Regardez ce trou dans le sol. Une machine creuse du charbon brun tendre, et la centrale électrique derrière le brûle le jour même. Maintenant regardez ceci : trois tours sur un…
Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés
6.1
Ressources renouvelables et non renouvelables
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.A : Identifier les différences entre les sources d'énergie renouvelables et non renouvelables.
ENG-3.A.1 Les sources d'énergie non renouvelables sont celles qui existent en quantité fixe et impliquent une transformation énergétique qui ne peut pas être facilement remplacée.
ENG-3.A.2 Les sources d'énergie renouvelables sont celles qui peuvent être reconstituées naturellement, au rythme ou près du rythme de la consommation, et réutilisées.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Une ressource renouvelable se renouvelle à l'échelle du temps humain (soleil, vent, eau, biomasse) ; une ressource non renouvelable existe en quantités fixes qui mettent des millions d'années à se former (combustibles fossiles, combustible nucléaire). Les ressources non renouvelables s'épuiseront éventuellement et polluent souvent davantage.
Éoliennes : les sources renouvelables se renouvellent à l'échelle du temps humain ; les combustibles fossiles ne le font pas
energy return on energy investment (EROEI)/ˈenədʒi rɪˈtɜːn ɒn ˈenədʒi ɪnˈvestmənt/
能量投资回报率
néng liàng tóu zī huí bào lǜ
6.2
Consommation énergétique mondiale
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.B : Décrire les tendances de la consommation d'énergie.
ENG-3.B.1 L'utilisation des ressources énergétiques n'est pas uniformément répartie entre les pays développés et les pays en développement.
ENG-3.B.2 Les sources d'énergie les plus largement utilisées dans le monde sont les combustibles fossiles.
ENG-3.B.3 À mesure que les pays en développement deviennent plus développés, leur dépendance aux combustibles fossiles pour l'énergie augmente.
ENG-3.B.4 À mesure que le monde devient plus industrialisé, la demande d'énergie augmente.
ENG-3.B.5 La disponibilité, le prix et les réglementations gouvernementales influencent quelles sources d'énergie les gens utilisent et comment ils les utilisent.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
La consommation mondiale d'énergie augmente, en particulier dans les pays en développement. La plupart de l'énergie provient encore de combustibles fossiles. Les nations riches consomment le plus par habitant ; l'accès à l'énergie façonne le développement économique.
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Suivez l'énergie de la source à l'utilisation
Un diagramme de Sankey montre comment l'énergie circule des sources vers le travail utile — et combien est perdue. La majeure partie de l'énergie primaire est gaspillée sous forme de chaleur avant toute utilisation utile.
6.3
Types de carburants et utilisations
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.C : Identifier les types de carburants et leurs utilisations.
ENG-3.C.1 Le bois est couramment utilisé comme carburant sous forme de bois de chauffage et de charbon de bois. Il est souvent utilisé dans les pays en développement car il est facilement accessible.
ENG-3.C.2 La tourbe est un matériau organique partiellement décomposé qui peut être brûlé comme carburant.
ENG-3.C.3 Trois types de charbon utilisés comme carburant sont la lignite, le bitumineux et l'anthracite. La chaleur, la pression et la profondeur d'enfouissement contribuent au développement des divers types de charbon et de leurs qualités.
ENG-3.C.4 Le gaz naturel, le plus propre des combustibles fossiles, est principalement du méthane.
ENG-3.C.5 Le pétrole brut peut être extrait des sables bitumineux, qui sont une combinaison d'argile, de sable, d'eau et de bitume.
ENG-3.C.6 Les combustibles fossiles peuvent être transformés en types de carburants spécifiques pour des usages spécialisés (par ex., dans les véhicules automobiles).
ENG-3.C.7 La cogénération se produit lorsqu'une source de carburant est utilisée pour produire à la fois de la chaleur utile et de l'électricité.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Différents carburants conviennent à différents besoins : charbon et gaz naturel pour l'électricité, pétrole pour le transport, et biomasse pour le chauffage et la cuisson dans de nombreuses régions. Chacun a ses compromis en termes de coût, de disponibilité et de pollution.
6.4
Répartition des ressources énergétiques naturelles
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.D : Identifier où se trouvent les ressources énergétiques naturelles.
ENG-3.D.1 La distribution mondiale des ressources énergétiques naturelles, telles que les minerais, le charbon, le pétrole brut et le gaz, n'est pas uniforme et dépend de l'histoire géologique des régions.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Les ressources énergétiques sont inégalement réparties – le pétrole est concentré dans certaines régions, le charbon dans d'autres, et les énergies renouvelables dépendent du soleil, du vent ou des rivières locaux. Cette répartition inégale alimente le commerce, l'économie et la géopolitique.
6.5
Combustibles fossiles
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.E : Décrire l'utilisation et les méthodes des combustibles fossiles dans la production d'électricité.
ENG-3.E.1 La combustion des combustibles fossiles est une réaction chimique entre le carburant et l'oxygène qui produit du dioxyde de carbone et de l'eau et libère de l'énergie.
ENG-3.E.2 L'énergie provenant des combustibles fossiles est produite en brûlant ces carburants pour générer de la chaleur, qui transforme ensuite l'eau en vapeur. Cette vapeur actionne une turbine, qui fait tourner un générateur, produisant de l'électricité.
ENG-3.E.3 Les humains utilisent une variété de méthodes pour extraire les combustibles fossiles de la terre pour la production d'énergie.
Objectif d'apprentissage ENG-3.F : Décrire les effets des combustibles fossiles sur l'environnement.
ENG-3.F.1 La fracturation hydraulique (fracking) peut causer la contamination des eaux souterraines et la libération de composés organiques volatils.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) formés à partir d'organismes anciens. Ils sont denses en énergie et fiables mais non renouvelables et la principale source de $\text{CO}_2$ et de pollution atmosphérique. Le charbon est le plus sale ; le gaz naturel brûle plus proprement mais laisse fuir du méthane.
Une mine de lignite à ciel ouvert alimentant la centrale électrique derrière elle — le combustible est extrait du sol et brûlé sur place
Le charbon se forme par étapes, et son rang augmente avec la chaleur, la pression et la profondeur d'enfouissement qu'il a subies. De la matière végétale partiellement décomposée devient d'abord de la tourbe (qui peut elle-même être séchée et brûlée), puis de la lignite brun tendre, puis du charbon bitumineux, et enfin de l'anthracite dur – chaque étape est plus sèche, plus riche en carbone et plus énergétique, donc l'anthracite brûle le plus chaudement et proprement.
Le pétrole et le gaz naturel sont de plus en plus exploités par fracturation hydraulique (« fracking ») : un fluide à haute pression est injecté dans la roche shale pour la fissurer et libérer le piégé. Cela a débloqué d'énormes réserves, mais cela peut contaminer les eaux souterraines (méthane et produits chimiques atteignant les puits d'eau potable), libérer des composés organiques volatils dans l'air et déclencher de légers tremblements de terre.
Le pétrole brut peut également être extrait des sables bitumineux – un mélange d'argile, de sable, d'eau et de bitume épais. Séparer le pétrole est intensif en énergie et en eau et déboise de grandes zones, donc son coût environnemental par baril de pétrole est élevé.
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.G : Décrire l'utilisation de l'énergie nucléaire dans la production d'électricité.
ENG-3.G.1 L'énergie nucléaire est générée par fission, où les atomes d'Uranium-235, qui sont stockés dans des barres de combustible, sont divisés en parties plus petites après avoir été frappés par un neutron. La fission nucléaire libère une grande quantité de chaleur, qui est utilisée pour générer de la vapeur, qui actionne une turbine et génère de l'électricité.
ENG-3.G.2 La radioactivité se produit lorsque le noyau d'un isotope radioactif perd de l'énergie en émettant des radiations.
ENG-3.G.3 L'uranium-235 reste radioactif pendant une longue période, ce qui pose des problèmes liés à l'élimination des déchets nucléaires.
ENG-3.G.4 La production d'électricité nucléaire est une source d'énergie non renouvelable. Elle est considérée comme une source d'énergie plus propre car elle ne produit pas de polluants atmosphériques, mais elle génère une pollution thermique et des déchets solides dangereux.
Objectif d'apprentissage ENG-3.H : Décrire les effets de l'utilisation de l'énergie nucléaire sur l'environnement.
ENG-3.H.1 Trecis Island, Tchernobyl et Fukushima sont trois exemples où des accidents ou des catastrophes naturelles ont entraîné des rejets de rayonnements. Ces rejets ont eu des impacts à court et à long terme sur l'environnement.
ENG-3.H.2 La demi-vie d'un élément radioactif peut être utilisée pour calculer divers paramètres, notamment le taux de désintégration et le niveau de radioactivité à des moments précis.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
L'énergie nucléaire fissionne l'uranium (fission) pour chauffer l'eau et actionner des turbines. Elle ne produit aucun $\text{CO}_2$ et beaucoup d'énergie à partir de peu de combustible, mais les risques incluent les déchets radioactifs (de longue durée de vie), le danger de fusion du cœur et le coût élevé.
Exemple résolu. Les déchets radioactifs se désintègrent selon leur demi-vie – le temps nécessaire pour que la moitié se désintègre. Supposons qu'un isotope ait une demi-vie de $30$ ans et qu'un réacteur en laisse $100\ \text{g}$. Après $30$ ans, $50\ \text{g}$ reste ; après $60$ ans, $25\ \text{g}$ ; après $90$ ans (trois demi-vies), $100\times\left(\tfrac12\right)^3=12.5\ \text{g}$. Comme la baisse est divisée par deux et non linéaire, les déchets restent dangereux pendant de nombreuses demi-vies – raison fondamentale pour laquelle ils doivent être stockés en toute sécurité pendant des siècles.
Nuclear fission of a uranium-235 nucleus releases energyUne centrale nucléaire. Les bâtiments du réacteur contiennent le combustible ; la mer fournit l'eau de refroidissement. Remarquez qu'il n'y a pas de fumée – la fission ne libère pas de $\text{CO}_2$
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.I : Décrire les effets de l'utilisation de la biomasse dans la production d'électricité sur l'environnement.
ENG-3.I.1 La combustion de la biomasse produit de la chaleur pour l'énergie à un coût relativement faible, mais elle produit également du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote, des particules et des composés organiques volatils. La surexploitation des arbres pour le combustible entraîne également la déforestation.
ENG-3.I.2 L'éthanol peut servir de substitut à l'essence. Sa combustion n'introduit pas de carbone supplémentaire dans l'atmosphère via la combustion, mais son rendement énergétique par rapport à l'investissement énergétique est faible.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Biomasse (bois, cultures, déchets, biocarburants comme l'éthanol) est renouvelable et peut être neutre en carbone si replantée, mais sa combustion cause une pollution atmosphérique, et cultiver des cultures énergétiques entre en concurrence avec la nourriture et l'habitat.
Éthanol, produit à partir de cultures telles que le maïs ou la canne à sucre, peut remplacer l'essence et n'ajoute pas de carbone nouveau lorsqu'il est brûlé (la plante a absorbé ce $\text{CO}_2$ pendant sa croissance). Son inconvénient est un faible retour énergétique sur investissement énergétique (EROEI) : cultiver, récolter et distiller la culture utilise presque autant d'énergie que le carburant ne délivre finalement.
6.8
Énergie Solaire
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.J : Décrire l'utilisation de l'énergie solaire dans la production d'électricité.
ENG-3.J.1 Les cellules photovoltaïques captent l'énergie lumineuse du soleil et la transforment directement en énergie électrique. Leur utilisation est limitée par la disponibilité de la lumière solaire.
ENG-3.J.2 Les systèmes d'énergie solaire actifs utilisent l'énergie solaire pour chauffer un liquide au moyen d'équipements mécaniques et électriques afin de collecter et de stocker l'énergie capturée du soleil.
ENG-3.J.3 Les systèmes d'énergie solaire passifs absorbent la chaleur directement du soleil sans utiliser d'équipements mécaniques ou électriques, et l'énergie ne peut ni être collectée ni stockée.
Objectif d'apprentissage ENG-3.K : Décrire les effets de l'utilisation de l'énergie solaire dans la production d'électricité sur l'environnement.
ENG-3.K.1 Les systèmes d'énergie solaire ont un faible impact environnemental et produisent une énergie propre, mais ils peuvent être coûteux. De grands parcs solaires peuvent nuire aux écosystèmes désertiques.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Solaire convertit la lumière du soleil en électricité (panneaux photovoltaïques) ou en chaleur. C'est renouvelable et propre pendant l'utilisation, mais intermittent (pas de soleil la nuit), nécessite de l'espace et a des impacts de fabrication.
Un parc solaire. Des rangées de panneaux photovoltaïques sont inclinées vers le soleil ; une grande production nécessite une grande surface terrestre
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.L : Décrire l'utilisation de l'hydroélectricité dans la production d'électricité.
ENG-3.L.1 L'hydroélectricité peut être produite de plusieurs manières. Les barrages construits sur les rivières recueillent l'eau dans des réservoirs. L'eau courante peut être utilisée pour faire tourner une turbine. Des turbines peuvent également être placées dans de petites rivières, où l'eau courante fait tourner la turbine.
ENG-3.L.2 L'énergie marémotrice utilise l'énergie produite par les flux de marée pour actionner une turbine.
Objectif d'apprentissage ENG-3.M : Décrire les effets de l'utilisation de l'hydroélectricité dans la production d'électricité sur l'environnement.
ENG-3.M.1 L'hydroélectricité ne génère pas de pollution atmosphérique ni de déchets, mais la construction des centrales peut être coûteuse, et il peut y avoir une perte ou un changement d'habitats suite à la construction de barrages.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Hydroélectrique utilise l'eau en mouvement (barrages) pour faire tourner des turbines – renouvelable et à faibles émissions, mais les barrages inondent l'habitat, bloquent la migration des poissons, piègent les sédiments et déplacent les populations.
Un barrage hydroélectrique. Le réservoir est retenu derrière le mur ; l'eau tombe à travers le barrage pour faire tourner les turbines dans la maison de puissance à sa base
6.10
Énergie Géothermique
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.N : Décrire l'utilisation de l'énergie géothermique dans la production d'électricité.
ENG-3.N.1 L'énergie géothermique est obtenue en utilisant la chaleur stockée à l'intérieur de la Terre pour chauffer de l'eau, qui est ramenée à la surface sous forme de vapeur. La vapeur est utilisée pour actionner un générateur électrique.
Objectif d'apprentissage ENG-3.O : Décrire les effets de l'utilisation de l'énergie géothermique dans la production d'électricité sur l'environnement.
ENG-3.O.1 Le coût d'accès à l'énergie géothermique peut être prohibitif, car elle n'est pas facilement accessible dans de nombreuses parties du monde. En outre, elle peut provoquer la libération de sulfure d'hydrogène.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Géothermie exploite la chaleur interne de la Terre pour l'électricité et le chauffage. C'est renouvelable et fiable, mais seulement pratique là où la roche chaude est proche de la surface (régions volcaniques) et peut libérer des gaz souterrains.
Une centrale géothermique en Islande, une région volcanique. La vapeur de la roche chaude ci-dessous est acheminée par tuyauterie pour actionner les turbines
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.P : Décrire l'utilisation des piles à combustible hydrogène dans la production d'électricité.
ENG-3.P.1 Les piles à combustible hydrogène sont une alternative aux sources de carburant non renouvelables. Elles utilisent l'hydrogène comme carburant, combinant l'hydrogène et l'oxygène de l'air pour former de l'eau et libérer de l'énergie (électricité) au cours du processus. L'eau est le produit (émission) d'une pile à combustible.
Objectif d'apprentissage ENG-3.Q : Décrire les effets de l'utilisation des piles à combustible hydrogène dans la production d'électricité sur l'environnement.
ENG-3.Q.1 Les piles à combustible hydrogène ont un faible impact environnemental et ne produisent pas de dioxyde de carbone lorsque l'hydrogène est produit à partir d'eau. Cependant, la technologie est coûteuse et de l'énergie est encore nécessaire pour créer le gaz hydrogène utilisé dans la pile à combustible.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Une pile à combustible hydrogène combine l'hydrogène et l'oxygène pour produire de l'électricité, avec de l'eau comme seul rejet lors de l'utilisation. Mais la production d'hydrogène nécessite généralement de l'énergie (souvent issue de combustibles fossiles), et le stockage est difficile.
Une pile hydrogène-oxygène produit de l'électricité, avec l'eau comme seul produit
6.12
Énergie éolienne
Programme
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.R : Décrire l'utilisation de l'énergie éolienne dans la production d'électricité.
ENG-3.R.1 Les éoliennes utilisent l'énergie cinétique de l'air en mouvement pour faire tourner une turbine, qui fait tourner un générateur, produisant de l'électricité.
Objectif d'apprentissage ENG-3.S : Décrire les effets de l'utilisation de l'énergie éolienne dans la production d'électricité sur l'environnement.
ENG-3.S.1 L'énergie éolienne est une source d'énergie renouvelable et propre. Cependant, les oiseaux et les chauves-souris peuvent être tués s'ils volent dans les pales de turbine en rotation.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
Vent les turbines convertissent l'air en mouvement en électricité – renouvelable, propre et à faible coût de fonctionnement, mais intermittentes, nécessitant beaucoup de terres ou de mer, et dangereuses pour les oiseaux et les chauves-souris. Idéales là où les vents sont forts et réguliers.
Éoliennes sur les terres agricoles. Elles occupent peu de terrain, donc la terre entre elles peut encore être cultivée
Compréhension durable (ENG-3) : Les humains utilisent l'énergie provenant de diverses sources, entraînant des conséquences positives et négatives.
Objectif d'apprentissage ENG-3.T : Décrire les méthodes permettant de conserver l'énergie.
ENG-3.T.1 Certaines des méthodes pour économiser l'énergie autour d'une maison incluent l'ajustement du thermostat pour réduire l'utilisation du chauffage et de la climatisation, l'économie d'eau, l'utilisation d'appareils économes en énergie et l'aménagement paysager de conservation.
ENG-3.T.2 Les méthodes pour économiser l'énergie à grande échelle incluent l'amélioration de l'économie de carburant pour les véhicules, l'utilisation de VBE (véhicules électriques à batterie) et de véhicules hybrides, l'utilisation des transports en commun et la mise en œuvre de caractéristiques de conception de bâtiments verts.
Source : Description du cours et de l'examen AP College Board
L'efficacité énergétique réduit la demande grâce à l'efficacité (éclairage LED, isolation, appareils efficaces, transports publics) et aux comportements. Économiser l'énergie est souvent l'option la moins chère et la plus propre – l'énergie que vous n'utilisez pas ne nécessite aucun combustible et ne génère aucune pollution.
Un gain d'efficacité connexe est la cogénération : une seule combustion de carburant est utilisée pour produire à la fois de l'électricité et de la chaleur utile, capturant la chaleur résiduelle qu'une centrale ordinaire rejette simplement – ainsi, beaucoup plus de l'énergie du carburant effectue un travail utile.
Exemple corrigé. Remplacer une ampoule incandescente de $60\ \text{W}$ par une LED de $10\ \text{W}$ qui donne la même luminosité permet d'économiser $50\ \text{W}$. En la faisant fonctionner $5$ heures par jour, on économise $50\ \text{W}\times5\ \text{h}=250\ \text{Wh}=0.25\ \text{kWh}$ par jour, soit environ $0.25\times365\approx91\ \text{kWh}$ par an. Multipliez cela par chaque ampoule dans une ville et la conservation rivalise avec une nouvelle centrale électrique – à un coût bien inférieur.
Un parc solaire : produire plus d'énergie renouvelable et réduire la demande sont tous deux des stratégies de conservation de l'énergie
Séparer les sources renouvelables (soleil, vent, eau) des sources non renouvelables (combustibles fossiles, nucléaire) et peser les compromis de chaque source.
Les combustibles fossiles sont denses en énergie mais émettent du CO₂ ; le nucléaire n'émet pas de CO₂ mais laisse des déchets de longue durée de vie.
Faire des calculs de demi-vie : après $n$ demi-vies, une fraction $(\tfrac12)^n$ reste.
Noter que le solaire et l'éolien sont intermittents et nécessitent un stockage ou une réserve.
La conservation (efficacité) est souvent l'option la moins chère et la plus propre — l'énergie non utilisée ne nécessite aucun carburant.
Connaître les rangs de charbon (tourbe → lignite → bitumineux → anthracite ; plus de chaleur/pression/enfouissement → énergie plus élevée) et les carburants non conventionnels fracking (pétrole/gaz de schiste ; pollution des eaux souterraines + COV) et sables bitumineux (bitume, intensif en énergie).
L'éthanol n'ajoute pas de CO₂ net mais a un EROEI faible ; la cogénération (chaleur et puissance combinées) capture la chaleur résiduelle pour qu'un seul carburant produise à la fois de l'électricité et de la chaleur.
Leçons interactives sur ce sujet
Traversez-le étape par étape, avec des exercices à vérification instantanée.
