules de dihydrogène se dissocient. Les ions (H+) diffusent dans l'électrolyte, alors que les électrons sont contraints de circuler dans un circuit externe, ce qui crée un courant électrique continu. Dans la cathode, les électrons provenant du circuit électrique, les ions (H+) de l’électrolyte et le dioxygène se combinent pour former de la vapeur d'eau. La chaleur de la vapeur d’eau peut être récupérée.

Il existe 3 types de pile à combustible :� la pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Elle fonctionne à une température de 80 °C avec un électrolyte en polymère et convient à une utilisation dans un véhicule à hydrogène ;� les piles à méthanol direct (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell) et à éthanol direct (DEFC, Direct Ethanol Fuel Cell). Elles utilisent directement l'hydrogène contenu dans les molécules des deux alcools (méthanol et éthanol). Elles peuvent être miniaturisées par exemple pour alimenter des appareils portatifs (téléphones, ordinateurs...) ;� la pile à oxyde solide (SOFC, Solid Oxyde Fuel Cell). Son électrolyte est un oxyde double de zirconium et d'yttrium. Sa température de fonctionnement, de 800 °C, permet d'utiliser n'importe quel combustible contenant de l'hydrogène (méthane, bois ...) grâce à des procédés de reformage interne. Très lourde, cette pile est destinée à des utilisations stationnaires (unité de production électrique pour logements collectifs par exemple).

Dans un moteur à combustion interne traditionnel, le dihydrogène peut être utilisé comme combustible. Sa présence, combinée avec du dioxygène, va alors provoquer une explosion et faire tourner un piston qui actionnera un moteur. C'est donc de l'énergie mécanique qui est ici créée. Le secteur des transports est concerné par cette application. La combustion du dihydrogène dans un moteur àexplosion produit de la vapeur d'eau, ainsi qu'une faible part d'oxyde d'azote.

De ces deux applications, la pile à combustible a un meilleur rendement (taux d'énergie produit par rapport à l'énergie nécessaire à cette production) que le moteur à combustion interne : 59 % contre 36 %. Elle possède aussi l'avantage d'être moins bruyante. Il y a aujourd’hui deux obstacles majeurs au développement des applications commerciales des piles : des difficultés d’ordre technologique (compacité insuffisante, usure des matériaux trop rapide, rendements énergétiques perfectibles) et les coûts de fabrication.

Hydrogène


Le mot "atome" vient du grec "a-tomos" et signifie "insécable". Cette notion fut inventée par Leucippe de Milet en 420 av. J.C. Son disciple, Démocrite d'Abdère (vers 460-370 av. J.-C.), expliquait que la matière était constituée de corpuscules en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales. Ces corpuscules étaient:� invisibles à cause de leur extrême petitesse ;� insécables ou indivisibles comme leur nom l'indique ;� pleins (pas de vide à l'intérieur) ;� éternels car parfaits ;� entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de densité) ;� ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature).

Malheureusement pour lui, il ne put prouver sa théorie et elle fut rejetée par Aristote (384-322 av. J.C.). Pour Aristote, la matière était composée de quatre éléments : l’eau, la terre, l’air et le feu. Il ne croyait pas à l’existence des atomes, mais admettait qu’il y avait possibilité de décomposer les éléments en constituants très petits. Il ne croyait pas au vide de Démocrite et affirmait que la matière était continue. Lui non plus n’a pas pu prouver sa théorie mais cela n’a pas empêché qu’elle fasse autoritéjusqu’au siècle des Lumières.

Le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier (1743 – 1794), en démontrant que la combustion impliquait qu’une substance se combine avec l’oxygène, a été le premier à infirmer l'antique théorie des 4 éléments. C’est notamment pour cela qu’il est considéré comme le père de la chimie moderne.

En 1803, le chimiste anglais John Dalton proposa pour la première fois sa théorie selon laquelle la matière était composée d'atomes de masses différentes qui se combinaient selon des proportions simples. Cette théorie fut à la fois sa plus importante contribution à la science et la pierre angulaire de la chimie moderne. Bien sûr, sa théorie fut améliorée par d’autres scientifiques.

En 1869, le chimiste russe Dimitri Mendeleïev construisit un tableau pour classer tous les éléments chimiques alors connus d'après leurs propriétés chimiques. Ce tableau est à l’origine de la classification périodique des éléments que nous connaissons à l’heure actuelle.

En 1897, Joseph John Thomson prouva expérimentalement l'existence des électrons, des petites particules de charges électriques négatives parfois émises par les atomes. L’atome étant électriquement neutre, il fallut admettre que l’atome contenait également des charges positives. La même année, il énonça son modèle de l'atome, le modèle de « plum pudding ».

En parallèle, des recherches sont réalisées sur la radioactivité, source de l’énergie nucléaire. La première étape de cette recherche est franchie en 1895 lorsque le physicien prusse Wilhelm Röntgen conçut l’existence de rayons capables d’impressionner des images sur des plaques noires grâce à des radiations. Cette invention va connaître très vite des applications médicales ; mais faute de bien comprendre encore la nature du phénomène, on parla de rayons « X ».

Henri Becquerel, physicien français, essaya de trouver une explication à la fluorescence, cette propriété de certains corps de restituer la lumière qu'ils ont reçue. Parmi ces éléments figuraient les sels d'uranium : exposés au soleil, puis posés devant une plaque photographique, ils faisaient apparaître, comme les rayons X, la forme d'un objet placé devant eux. En 1896, plus étonnant encore, le même résultat fut obtenu lorsque l'uranium n'avait pas été exposé à la lumière. Il démontra alors que l’uranium était à l’origine de ces rayons radioactifs. Plus tard, Becquerel donna son nom à l’unité de mesure de la radioactivité (le Becquerel).

Entre 1898 et 1906, Pierre et Marie Curie firent des recherches qui conduisirent à la découverte d’autres substances ou matières radioactives : le polonium, le thorium et le radium, ce qui leur rapporta la moitiédu prix Nobel de physique de 1903, l’autre moitiéétant attribuée à Henri Becquerel. Marie Curie définit clairement la radioactivité : « phénomène physique naturel au cours duquel des atomes se désintègrent pour produire de l’énergie et des rayonnements (alpha, bêta et gamma). ».

Ernest Rutherford, physicien néo-zélandais, considéré comme le père de la physique nucléaire découvrit les rayonnements alpha, les rayonnements bêta. Il découvrit aussi que la radioactivité s'accompagnait d'une désintégration des éléments chimiques, ce qui lui valut le prix Nobel de chimie de 1908.

Nucléaire

Le nucléaire


En 1912, il découvrit le noyau atomique grâce à sa célèbre expérience dans laquelle il bombarda des feuilles d’or avec des particules alpha. Son nouveau modèle d'atome montre que la charge électrique positive et que l'essentiel de la masse de l’atome sont concentrées en un noyau quasi-ponctuel. Les électrons de l'atome se déplacent autour de ce noyau tels des planètes autour du Soleil, et la force électrique attractive (la charge négative de l'électron attirant la charge positive du noyau) joue le rôle de la force de gravitation pour les planètes ; d'où le nom de modèle d'atome planétaire. A noter que contrairement à l'atome des Grecs, celui de Rutherford n’est ni indivisible (puisque composite), ni plein puisqu'il contient essentiellement du vide. La distance noyau-électrons est 100.000 fois plus grande que le diamètre du noyau lui-même

Se basant sur les théories de Rutherford, Niels Bohr, physicien danois, publia en 1913 un nouveau modèle de la structure de l'atome. Cette théorie présente l'atome comme un noyau autour duquel gravitent des électrons sur des orbites électroniques bien précises. Les électrons ont la possibilité de passer d'une couche à une autre, émettant un quantum d'énergie, le photon. Cette théorie est à la base de la mécanique quantique. Pour ses contributions à la recherche sur la structure des atomes et sur le rayonnement qu'ils émettent, il reçut le prix Nobel de physique de 1922. Albert Einstein s'intéressa de très près à cette théorie dès sa publication.

Ce modèle est le dernier obéissant à la physique classique, c'est-à-dire la physique qui explique les mouvements et les phénomènes existant à notre échelle humaine. Cependant, il est faux car àl'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent ! Ces lois appartiennent à une physique très éloignée de nos concepts courant : c’est la physique quantique. En 1924, Louis Victor de Broglie, mathématicien et physicien français, postula la dualité onde-corpuscule. Puis, Erwin Schrödinger, physicien autrichien, modélisa l'électron comme une onde en 1926. Pour cela, il reçut le prix Nobel de physique de 1933. Ce nouveau modèle permet d'expliquer la stabilité de l'atome et la description des termes spectroscopiques.

En 1932, James Chadwick, physicien britannique, fit la découverte d'une particule élémentaire importante, le neutron, pour laquelle il reçut le prix Nobel de physique de 1935. Cette particule ne possède pas de charge électrique et compose le noyau avec le proton. Avec les neutrons, les scientifiques disposaient d'un nouveau projectile, qui présente le grand avantage de ne pas être repoussépar la charge électrique du noyau, quand on essaie de l'atteindre. La physique nucléaire allait pouvoir commencer.

Fin 1933, à partir d'une expérience de bombardement d'une feuille d'aluminium par une source intense de polonium, Frédéric et Irène Joliot-Curie mirent en évidence la production de phosphore 30 radioactif, isotope du phosphore 31 naturel. Cela prouva que l'on était capable de fabriquer par irradiation des éléments ayant les mêmes propriétés que les éléments naturels, plus une : la radioactivité. L'isotope radioactif pourra être repéré, là où l'élément naturel est indétectable. On voit rapidement toutes les applications qu'il est possible d'en tirer, notamment dans le domaine médical. Pour ceci, ils se virent attribuer le prix Nobel de chimie de 1935.

En 1934, Enrico Fermi, physicien italien, constatait que les neutrons ralentis (par un trajet dans la paraffine par exemple) ont une efficacité beaucoup plus grande sur un noyau que les neutrons ordinaires. Ce résultat paradoxal s'explique par la physique quantique. Des matériaux ralentisseurs, comme l'eau lourde, seront donc à prévoir dans les futures installations.

En 1938, Otto Hahn et Fritz Strassmann, deux physiciens allemands, avaient découvert que la collision d'un neutron avec un noyau d'uranium produisait l'élément baryum comme l'un de ses sous-produits. Lise Meitne et son neveu Otto Frisch, physiciens autrichiens exilés en Suède, firent l'hypothèse que le noyau d'uranium s'était cassé en deux, expliquèrent le processus (en termes de charge électrique excessive), estimèrent l'énergie libérée, forgèrent le terme fission pour le décrire et étudièrent la possibilité d'une réaction en chaîne. On imagine les formidables débouchés de cette nouvelle forme d'énergie, pour peu que l'on soit capable d'en maîtriser la mise en œuvre. Et voilàque resurgit la formule magique d'Albert Einstein (laquelle remonte à 1905) :

E = m x c2E, l'énergie, est égale à m, la masse, multipliée par le carré de la vitesse de la lumière, c2.

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En février 1939, Niels Bohr mit en évidence le fait que sur les deux isotopes contenus dans l'uranium naturel, U238 et U235, seul le second se prête à la fission (on dit qu'il est « fissile »). C'est malheureusement le plus rare (0,72 % de l'uranium), d'où l'intérêt d'augmenter cette proportion pour obtenir un combustible plus réactif par des procédés d'« enrichissement » de l'uranium.

A la suite de ces découvertes, l’énergie nucléaire s’est développée de façon considérable, des réacteurs ont été créés. Leur développement jusqu’à aujourd’hui est classé en générations. Avant son utilisation à but civil (production d’électricité), l’énergie nucléaire a été mise à profit dans le domaine militaire, notamment avec le projet Manhattan qui a conduit aux bombardements d’Hiroshima (avec une bombe à base d’uranium) et à Nagasaki (avec une bombe à base de plutonium) en août 1945.

Le premier réacteur nucléaire a été construit aux États-Unis en 1942, à l'Université de Chicago, par Enrico Fermi et Leó Szilárd. Il était constitué d’un empilement de 6 tonnes d’uranium métallique, 34 tonnes d’oxyde d’uranium et 400 tonnes de graphite, c'est pourquoi il portait le nom de pile atomique. Sa puissance n’était que de 0,5 watt, mais sa divergence (c’est-à-dire le démarrage du processus de réaction nucléaire en chaîne) permit de conforter la théorie sur les mécanismes de fission.

Fin 1945, la guerre terminée, la France se dota d'un gouvernement provisoire présidé par le Général de Gaulle. L'une des premières décisions prises par cette autorité fut la création d'un organisme spécifique chargé de développer les applications de l'énergie atomique : le Commissariat à l’Energie Atomique (CEA). Sous la direction de Lew Kowarski et Frédéric Joliot-Curie, le premier réacteur d’essai a été construit au centre d’études de Fontenay-aux-Roses (Hauts-de-Seine) du CEA. Cette pile atomique, dénommée la pile Zoé, lança son premier processus de réaction nucléaire en chaîne en 1948.

Dans les années cinquante et soixante, la Génération I de réacteurs comprit les premiers prototypes construits aux États-Unis, en Russie, en France et en Grande-Bretagne principalement. Cette première génération fonctionnait à l'uranium naturel, l'uranium enrichi n'étant pas encore disponible commercialement.

En 1956, le réacteur G1 était mis en marche au centre de recherche du CEA de Marcoule près d’Avignon, il s'agissait du premier réacteur français à produire non seulement du plutonium mais aussi de l'électricité. Il initiait alors la filière française Uranium Naturel Graphite Gaz (UNGG).

Entre 1970 et 1990, la Génération II de réacteurs était déployée. Cette génération est née de la nécessité apparue dans les années soixante-dix de rendre l'énergie nucléaire compétitive et de diminuer la dépendance énergétique de certains pays au moment où des tensions importantes sur le marchédes énergies fossiles se faisaient sentir. Cette époque fut celle du déploiement des Réacteurs àEau Pressurisée (REP) et des Réacteurs à Eau Bouillante (REB), qui constituent ensemble, aujourd'hui, plus de 85% du parc électronucléaire mondial.

La Génération III représente l'état de l'art industriel constructible le plus avancé. Il s'agit de réacteurs dits « évolutionnaires » : ils bénéficient du retour d'expérience et de la maturité industrielle des réacteurs à eau de la deuxième génération, tout en intégrant les spécifications les plus avancées en matière de sûreté. Le réacteur EPR (initialement European Pressurized Reactor, puis EvolutionaryPower Reactor) est un réacteur dit de génération « III+ » conçu et développé par Areva au cours des années 1990 et 2000. Il a pour objectif d’améliorer la sûreté et la rentabilité économique. En 2011, quatre réacteurs de type EPR étaient en cours de construction : un en Finlande à Olkiluoto, un en France à Flamanville et deux autres en Chine àTaishan.

Les réacteurs nucléaires de génération IV sont actuellement à l’état de concepts faisant l’objet de recherches coordonnées au niveau international. La mise en service d’un réacteur commercial fondé sur l’un de ces concepts n’est pas envisagée avant 2040. Le Forum International Génération IV(Generation IV International Forum - GIF) a permis de mettre en place une coopération internationale dans le cadre du développement de ces systèmes nucléaires de nouvelle génération, avec les objectifs suivants : améliorer la sûreté nucléaire, améliorer la résistance à la prolifération, minimiser les déchets, optimiser l’utilisation des ressources naturelles, et diminuer les coûts de construction et d’exploitation des réacteurs. Dans ce cadre, plusieurs concepts de réacteurs ont été retenus pour la phase de recherche et développement (réacteurs à neutrons rapides, mais aussi certains concepts de réacteurs à neutrons thermalisés).

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En 2011, toutes les centrales nucléaires utilisent la fission comme réaction nucléaire. On appelle "fissile" un atome dont le noyau peut se casser en deux sous l'effet d'une collision avec un neutron. Les atomes fissiles les plus connus sont l'uranium 235 et le plutonium 239. Les deux fragments obtenus, ou produits de fission, sont la plupart du temps radioactifs. Cette réaction s'accompagne d'un grand dégagement d'énergie et d'une augmentation de la chaleur de la matière. Le principe d'un réacteur nucléaire consiste à récupérer cette énergie sous la forme de chaleur pour la transformer en électricité via un turboalternateur. Une centrale nucléaire est ainsi constituée de deux parties :� une partie non-nucléaire, avec notamment la salle des machines (qui contient principalement une ligne d'arbre comprenant les différents étages de la turbine à vapeur ainsi que l'alternateur et le condenseur). Dans cette partie conventionnelle, semblable à celle utilisée dans les centrales thermiques classiques (fonctionnant au gaz, charbon ou fioul), s’écoule un circuit d’eau, cette dernière étant d’abord évaporée (par absorption de la chaleur préalablement produite dans la zone nucléaire), puis elle entraîne une turbine (couplée àun générateur produisant ainsi l’électricité), et enfin condensée (échange avec un refroidisseur : rivière, mer, ou atmosphère via une tour aéroréfrigérante). C’est dans cette partie que l’énergie calorifique dégagée par la fission nucléaire est transformée en énergie mécanique (turbine) puis en énergie électrique (alternateur). � la zone nucléaire (dans le bâtiment réacteur), oùont lieu les réactions nucléaires, qui produisent la chaleur transférée au circuit d’eau utilisé pour la production d'électricité et qui vient d’être décrit.

Dans cette zone nucléaire, un combustible subit une réaction en chaîne, contrôlée, de fission nucléaire. La chaleur dégagée y est transportée grâce à un "fluide caloporteur". La réaction est contrôlée par des absorbants neutroniques (bore, gadolinium, cadmium...) présents dans les barres de contrôle ou dans le fluide caloporteur.

Enfin, selon le type de réacteur, la réaction de fission peut se faire avec des neutrons plus ou moins énergétiques :� Fission par des neutrons lents (neutrons ralentis par une série de collisions sur des noyaux). Du fait qu'ils n'apportent pas l'appoint d'une énergie cinétique importante, les neutrons lents sont capables de ne fissionner qu'une poignée de noyaux fissiles : l'uranium 235 (le seul à exister à l'état naturel), le plutonium 239 et l'uranium 233 par exemple. Mais le rendement de réaction est meilleur qu'avec des neutrons rapides, car ces neutrons lents possèdent une grande probabilité d'être capturés par un noyau fissile, puis de donner une fission. Dans ce type de réacteur nucléaire, il existe alors un élément "modérateur", qui ralentit les neutrons émis par chaque réaction de fission. Avec un bon modérateur, il est alors possible d'obtenir une réaction en chaîne avec des combustibles àbase d'uranium naturel (avec seulement 0,7% d'uranium 235), ou légèrement enrichis (de 3 à 5% d'uranium 235).� Fission par neutrons rapides (neutrons très énergétiques, tels qu’émis par les réactions de fission). Lorsque ces neutrons interagissent avec un atome, ils sont capables de fissionner non seulement les atomes réputés fissiles, mais aussi des atomes plus lourds comme les actinides mineurs (ce qui réduit la radiotoxicité à long terme

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du combustible irradié). Par ailleurs, avec des neutrons rapides, il est plus facile de transformer des atomes fertiles (ex : uranium 238) en atomes fissiles (ex : plutonium 239) : il est ainsi possible de produire plus de noyaux fissibles qu'il n'en est consommé (c'est la "surgénération"). Cependant, les neutrons rapides sont difficilement capturés par les noyaux : leur probabilité d'interaction est faible. Pour compenser cette faible probabilitéd'interagir, il est nécessaire d'avoir un combustible riche en éléments fissiles et des flux intenses de neutrons.

Fonctionnement d’un réacteur nucléairehttp://www.developpement-durable.gouv.fr/


L'énergie nucléaire s'est imposée en France suite aux chocs pétroliers des années 70, afin d'accroître l'indépendance énergétique du pays. En 1974, le gouvernement a ainsi lancé un programme de construction de centrales nucléaires, dont les coûts d'exploitation sont peu sensibles aux fluctuations pouvant intervenir sur les coûts des matières premières.

La France disposait en 2011 de 58 réacteur nucléaires en activité dans 19 centrales nucléairesde production d'électricité. 12 réacteurs nucléaires sont arrêtés, 2 centrales sont en cours de démantèlement et 3 centres de stockage de déchets radioactifs sont exploités.

Plusieurs filières de réacteurs ont étésuccessivement développées :

� 9 réacteurs graphite-gaz (UNGG), construits àMarcoule, Chinon, Bugey et Saint-Laurent, aujourd'hui déclassés ;� 1 réacteur gaz-eau lourde (HWGCR) construit àBrennilis, en phase de démantèlement ;� 58 réacteurs à eau pressurisée (REP) ;� 2 réacteurs à neutrons rapides et caloporteur sodium Phénix à Marcoule (réacteur expérimental arrêté en 2009) et Superphénix (arrêté en 1997).

Le pays était, par le nombre de réacteurs en activité, la puissance installée et l'énergie électrique produite en 2010, au 2e rang des pays producteurs d'électricité nucléaire dans le monde avec 407 900 GWh (gigawattheures) produits, soit 74 % de la production d’électricité dans le pays (550 300 GWh) et 16 % de l'énergie électrique d'origine nucléaire produite dans le monde.

La réaction nucléaire de fusion est le mariage de noyaux légers qui donne naissance à des noyaux plus lourds comme l’hélium, par exemple. Elle s’accompagne d’une très forte libération d’énergie. La fusion existe naturellement dans les environnements extrêmement chauds que sont les étoiles, comme le Soleil. Il y a, au cœur du Soleil, une température de l’ordre de plusieurs dizaines de millions de degrés qui permet la fusion de noyaux légers comme ceux d’hydrogène en hélium. Ces réactions de fusion thermonucléaire libèrent beaucoup d’énergie et expliquent la très haute température de cet astre qui atteint en surface les 5 700 °C. Une très petite partie de l’énergie rayonné e par le Soleil atteint la Terre et permet la vie sur celle-ci.

L’Homme cherche à maîtriser les réactions de fusion pour récupérer cette fabuleuse énergie. Il a réussi à maîtriser celle-ci dans les bombes nucléaires de type H mais pas encore pour produire de l’électricité. Pour une application civile de la fusion, la réaction la plus étudiée est la fusion de deux noyaux d’isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium qui fusionnent pour créer un noyau plus lourd, celui de l’hélium. Pour atteindre des températures très élevées et des densités suffisantes de noyaux et pour augmenter la probabilité qu’ils se rencontrent, l’Homme se heurte à de nombreuses difficultés techniques.

Deux types d’expériences sont étudiés en laboratoire :

� à faible concentration, le mélange d’isotopes d’hydrogène gazeux (deutérium et tritium) àfusionner peut être renfermé à l’intérieur de parois immatérielles créées par des champs magnétiques. Les noyaux sont portés à plus de 100 millions de degrés dans des machines appelées Tokamak ;� à forte concentration, le mélange d’isotopes d’hydrogène à fusionner est contenu dans une microbille que l’on irradie très rapidement avec des faisceaux de lasers très puissants.

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POUR EN SAVOIR PLUS

Sur la géothermie

http://www.futura-sciences.comhttp://www.geothermie-perspectives.frhttp://www.mtaterre.fr/http://ecocitoyens.ademe.fr/

Sur l’hydraulique

http://fr.wikipedia.orghttp://www.edf.comhttp://energie.edf.comhttp://www.energiehydraulique.comhttp://www.planete-energies.comhttp://www.statistiques.developpement-durable.gouv.frhttp://www.fournisseurs-electricite.comhttp://www.ecosources.infohttp://www.developpementdurable.com

Sur le solaire

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Sur l’éolien

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Sur la biomassehttp://fr.wikipedia.org/http://www.energies-renouvelables.org/http://www2.ademe.fr/http://www.edf.com/html/panorama/production/industriels/renouvelable/biomasse/intro.htmlhttp://www.biogaz.atee.fr/

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Sur la biomasse (suite)

http://www.mtaterre.fr/dossier-mois/chap/843/La-biomasse,-c-est-quoihttp://epp.eurostat.ec.europa.eu/http://www.actu-environnement.com/http://www.ecosources.info/http://fr.wikipedia.org/http://www.notre-planete.info/ecologie/energie/biocarburants.phphttp://www.econologie.com/http://developpement-durable.bsocom.fr/http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr/http://www.solagro.org/site/395.html

Sur l’hydrogène

http://www.afh2.org/f/index.phphttp://www.annso.freesurf.fr/H2.htmlhttp://www.h2-hydrogene.com/http://www.planete-hydrogene.fr/http://www.planete-energies.com/fr/l-energie-demain/les-voies-du-futur/l-hydrogene-287.htmlhttp://www.cea.fr/jeunes/themes/les_nouvelles_energies/l_hydrogenehttp://www.airliquide.com/fr/hychain.htmlhttp://www2.ademe.fr/http://www.techno-science.net/

Sur le nucléaire

http://4icege.org/2011/04/les-perspectives-energetiques-de-la-france-pour-2020-2050/http://arcea-dif.fr/bulletins/133/energie.pdfhttp://www.planete-energies.com/fr/les-sources-d-energie/le-nucleaire-61.htmlhttp://www.cea.fr/jeunes/themes/l_energie_nucleairehttp://www.developpement-durable.gouv.fr/-Energie-nucleaire-.htmlhttp://energie.edf.com/nucleaire/accueil-45699.htmlhttp://www.futura-sciences.com/http://nucleaire.cea.fr/index.htmhttp://www.developpement-durable.gouv.fr/Les-reacteurs-nucleaires-de.html

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