Cycle4/produire-energie.tex

\chapter{Produire de l'énergie}
	
%	\begin{quotation}  citation sur la production d'énergie à trouver  \end{quotation}
	
Le grand défi pour nourrir l'économie est la production d'énergie à coût le plus faible, puis, depuis quelques temps déjà de la produire de façon la moins polluante et plus écoresponsable possible. Il y a plusieurs façons de produire de l'énergie les voici dans les prochains paragraphes.

D'ailleurs levons une première ambiguïté : on ne produit pas de l'énergie nucléaire, thermique, fossile ou renouvelable, on utilise des énergies nucléaires, thermiques, fossiles ou renouvelables pour produire de l'énergie, et l'énergie la plus commune qui est demandée est l'énergie \underline{élecrique}.

\section{Les différentes formes d'énergie}

Même si l'énergie est une chose difficile à expliquer -- chose qui ne vous est pas demandé en cycle 4 -- on vous demandera par contre d'en connaître différentes formes : l'énergie peu être électrique, mécanique (cinétique ou de position), chimique, thermique, ...

\subsection{Les piles électrochimiques : produire de l'énergie électrique à partir d'énergie chimique}

Comme son nom l'indique une pile électrochimique produit de l'énergie électrique à partir d'une transformation chimique. L'énergie libérée (et les électrons libérés) lors de cette transformation chimique alimente ensuite les dipôles du circuit électrique.

La première pile électrochimique admise actuellement comme ayant été montrée académiquement est celle présentée par Alessandro Volta en 1800 devant l'académie des sciences de Paris. Cette pile fût le travail de Volta pour modéliser des observations d'un autre savant italien, Luigi Galvani, qui observa un phénomène de nature électrique dans les cuisses de grenouilles et qu'il attribua à de l'électricité animale.

Il existe depuis les années 1930 une pile plus ancienne datant du IIIe siècle avant J.C. appelée " pile électrique de Bagdad " suite à la découverte par des archéologues d'une poterie datant de cette époque dans un village près de Bagdad (en Irak) et de bijoux plaqués à sa proximité. La composition de la pile (poterie fermée par du bitume, tige en fer, cylindre en cuivre) suppose bien une pile mais aucune trace d'un électrolyte interne (substance acide ou très saumurée) ce qui indique que ce n'est pas en tant que fournisseur d'énergie qu'elle devait être utilisée.

En effet, la composition et les bijoux trouvés près de l'objet indiqueraient un usage en orfèvrerie pour plaquer des objets avec de l'argent, tout comme Galvani au XVIIIe siècle c'était une pile sans le savoir ! ( ou peut être que oui mais aucun écrit trouvé non plus pour l'attester).

Une pile électrochimique a besoin de 3 éléments spécifiques pour fonctionner : une solution électrolytique (pure ou un mélange de solutions électrolytiques) très chargée en ions (et de préférence un peu acide ce qui est encore mieux), un métal (qui sera sacrifié car il va peu à peu disparaître tandis que la pile va fonctionner) et un autre métal différent du premier (qui lui restera).

La pile suivante, dite pile de (John) Daniell\footnote{J. Danniel .... bibliographie} date de 1836. Elle est très visuelle (d'où le fait qu'on l'étudie) et se compose de 2 métaux : du métal zinc (de couleurs gris, qui va disparaître), du métal cuivre (orange pour le métal, bleu pour les ions $Cu^{2+}$) et deux solutions de sulfate de cuivre II ($Cu^{2+} \ ; \ {SO}_{4}^{2-}$) formée par la dissolution de cristaux de sulfate de cuivre hydraté ($CuSO_4$,5${H}_{2}{O}$) ou anydre ($CuSO_4$) et (mais c'est optionnel) de sulfate de zinc ($Zn^{2+} \ ; \ {SO}_{4}^{2-}$) formée par la dissolution de cristaux blancs de sulfate de zinc ($ZnSO_4$).

\begin{figure}[H]
\begin{center}
\label{exp-pile-daniell}
	\includegraphics[scale=0.5]{exp-pile-daniell.png}
\caption{La pile de Daniell, exemple de pile électrochimique}
\end{center}
\end{figure}

Lors de son fonctionnement la tension maximale qu'on ait pu mesurer en classe est de l'ordre de 1,24 Volt. Le pôle positif étant sur la plaque de cuivre et le pôle négatif sur la plaque de zinc. La pile lorsqu'elle fonctionne (à savoir quand elle est branchée sur un dipôle et produit donc du courant électrique) produit des électrons allant de la plaque de zinc vers la plaque de cuivre (le sens normal des électrons) et on observe la plaque de zinc se détériorer, par contre, la plaque de cuivre, quant à elle, grossit peu à peu.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
	\includegraphics[scale=0.5]{exp-pile-daniell-usee.png}
\caption{La pile de Daniell un peu usagée}
\end{center}
\end{figure}

\subparagraph*{\textit{Remarque : Pile ou batterie ?}} Une batterie (ou batterie rechargeable) est une pile qui utilise une autre transformation chimique que celle des piles dites "non-rechargeables", cette transformation est réversible (elle fonctionne dans les deux sens) et on trouve aussi dans ces batteries une substance absorbant les gaz qui pourraient se produire lors de la recharge de la batterie.

\subsection{La production d'énergie à partir de matières fossiles}
	
Les énergies fossiles (comme on les appelle aussi) sont des énergies fabriquées à partir de matière non-renouvelable car fabriquée sur de très longues durées et qu'il est difficile d'utiliser, il s'agit généralement du charbon fossile et du pétrole (fabriqués depuis la préhistoire), et certains minéraux (uranium en particulier).

Ces énergies ont généralement des déchets polluants (que ce soit le ${ {CO}_{2} }$  ou les déchets nucléaires hautement radioactifs)

Comment s'est fabriqué le charbon fossile ?

Le charbon s'est fabriqué à partir de l'ère géologique appelée Carbonifère vers -360 à -295 millions d'années. L'accumulation en présence d'un peu d'eau et à basse température dans un environnement pauvre en dioxygène provoque la carbonification des végétaux qui eux doivent être présents en grande quantité, ce phénomène conduira à la formation du charbon.

Et pour le pétrole ?

Le pétrole est une roche liquide formée de substances appelées hydrocarbures (car riches en hydrogène et en carbone) il se forme par la présence de beaucoup de matière organique (végétaux principalement), leur maturation et leur cloiseonnement. Les sous-débris et débris de la biosphère (végétale, animale, eau ...) sédimente peu à peu et se trouve enfouie dans la matière minérale du sol. Pour que la maturation soit possible il faut aussi que ce soient des milieux confinés (des lacs, des lagunes par exemple) afin que, par l'action combinée d'un réchauffement climatique (tel qu'il y a pu en avoir dans la préhistoire à différents moments) fait que plus de déchets sont produits que ce milieu fermé ne peut en recycler et augmente ces sédiments.

Par enfouissement naturel (les couches de sédiments se superposent) la chaleur va s'accumuler et la pression aussi, donnant ainsi le champ libre à certaines bactéries anaérobie (c'est à dire vivant sans oxygène) de transformer ces sédiments en une substance appelée kérogène qui va se pyrolyser (détruire par la chaleur) et produire du pétrole et/ou du gaz naturel.

\subsection{La production d'énergie à partir de sources renouvelable}

Une énergie est renouvelable si elle est disponible en quantité illimitée et sur une durée gigantesque par rapport à la durée d'une vie humaine. Ces énergies sont liées au vent, au soleil ou à l'eau.

En fait on ne produit pas une énergie renouvelable mais on utilise une énergie renouvelable pour produire de l'énergie (électrique).

\subsection{La production d'énergie à partir de carburant nucléaire}
	
Je sépare volontairement l'énergie nucléaire des énergies fossiles bien que son carburant (l'uranium) soit un fossile en soi. Cette énergie se base sur un principe découvert grâce aux travaux de nombreux scientifiques et est une énergie qui reste ultra-controversée. Cette controverse mêle à la fois politique, états, militaires et civiles dans ce qui est sans doute l'une des conquêtes les plus importantes de l'homme, à savoir la domestication de l'énergie issue de l'atome.

De nombreux savants dont par exemple Heiseinberg, Fermi, Hoppenhaumer, Einstein, Marie Curie etc... ont travaillé sur la radioactivité et sur l'énergie de l'atome. Le projet le plus ancien à ma connaissance est le projet Manhattan (1935 - 1945 ) qui avait pour but de fabriquer la première bombe atomique de l'histoire. Ce sont les japonais de la ville d'Hiroshima qui s'en rappellent encore de ce jour du 6 août 1945. La bombe A, appelée \emph{Little Boy} a été larguée sur cette ville causant en quelques jours plus de 80000 morts.

L'histoire de l'énergie de l'atome est tout d'abord militaire, chasse gardée des états dans ce qui suit le monde post-2e guerre mondiale, mais aussi monde de la Guerre Froide telle que vous l'avez appris en histoire. Si vous avez l'occasion (1h de libre) et vos oreilles disponibles je vous conseille l'écoute du podcast sur la bombe H française disponible ici : \url{https://www.franceinter.fr/emissions/affaires-sensibles/affaires-sensibles-17-novembre-2016} où le 1er essai nucléaire français nom de code "Gerboise bleue" réussit, s'en suivant ensuite de nombreux essais et une histoire officieuse sur comment la France a obtenu ou trouvé la bombe H (bombe à fusion ou bombe à hydrogène ou bombe thermonucléaire).

Ce premier volet militaire de l'énergie nucléaire permet aussi d'utiliser civilement et pacifiquement l'énergie nucléaire dans les réacteurs à eau pressurisée dont le premier et plus ancien sur le territoire hexagonal est le réacteur du site de Marcoule (débutant en 1956 et fermé en 1968).

La production d'énergie électrique à partir d'un carburant nucléaire se fait exclusivement dans des centrales. Les centrales utilisent toutes un des procédés détaillés dans la suite :

\begin{figure}[H]
\begin{center}
%\label{}
\includegraphics[scale=0.35]{img-7-technos-nucleaires.png}
\caption{Les 7 genres de réacteurs nucléaires existant dans le monde ou en construction actuellement. Source : Le point/Sciences et Vie par numérisation et recoupement.}
\end{center}
\end{figure}

Actuellement dans le monde on note 7 types de réacteurs : 

\begin{itemize}
	\item Le réacteur à eau bouillante (REB ou BWR en anglais) où de l'eau chauffée jusqu'à ébullition par la réaction nucléaire de l'uranium enrichi donne de la vapeur qui va ensuite directement alimenter la turbine couplée à l'alternateur pour fabriquer de l'électricité, c'est le fluide caloporteur\footnote{Fluide caloporteur : C'est un fluide (liquide ou gaz) qui transporte (-porteur) de la chaleur (calo-).} Cette vapeur est refroidie directement par échange thermique avec l'eau extérieure. Il n'y a pas de circuit secondaire. En avril 2011 il y avait 92 réacteurs dans le monde de ce type, dont à Fukushima-Daïchi.
	\item Le réacteur graphite-gaz (AGR) fonctionne avec de l'uranium faiblement enrichi, la régulation se fait par des barres de carbone graphite et le refroidissement se fait par du gaz carbonique qui va refroidir l'enceinte et les fluides. De l'eau circule dans un circuit étanche allant du coeur à la turbine puis et refroidie par un condenseur (autre circuit d'eau étanche) pour retourner dans le coeur c'est son fluide caloporteur. En 2011 18 réacteurs de ce type fonctionnaient encore, cette technologie est française et date de 1950. Elle a été remplacée par la suite par les réacteurs à Eau pressurisée.
	\item Le réacteur RBMK est une technologie soviétique des années 1950 a servi tout autant à fabriquer de l'électricité que du plutonium à destin militaire. La chaleur émise par la réaction nucléaire est modérée par des barres de graphite et un circuit conduit l'eau du coeur (fluide caloporteur) à la turbine avec un refroidissement par condenseur ou par air. Il n'y a pas de réelle enceinte de confinement pour protéger autour. Ce type de réacteur dont 11 exemplaires fonctionnaient encoer dans le monde en 2011 sont ceux de la célèbre centrale de Tchernobyl.
	\item Le réacteur à eau pressurisée (REP ou PWR en anglais) est le plus présent dans le monde avec 269 réacteurs en fonctionnement en 2011. Il utilise 3 fluides caloporteurs dans des circuits étanches. Le coeur est contrôlé par des barres de contrôle en graphite mais est modéré et refroidi par de l'eau d'un circuit primaire (donc eau très radioactive). Ce liquide est ensuite refroidi par échange thermique avec un circuit secondaire d'eau qui va se vaporiser et faire tourner la turbine. L'eau est refroidie par un 3e circuit d'eau qui lui même est refroidi par de l'air dans des tours de refroidissement.
	\item Le réacteur EPR est une évolution du REP afin de produire de l'énergie de la même façon que dans le REP mais avec un rendement plus élevé (en théorie 22 \% en plus). Il possède en plus un récupérateur de coeur fondu (en cas de problème) et une enceinte de confinement renforcée.
	\item Le réacteur à eau lourde sous pression (RELP) fonctionne avec de l'uranium naturel (donc non enrichi). Il utilise de l'eau lourde comme modérateur et comme fluide caloporteur ce qui permet de moins ralentir les neutrons libérés lors des transformations nucléaires (voir \ref{fission-nucleaire}).
	\item Le surgénérateur (à neutrons rapides ou FBR) est un générateur de conception très différente où on ne ralentit pas les neutrons. L'énergie est telle que c'est un métal fondu (le sodium\footnote{Le sodium métallique fondu ou pas est une substance TRÈS DANGEREUSE : elle prend naturellement feu au contact de l'air et explose au contact de l'eau. Sa conservation en laboratoire demande de la rigueur et de l'attention constante, les morceaux de Sodium solide sont conservés totalement recouverts dans de l'huile de paraffine par exemple ou du pétrole liquide.)} ou un gaz tel que l'hélium qui est utilisé comme fluide caloporteur. Cette technologie est onéreuse et compliquée à maintenir aussi actuellement ce type de surgénérateurs reste utilisé uniquement en Russie ou en Chine. La france a fait fonctionner par le passé 2 de ces générateurs : phénix et superphénix qui ont tous les deux été arrêtés.
\end{itemize}

\subsection{L'énergie et la puissance électriques}

L'énergie électrique est celle qui intéresse le plus notre monde. La quasi-totalité de ce qui vous entoure fonctionne à l'électricité (même les véhicules migrent peu à peu vers cette énergie).

L'énergie électrique provient principalement de 2 sources : l'énergie électrique du secteur (réseau électrique national) qu'on trouve dans les prises électriques, ou bien l'énergie électrique venue de batteries rechargeables ou de piles.

L'énergie électrique est mesurée en Joules, mais aussi en kilowatt x heure. Le facteur de conversion de l'un à l'autre est ${ {1} \space {kW.h} = {3,6} \times {10}^{6} \space {J}}$.

L'énergie électrique (E en joule) dépend du temps de fonctionnement de l'appareil (t en seconde), de la tension électrique qui alimente l'appareil (U en volt) et de l'intensité du courant électrique qui a traversé l'appareil (I en ampère). Ces quatre termes sont reliés ensemble par :

\begin{equation}
	{E} = {U} \times {I} \times {t}
\end{equation}

à partir de cette équation et par analogie avec la relation de la vitesse $ {d} = {v} \times {t}$ on va pouvoir définir une sorte de vitesse de consommation d'énergie qui s'appelle la puissance électrique, notée P et dont l'unité est le Watt\footnote{Le Watt a été choisi en l'honneur de James Watt, ingénieur anglais du XVIIIe siècle qui a beaucoup oeuvré à la fabrication de machines à vapeur qui ont permis la révolution industrielle de la fin du XVIIIe et du XIXe siècle.} (symbole W) ce qui donne la relation suivante : 

\begin{equation}
	{E} = {P} \times {t}
\end{equation}

en écrivant les deux équations l'une à la verticale de l'autre :

\begin{equation*}
\begin{split}	
	{E} &= {U} \times {I} \times {t} \\
	{E} &= {P} \times {t}
\end{split}
\end{equation*}

on associe très rapidement la puissance électrique P (en Watt), l'intensité du courant électrique I (en Ampère) et la tension électrique U (en Volt) par la relation mathématique :

\begin{equation}
	{P} = {U} \times {I}
\end{equation}

Notez que toutes ces grandeurs (E, P, U, I) sont écrites en majuscules car cette relation est valable pour des valeurs continues dans le temps. le temps (t) est lui écrit en minuscule car la lettre T est utilisée pour la période (une durée particulière).

\section{L'énergie mécanique}

L'énergie mécanique d'un corps est composée principalement de l'addition de ses deux énergies que sont l'énergie cinétique ${ {E}_{C} }$ et son énergie de position ${ {E}_{P} }$. Si le système étudié ne subit aucune action extérieure ni perde par échauffement, alors son énergie mécanique est constante.

L'énergie mécanique est notée  ${ {E}_{M} }$  et vaut  ${ {E}_{M} = {E}_{C} + {E}_{P} }$ 

\subsection{L'énergie cinétique ${{E}_{C}}$}

\begin{quote}
	Tout objet de masse "m" (en kilogramme) et de vitesse "v" (en mètre par seconde) possède une énergie cinétique ${ {E}_{C} }$ (en joule) donnée et calculée par la relation suivante :	
\end{quote}		

\begin{equation*}
	{E}_{C} = \frac{1}{2} \times {m} \times {{v}^{2}}	
\end{equation*}
	
notez que cette formule est théoriquement valable pour un déplacement en ligne droite même si au niveau du cycle 4 on l'appliquera en toutes circonstances.

\subsection{L'énergie de position / énergie potentielle ${{E}_{P}}$}

L'énergie de position est L'énergie que possède un système dès qu'il est en altitude. Cette énergie dépend de 3 facteurs : la masse de l'objet " m ", la hauteur de l'objet " h " et de l'intensité de pesanteur à l'endroit où est l'objet " g ". Cette énergie notée ${{E}_{P}}$ est exprimée en Joule (J).

\begin{equation*}
	{E}_{P} = {m} \times {g} \times {h}	
\end{equation*}

\subsection{Énergie cinétique et sécurité routière : La distance pour freiner.}

Expliquer ce que veut dire freiner

Un obstacle apparaît sur la route, vous êtes au volant (ou au guidon) d'un véhicule et il faut choisir entre éviter l'obstacle ou freiner. C'est la seconde option qui a été la vôtre. Mais comment freine-t-on ?

D'un point de vue mécanique "freiner" veut dire passer d'une vitesse non nulle à la vitesse nulle signifiant que la voiture est arrêtée. D'un point de vue énergétique cela veut dire passer d'une énergie cinétique $E_C$ non nulle à une énergie cinétique nulle.

Il existe plusieurs systèmes de freinage d'un véhicule : patins, disques et plaquettes, mâchoires et tambours. Pour que le freinage soit le plus efficace il faut que la roue ne se bloque pas (contrairement à bon nombre de frimeurs --- pour rester poli --- qui " brûlent du bitume " en faisant crisser leurs pneus sur la route et soutenant que c'est quand ça freine le mieux.

\begin{figure}[H]
\begin{center}
%\label{·}
\includegraphics[scale=0.5]{image-factice.png}
\caption{Chaîne énergétique d'une plaquette de frein (ou d'un freinage par mâchoire)}
\end{center}
\end{figure}

La distance d'arrêt lors de cet événement (l'obstacle et la décision de freiner) se décompose en deux parties, l'une est ce qui s'appelle la distance du temps de réaction (ou distance de réaction) qui sera notée en abrégée $D_R$ et l'autre la distance de freinage $D_F$. L'addition des deux donne la distance d'arrêt $D_A$.

\begin{equation}
	D_A = D_R + D_F
\end{equation}

Quels sont les facteurs de ces deux sous-partie ?

\paragraph{La distance du temps de réaction $D_R$} est la distance correspondant à un temps de réaction moyen pour les conducteurs et conductrices de 1 seconde\footnote{Que les petit·e·s malin·e·s relisent bien, c'est une \underline{moyenne} certaines personnes réagiront plus vite, d'autres moins vite en fonction de beaucoup de facteurs.}. Ce temps de réaction est variable d'après beaucoup de facteurs liés à l'humain : le niveau d'attention qui peut être modifié par la prise de médicaments, la fatigue, un événement imprévu dans le véhicule ou à l'extérieur du véhicule générant un état de sidération, et d'autres raisons illicites entre autre au volant (alcool, drogues ...).

Cette distance est estimée à la distance parcourue en 1 seconde (donc c'est super-pratique de savoir convertir les km/h en m/s !) grâce à la relation vue précédemment à savoir 1 m/s = 3,6 km/h on peut donc trouver rapidement les distances parcourues

\begin{table}[H]
\begin{center}
% \label{·}
\begin{tabular}{c || c | c | c | c}
	vitesse en km/h & 30 & 50 & 70 & 80 \\
	vitesse en m/s & 8,333... & 13,888... & 19,444... & 22,222... \\
	$D_R$ (1 s) en m à 0,1 m près & 8,3 & 13,9 & 19,4 & 22,2 \\
\end{tabular}
% \caption{·}
\end{center}
\end{table}

\paragraph{La distance de freinage $D_F$} est la distance parcourue entre le moment où la pédale de frein est enfoncée et l'arrêt complet du véhicule. Il dépend de facteurs mécaniques (d'origine mécanique, environnementale, ...) il s'agit de l'état de la route et de sa composition (surface rugueuse ou glissante, $\pm$ mouillée ou seiche, présence de neige ou de glace, état des amortisseurs, état des pneus, type de gomme ...

Cette distance de freinage augmente comme le carré de la vitesse ...

\begin{table}[H]
\begin{center}
\begin{tabular}{c || c | c | c | c}
	vitesse en km/h & 30 & 50 & 70 & 80 \\
	\hline\hline
	$D_F$ (sol sec) approximative en m & 9 & 25 & 49 & 64 \\
	$D_F$ (sol humide) approximative en m & 13 & 38 & 72 & 96 \\
\end{tabular}
% \caption{·}
\end{center}
\end{table}

Distance de sécurité n'est pas la distance du TR ...