1S. A1.1. Ressources énergétiques

Les élèves doivent savoir
  • Recueillir et exploiter des informations pour identifier des problématiques : – d’utilisation des ressources énergétiques ; – du stockage et du transport de l’énergie. Argumenter en utilisant le vocabulaire scientifique adéquat.
  • Recueillir et exploiter des informations sur le stockage et la conversion d’énergie chimique.
  • Écrire une équation de combustion. Argumenter sur l’impact environnemental des transformations mises en jeu.
  • Déterminer l’ordre de grandeur de la masse de CO2 produit lors du déplacement d’un véhicule.

Mise en situation

La maitrise de la conversion de l’énergie a toujours été un facteur crucial pour le développement de l’humanité et est intimement liée à l’idée de progrès. Depuis la maitrise du « feu », qui n’est autre que la maitrise de la transformation de l’énergie chimique contenue dans les combustibles vers une énergie thermique, en passant par la maitrise du « vent » (conversion d’une énergie mécanique) jusqu’à la maitrise des énergies chimiques contenues dans les combustibles fossiles aux XIX et XXe siècles qui a amené la révolution industrielle par la conversion en énergie électrique.

Malheureusement, cette soif croissante en énergie s’est aussi accompagnée d’une transformation profonde de notre environnement, avec un changement climatique qu’il n’est plus possible de nier alors que des scientifiques de renom, comme le prix Nobel de chimie Paul Josef Crutzen, annoncent que nous sommes même entrés dans une nouvelle ère géologique : l’anthropocène !

Il devient donc urgent de contrôler la façon dont nous transformons l’énergie, de choisir des ressources d’énergies qui ont un impact minime sur notre environnement, de réfléchir au stockage de l’énergie et d’être pleinement informé des enjeux qui impactent désormais l’ensemble de l’humanité.

Ressources énergétiques

Les ressources énergétiques sont les ressources de base dont l’énergie va être transformé pour une utilisation humaine. On distingue deux types de ressources : renouvelables et non renouvelables.

Les ressources renouvelables sont celles qui ne vont pas s’épuiser à l’échelle humaine. Il va de soi que l’on ne peut pas parler à l’échelle de l’univers puisque nous savons que le Soleil va épuiser ses ressources énergétiques internes dans environ cinq millards d’années et qu’il ne fournira donc plus d’énergie rayonnante à la Terre. Mais dans cinq milliards d’années l’humanité aura disparue depuis longtemps ou se sera transformée en autre chose !

Parmi les ressources énergétiques renouvelables on peut donc classer l’énergie mécanique du vent ou de l’eau, l’énergie thermique du sous-sol (géothermie), l’énergie rayonnante du Soleil ou l’énergie chimique contenue dans la biomasse des organismes vivants. Toutes ces énergies peuvent être transformées en énergie utilisable et transportable par l’homme, comme l’énergie électrique ou thermique. On considère que ces ressources se renouvellent suffisamment rapidement pour être « inépuisables ».

Les ressources énergétiques non renouvelables ne se renouvellent pas, ou très lentement, à l’échelle humaine. On y inclut les combustibles fossiles (charbon gas naturel, pétrole) et les combustibles fissiles (uranium 235) qui sont tous convertis en énergie thermique (avant d’être à nouveau convertis en énergie électrique dans les centrales thermiques ou nucléaires).

Très largement majoritaires dans notre utilisation de ressources énergétiques, ces ressources non renouvelables s’épuisent rapidement. On consomme plusieurs milliards de tonnes de pétrole par an, par exemple, alors qu’il a fallu des millions d’années pour que celui-ci se forme.

L’estimation des réserves mondiales restantes est délicate car les variations de consommation sont importantes. La crise économique mondiale de 2008 a fortement fait baisser la consommation de combustibles fossiles, alors que les guerres la font très fortement augmenter.  On découvre peu de nouveaux gisements, mais avec l’augmentation des prix l’exploitation de certaines ressources, comme les sables bitumineux ou les gaz de schiste, deviennent rentables. Sans que ces chiffres ne soient gravés dans le marbre, voici les estimations en 2017 :

Ressource

Durée des réserves

Pétrole

40 ans

Gaz

57 ans

Charbon

150 ans

Uranium

80 ans

Ces chiffres supposent une consommation identique à celle de l’année 2010.

Enjeux énergétiques pour notre avenir

A long terme, l’avenir de notre utilisation énergétique passe donc par la maitrise des énergies renouvelables et par l’optimisation de leur transformation. Il est toutefois possible d’améliorer l’utilisation que nous avons de ces ressources énergétiques en prenant en compte certaines problématiques essentielles : le transport, le stockage, le coût et l’impact sur l’environnement.

Les ressources, surtout fossiles et fissiles, ne sont pas réparties uniformément sur la planète. En dehors de la gestion des tensions géopolitiques liées à ces ressources, il faut penser que leur transport utilise lui-même de l’énergie et n’est pas toujours rentable. D’autre part, certaines ressources sont facilement stockables, comme le pétrole, alors que certaines formes d’énergie ne peuvent pas être stockées à long terme, comme l’énergie électrique.

Le coût d’exploitation de certaines ressources énergétiques est parfois plus important que le coût de cette énergie sous forme transformée. C’est alors un choix de société et politique que de savoir si l’on subventionne ces ressources énergétiques qui peuvent avoir l’avantage d’un impact réduit sur le changement climatique.

Enfin, l’exploitation de certaines ressources énergétiques pose de graves problèmes environnementaux ou sanitaires, comme l’exploitation des gaz de schiste, des sables bitumineux ou le traitement des déchets radioactifs dues à la transformation des énergies fissiles.

Energie chimique

L’énergie chimique est liée à la formation ou à la rupture de liaison covalentes. Toute réaction chimique va donc mettre en jeu cette énergie chimique en l’absorbant ou en la libérant. Comme il faut apporter de l’énergie pour rompre des liaisons covalentes, certaines réactions chimiques vont « consommer » plus d’énergie externe (généralement thermique) qu’elles n’en libèrent, et inversement.

L’énergie chimique est contenue dans des réservoirs que l’on peut exploiter pour la transformer en une autre forme. Ces réservoirs peuvent être naturels, comme le pétrole, le gaz naturel ou la biomasse, ou avoir été créés par l’homme, comme les piles ou les accumulateurs. Cette énergie chimique peut alors être transformée naturellement ou de façon provoquée dans des dispositifs permettant de la récupérer sous une autre forme : thermique, électrique, rayonnante… on parle alors de convertisseur d’énergie.

Ainsi le corps humain est un convertisseur d’énergie qui consomme des aliments afin de transformer leur énergie chimique en énergie mécanique qui fera fonctionner ses muscles. Si ces aliments sont des végétaux, ils ont eux-mêmes transformé l’énergie rayonnante du Soleil en énergie chimique. Les batteries accumulateurs sont également des convertisseurs d’énergie qui transforment l’énergie électrique en énergie chimique pour la stocker avant de faire l’opération inverse lorsqu’on a besoin d’énergie électrique.

Energie d’une réaction de combustion

Nous avons vu que l’humanité utilise majoritairement les ressources d’énergie fossiles pour la transformer en d’autres énergies nécessaires à notre civilisation actuelle : mécanique, thermique, électrique…

Cela se fait principalement avec la réaction de combustion, que vous l’avez déjà étudiée au collège. Cette réaction met en jeu un combustible et un comburant, généralement le dioxygène O2.

Les ressources d’énergie fossiles sont des espèces organiques qui contiennent principalement des atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Dans ce cas, la combustion complète de ces espèce ne produit que de l’eau et dioxyde de carbone. L’équation-bilan de ces réactions est donc très simple.

Exemple de la combustion complète de l’octane (essence) :

Déterminer la masse de dioxyde de carbone produit par la combustion d’un litre d’octane.

On commence par écrire l’équation-bilan de réaction :

2 C8H18 (l) + 25 O2 (g) ⟶ 16 CO2 (g) + 18 H2O (g)

On peut en dresser un tableau d’avancement :

2 C8H18 (l)                      + 25 O2 (g)          16 CO2 (g) +                18 H2O (g)

Etat initial

n

excès

0

0

Etat intermédiaire

n – 2x

excès

16 x

18 x

Etat final

n- 2 xmax

excès

16 xmax

18 xmax

La densité de l’octane étant de 703 kg.m-3, sa masse volumique ρ est donc de 0,703 kg.L-1 (car il y a 1000 L dans 1 m3).

Avec les masses molaires atomiques du carbone (12 g.mol-1), de l’oxygène (16 g.mol-1) et de l’hydrogène (1 g.mol-1), il est possible de calculer la masse molaire de l’octane (114 g.mol-1) et celle du dioxyde de carbone (44 g.mol-1).

Un litre d’octane correspond à une masse de 0,703 kg soit 703 g. Donc à une quantité de matière n = 6,17 mol (n = m/M)

Donc à l’état final xmax = n/2 = 3,09 mol.

la masse de dioxyde de carbone obtenue est donc m = 16 × 3,09 × 44 = 2 175 g (car m = n × M).

La combustion d’un litre d’octane produit donc plus de 2 kg de dioxyde de carbone !

Lorsque le dioxygène n’est pas présent en quantité suffisante, la réaction devient incomplète et produit alors d’autres composés, comme le carbone (la suie) ou le monoxyde de carbone CO qui est un gaz mortel. Il faudra alors écrire des équations-bilan de réaction pour chaque espèce carbonée produite car il s’agit de réactions distinctes qui ont lieu en même temps que la réaction de combustion principale.

Par exemple, pour la combustion incomplète du butane (C4H10) formant du monoxyde de carbone on pourra écrire :

2 C4H10 (g) + 9 O2 (g) ⟶ 8 CO (g) + 10 H2O (g)

La combustion est une réaction qui convertit l’énergie chimique en énergie thermique en grande quantité. A titre de comparaison, voici quelques chaleurs de combustion en kJ (kilojoule) par gramme de combustible :

Combustible

Chaleur de combustion en kJ.g-1

Gaz naturel (méthane)

50

Essence (octane)

48

Charbon

29

Bois sec (biomasse)

15

Si l’on reprend l’exemple précédent on voit donc que la combustion d’un litre d’essence (octane) produit une énergie thermique de l’ordre de 3,37×104 kJ. L’ordre de grandeur des énergies libérées par les combustions est donc de 103 à 104 kJ.mol-1.

Si l’on se souvient qu’un Joule peut être défini par un Newton par mètre en terme de travail effectué, cela signifie que la combustion d’un gramme d’octane fournit une énergie équivalente à une poussée de 1 Newton sur 48 km !!

On comprend alors mieux pourquoi il est si difficile de remplacer ce carburant pour les véhicules et pourquoi on appelle aussi le pétrole du Soleil concentré.

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