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Chapitre 2 : intro à la physique
Exergie - Anergie
En thermodynamique, l'exergie est une grandeur permettant de calculer le travail maximal que peut
fournir un système à l'extérieur lorsqu'il se met à l'équilibre thermodynamique avec son environnement. Le travail maximum récupérable est ainsi égal à l'opposé de la variation d'exergie au cours de
la transformation.
Si l'énergie ne peut que se transformer sans jamais se détruire (voir 1er principe de la thermodynamique), l'exergie ne peut en revanche que diminuer dans les transformations réelles. L'exergie détruite au cours d'une réaction est appelé anergie. Ce phénomène est lié à l'entropie du système et de
son environnement, qui ne peut qu'augmenter au cours d'une transformation réelle, non réversible.
Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est l'ensemble du rayonnement émis par le Soleil. En plus des rayons cosmiques, particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées, le Soleil émet des
ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes radio aux rayons gamma, en passant
par la lumière visible. Arrivé au niveau de la mer, c'est-à-dire ayant traversé toute l'atmosphère terrestre, le rayonnement solaire a subi plusieurs « filtrations ». On peut repérer notamment sur le
spectre ci-contre les bandes d'absorption de l'ozone (connu pour stopper une bonne partie des ultraviolets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l'eau. L'intensité du rayonnement n'est pas constante et augmente énormément lors des éruptions solaires pendant les maxima du cycle solaire.
À titre d'information, 2 kWh est la quantité d’énergie nécessaire pour alimenter une ampoule de
100W pendant 20 heures ou un séchoir à cheveux de 2000 W pendant 1 heure. 2 600 « Calories » par
jour, cela fait environ 3 kWh par jour. L’essentiel de cette énergie finit par s’échapper du corps sous
forme de chaleur ; autrement dit, une des fonctions d’une personne typique est d’agir comme un
radiateur avec une production d’un peu plus de 100 W, soit une ampoule classique de moyenne puissance.
Chapitre 4 : énergies fossiles I
Charbon
Le charbon est un kérogène formé à partir de la dégradation de la matière organique des végétaux. Il
reste le combustible fossile le plus utilisé dans le monde. Au cours de plusieurs millions d'années,
l'accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière
provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d'oxydoréduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de
plus en plus riches en carbone : la tourbe (50 à 55 %), le lignite (55 à 75 %), la houille (75 à 90 %) et
l'anthracite (> 90 %).Le charbon est une roche sédimentaire combustible composée essentiellement
de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Il se forme sur plusieurs millions d'années à partir de l'accumulation de débris végétaux qui vont sédimenter et carboniser progressivement suite à une modification graduelle des conditions de température et de pression.
Pétrole
Le pétrole est un produit de l'histoire géologique d’une région3, et particulièrement de la succession
de trois conditions :
 L'accumulation de matière organique, végétale essentiellement ;
 Sa maturation en hydrocarbures ;
 Son emprisonnement.
Gaz naturel
Le gaz naturel est un combustible fossile composé d'un mélange d'hydrocarbures présent naturellement dans des roches poreuses sous forme gazeuse. Avec 23 % de l'énergie consommée en 2005, le
gaz naturel est la troisième source d'énergie la plus utilisée dans le monde après le pétrole (37 % en
2005) et le charbon (24 % en 2005). Il existe plusieurs formes de gaz naturel, se distinguant par leur
origine, leur composition et le type de réservoirs dans lesquels ils se trouvent. Néanmoins, le gaz est
toujours composé principalement de méthane et issu de la désagrégation d'anciens organismes vivants. Aux différents types de gaz naturels cités ci-après, on pourrait adjoindre le biogaz, ou biométhane, un substitut renouvelable issu de la décomposition de certains déchets de l'activité anthropique.
The efficiency paradox
Le paradoxe de Jevons, baptisé du nom de l'économiste britannique William Stanley Jevons, énonce
qu'à mesure que les améliorations technologiques augmentent l'efficacité avec laquelle une ressource est employée, la consommation totale de cette ressource peut augmenter au lieu de diminuer. En particulier, ce paradoxe implique que l'introduction de technologies plus efficaces en matière d'énergie peut, dans l'agrégat, augmenter la consommation totale de l'énergie.
Effet de serre
L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagnétique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas
général), contribue à augmenter la température de surface par rapport à une situation « sans effet
de serre » (corps noir). On le retrouve sur différents objets célestes dans le système solaire, notamment sur Terre et sur Vénus.
Son principe est que l'atmosphère laisse passer des rayonnements solaires (de jour seulement), que
le sol absorbe et réémet vers le haut (de jour comme de nuit) sous forme d'autres rayonnements qui
sont cette fois absorbés par l'atmosphère, ce qui la réchauffe et la fait renvoyer vers le sol une partie
de l'énergie qui s'en échappait, contribuant à réduire la perte de chaleur donc à augmenter la température du sol.
Cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique idéal constitué de quatre processus réversibles :
une détente isotherme, une détente adiabatique (donc isentropique car réversible), une compression isotherme, et une compression adiabatique. C'est le cycle le plus efficace pour obtenir du travail
à partir de deux sources de chaleur de températures constantes ; le cycle inverse est le moyen le plus
efficace de transférer de la chaleur d'une source froide à une source chaude à partir d'une source de
travail. L'efficacité des autres cycles et des machines réelles est comparée à celle du cycle de Carnot
par le biais du rendement, un nombre sans dimension compris entre 0 (efficacité nulle) et 1 (efficacité parfaite).
Machine à vapeur
La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du
XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe. Il transforme l'énergie thermique que
possède la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique.
Comme première source d'énergie mécanique constructible et maîtrisable par l'Homme (contrairement à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent, qui nécessitent des sites spéciaux et que l'on ne
peut actionner facilement à la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Révolution
industrielle. Mais au XXe siècle, la machine à vapeur « alternative » a été supplantée par la turbine à
vapeur. Le moteur électrique et le moteur à combustion interne l'ont aussi remplacée dans la mise à
disposition d'énergie mécanique.
Turbine à vapeur
La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle
thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant
le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau.
Chapitre 5 énergies renouvelables I
Cycle carbone
Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique (ensemble des échanges d'une élément chimique)
du carbone sur une planète.
Celui de la Terre est rendu plus complexe par l'existence d'importante masses d'eau océaniques, et
surtout par le fait que la vie (et donc les composés carbonés qui en sont le substrat) y tient une place
importante.
Il existe quatre réservoirs de carbone : l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et l'atmosphère. La
plus grande partie du carbone terrestre est piégé dans des composés qui participent peu au cycle :
roches sous forme de carbonates et océan profond. L'essentiel du cycle se fait entre l'atmosphère,
les couches superficielles du sol et des océans, et la biosphère (biomasse) et nécromasse).
En mer, le carbone est surtout stocké sous forme de carbonate et de biomasse planctonique.
Sur les continents, les tourbières, prairies et forêts, mais aussi certains sols jouent un rôle plus ou
moins important de stockage de carbone ou de puits de carbone.
Biomasse
La biomasse est le terme qui, en écologie, désigne la masse totale d'organismes vivants dans un biotope déterminé à un moment donné. Elle peut être estimée par unité de surface s'il s'agit d'un milieu
terrestre ou bien par unité de volume s'il s'agit d'un milieu aquatique
Par extension, on appelle aussi biomasse la quantité d'individus de chaque étape de la chaîne alimentaire nécessaire pour que le mangeur final prenne une unité de poids.
Energie solaire thermique
L'énergie solaire thermique est la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique.
Cette transformation peut être soit utilisée directement (pour chauffer un bâtiment par exemple) ou
indirectement (comme la production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir
une énergie électrique). En utilisant la chaleur transmise par rayonnement plutôt que le rayonnement lui-même, ces modes de transformation d'énergie se distinguent des autres formes d'énergie
solaire comme les cellules photovoltaïques.
Energie hydraulique
L'énergie hydraulique est l'énergie fournie par le mouvement de l'eau, sous toutes ses formes :
chute, cours d'eau, courant marin, marée, vagues. Ce mouvement peut être utilisé directement, par
exemple avec un moulin à eau, ou plus couramment être converti, par exemple en énergie électrique
dans une centrale hydroélectrique.
L'énergie hydraulique est en fait une énergie cinétique dans le cas des courants marins ou des cours
d'eau, des marées, des vagues, et une énergie potentielle dans le cas des chutes d'eau et barrages.
Centrale hydroélectriques
L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable obtenue par
conversion de l'énergie hydraulique, des différents flux d'eau naturels1, en électricité. L'énergie cinétique du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie électrique par un alternateur.
En 2011, l’hydroélectricité représente environ 16 % de la production mondiale d’électricité et possède de nombreux atouts. C'est une énergie renouvelable, d'un faible coût d'exploitation et qui est
responsable d'une faible émission de gaz à effet de serre. Elle présente toutefois des inconvénients
sociaux et environnementaux particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions
non montagneuses : déplacements de population, éventuellement inondations de terres agricoles,
modifications des écosystèmes aquatiques et terrestre, blocage des alluvions…
Troisième source de production d'électricité en Europe, l’hydroélectricité est amenée à se développer en intégrant la protection des ressources piscicoles et en s’articulant avec d’autres énergies renouvelables comme l’éolien ou d’autres systèmes hybrides (par exemple avec l’hydrogène).
Pompage - turbinage
Le pompage-turbinage est une technique de stockage de l'énergie électrique. Elle repose sur le principe de pomper de l'eau pour la stocker dans des bassins d'accumulation lorsque la demande d'énergie est faible — c'est le pompage — afin de turbiner cette eau plus tard pour produire de l'électricité
lorsque la demande est forte — c'est le turbinage.
Hauteur de chute
La hauteur de chute, dans le contexte d'une centrale hydro-électrique, est la différence d'altitude
entre le niveau de l'eau en amont et la turbine hydraulique.
Une hauteur de chute importante augmente la puissance qu'on peut extraire du cours d'eau. Les
barrages permettent d'augmenter la hauteur de chute en créant un réservoir artificiel en amont de la
centrale.
On classe les ouvrages en fonction de leur hauteur de chute maximale:
 les hautes chutes, plus de 200 mètres;
 les moyennes chutes, entre 50 et 200 mètres;
 les basses chutes, de moins de 50 mètres.
Le type de turbine hydraulique qui peut être installé dans une centrale dépend de sa hauteur de
chute.
Chapitre 7 énergies renouvelables II
Energie des vagues
L'énergie des vagues ou énergie houlomotrice est une énergie marine utilisant la puissance du mouvement des vagues de houle.
La faisabilité de son exploitation a été étudiée, en particulier en Angleterre : le système, couplé à des
dispositifs flottants ou à des ballons déplacés par des vagues dans une structure en béton en forme
d'entonnoir, produirait de l'électricité. Les nombreux problèmes pratiques rencontrés ont contrarié
les différents projets.
Energie éolienne
L’énergie éolienne est l’énergie du vent et plus spécifiquement, l’énergie directement tirée du vent
au moyen d’un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent. L’énergie
éolienne est une des formes d'énergie renouvelable.
L’énergie éolienne peut être utilisée de trois manières :
 Conservation de l’énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (navire à voile ou char à voile), pour pomper de l’eau (moulins de Majorque, éoliennes de pompage pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d’un moulin ;
 Transformation en force motrice (pompage de liquides, compression de fluides...) ;
 Production d'énergie électrique ; l’éolienne est alors couplée à un générateur électrique pour
fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou
bien fonctionne au sein d'un système « autonome » avec un générateur d’appoint (par
exemple un groupe électrogène) et/ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stockage d'énergie.
Eolienne
Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Le
plus souvent cette énergie est elle-même transformée en énergie électrique. Les éoliennes produisant de l'électricité sont appelées aérogénérateurs, tandis que les éoliennes qui pompent directement de l'eau sont parfois dénommées éoliennes de pompage, dont un type particulier est l'éolienne
Bollée.
Les termes de parc éolien ou de ferme éolienne sont utilisés pour décrire les unités de production
groupées (installées à terre ou en mer).
Les États dans le monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont la Chine, l'Allemagne,
l'Espagne, les États-Unis et le Danemark.
Une éolienne se compose des éléments suivants :
 Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement
(nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande,
multiplicateur, générateur, etc.).
 Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de
la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.
 Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne, fixé à la nacelle. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il est branché directement ou indirectement
(via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilisera l'énergie
recueillie (pompe, générateur électrique...).
Des éléments annexes, comme un poste de livraison pour injecter l'énergie électrique produite au
réseau électrique, complètent l'installation.
Energie solaire photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire
qui fait partie des énergies renouvelables. La cellule photovoltaïque est un composant électronique
qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet
photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque,
plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de
l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.
Cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), produit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. La tension obtenue est fonction de la lumière incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue.
Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi-conducteurs : séléniure de cuivre et
d'indium (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, Les cellules sont souvent
réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance
recherchée.
Semi-conducteur et silicium
Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour
lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est
suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est
intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants.
Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie
des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffisamment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la
bande de conduction. Si un potentiel électrique est appliqué à ses bornes, un faible courant électrique apparait, provoqué à la fois par le déplacement des électrons et par celui des « trous » qu'ils
laissent dans la bande de valence.
Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de ses bonnes
propriétés, et de son abondance naturelle même si il existe également des dizaines d'autres semiconducteurs utilisés, comme le germanium, l'arséniure de gallium ou le carbure de silicium.
Cellule de Grätzel
Il s’agit d’un système photoélectrochimique inspiré de la photosynthèse végétale constitué d’un électrolyte donneur d’électron (analogue à l’eau dans la photosynthèse) sous l’effet d’un pigment excité
par le rayonnement solaire (analogue à un pigment photosynthétique tel que la chlorophylle). La
force électromotrice de ce système vient de la rapidité avec laquelle l’électrolyte compense
l’électron perdu par le pigment excité avant que ce dernier ne se recombine : le pigment photosensible est imprégné dans un matériau semi-conducteur fixé à la paroi transparente et conductrice
située face au soleil, de sorte que l’électron libéré par le pigment diffuse jusqu’à la paroi conductrice
à travers le matériau semi-conducteur pour venir s’accumuler dans la paroi supérieure de la cellule et
générer une différence de potentiel avec la paroi inférieure.
Géothermie
La géothermie, du grec géo (la terre) et thermie (la chaleur), est la science qui étudie les phénomènes thermiques internes du globe terrestre et la technique qui vise à l'exploiter. Par extension, la
géothermie désigne aussi l'énergie géothermique issue de l'énergie de la Terre qui est convertie en
chaleur 1.
On distingue trois types de géothermie :
 la géothermie peu profonde à basse température ;
 la géothermie profonde à haute température ;
 la géothermie très profonde à très haute température.
Ces trois types de géothermie prélèvent la chaleur contenue dans le sol.
Le manteau terrestre étant chaud, la croûte terrestre laisse filtrer un peu de cette chaleur, cependant la plus grande partie de la puissance géothermique obtenue en surface (87%) est produite par la
radioactivité des roches qui constituent la croûte terrestre : Radioactivité produite par la désintégration naturelle de l'uranium, du thorium et du potassium6.
Il existe dans la croûte terrestre, épaisse en moyenne de 30 km, un gradient de température appelé
gradient géothermique qui définit que plus on creuse et plus la température augmente ; en moyenne
de 3 °C par 100 mètres de profondeur.
La géothermie vise à étudier et exploiter ce phénomène d'augmentation de la température en fonction de la profondeur (même si le flux de puissance obtenu diminue avec la profondeur, puisque
l'essentiel de ce flux provient de la radioactivité des roches de la croûte terrestre).
Pompe à chaleur
Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur
du milieu "fournisseur de calories" (en le refroidissant) vers le milieu récepteur de calorie (qui est
donc chauffé), alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à
l'égalité des températures. On parle de cycle frigorifique pour désigner ce cycle thermodynamique.
Différents appareils utilisent le principe de pompe à chaleur pour leur fonctionnement : le réfrigérateur ou le climatiseur par exemple sont des pompes à chaleur. La pompe à chaleur est aussi utilisée
dans le cadre de la thermique du bâtiment pour le chauffage de ceux-ci.
On définit deux milieux : la source froide (d'où l'on extrait la chaleur) et la source chaude (où on la
réinjecte). La température réelle des sources n'intervient pas dans cette définition, bien que le dispositif soit surtout efficace dans le cas où la source chaude a une température plus élevée que la source
froide1. Un circuit frigorifique transfère l'énergie thermique grâce au changement d'état (liquide/gaz)
du fluide qu'on oblige à circuler à l'intérieur.
Chapitre 8 : cycle de l’hydrogène
Stockage de l’énergie
Le stockage d'énergie est un enjeu à la hauteur de la consommation d'énergie : primordial.
Pour les états, l'indépendance énergétique est stratégique et économiquement essentielle. Pour les
individus et les entreprises, une énergie disponible à la demande, sans coupure inopinée, est un confort et une commodité pour la production.
Même pour la "production d'énergie", le stockage est essentiel : en réalité, ce qu'on appelle couramment et économiquement "production d'énergie" n'est pas, physiquement, de la production,
mais de la transformation d'un stock d'énergie potentielle (charbon, eau stockée en hauteur, matière
fissile ...) en une énergie directement utilisable pour un travail (électricité, travail mécanique).
Le stockage consiste à reconstituer un stock d'énergie potentielle à partir d’énergie dont on n'a pas
l’usage immédiat. Le but est de pouvoir en disposer plus tard, lorsque la demande sera plus impor-
tante. Cela est en particulier indispensable quand l'énergie immédiatement disponible est variable
dans le temps, comme c'est le cas des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolienne).
L'opération de stockage d'énergie est toujours associée à l'opération inverse, consistant à récupérer
l'énergie stockée (le déstockage). Ces deux opérations de stockage/déstockage constituent un cycle
de stockage. À la fin d'un cycle, le système de stockage retrouve son état initial (idéalement "vide").
On a alors régénéré le stockage. Le rendement d'un cycle correspond au rapport entre la quantité
d'énergie récupérée sur la quantité d'énergie que l'on a cherché initialement à stocker. En effet, chacune des deux opérations de stockage et de déstockage induit invariablement des pertes d'énergie
ou de matière : une partie de l'énergie initiale n'est pas réellement stockée et une partie de l'énergie
stockée n'est pas réellement récupérée. Le rendement d'un cycle de stockage d'énergie dépend
énormément de la nature du stockage et des systèmes physiques mis en œuvre pour assurer les opérations de stockage et de déstockage.
Le stockage est directement lié à l'usage qu'on fait de l'énergie.
 La combustion étant l'usage énergétique le plus courant, le stockage de combustible est aussi le plus développé. Tous les États disposent de stocks stratégiques de pétrole, mais même
en excluant ces éléments fossiles, il faut rappeler l'importance pratique du bois-énergie, dont
on fait des stocks pour l'hiver, et le développement des bio-carburants.
 Le stockage sous forme d'énergie potentielle de chute (par remontée d'eau derrière des barrages quand il y a surproduction d'électricité) est déjà très utilisé pour la régulation et l'équilibrage des réseaux électriques. C'est une solution qui améliore la rentabilité et la disponibilité des énergies renouvelables1.
 A plus faible échelle, le stockage d'énergie en vue de la production d'électricité (électrochimique dans les piles et les batteries, électrique dans les condensateurs) est bien moindre en
termes de quantité d'énergie, mais très important sur le plan pratique.
Production d’hydrogène
La production d'hydrogène, ou plus exactement de dihydrogène, s'obtient le plus souvent par un
procédé d'extraction chimique d'hydrocarbures fossiles. Le dihydrogène peut également être extrait
de l'eau via la production biologique d'hydrogène par des algues, ou par électrolyse, par réduction
chimique), ou encore par la chaleur (thermolyse); ces autres méthodes sont moins propices à la production industrielle, par rapport à celle dérivée des hydrocarbures par voie chimique. La découverte
et le développement de méthodes moins coûteuses de production d'hydrogène en masse permettra
d'accélérer la mise en place d'une « économie hydrogène ».
À partir des hydrocarbures
Le dihydrogène peut être généré à partir du gaz naturel, avec un rendement d'environ 80%, ou à
partir d'autres hydrocarbures avec des degrés divers d'efficacité. La méthode de conversion des hydrocarbures cause des rejets de gaz à effet de serre. Étant donné que la production est concentrée
dans un seul établissement, il est possible de séparer les gaz et de s'en débarrasser de façon adéquate, par exemple pour les injecter dans une couche de pétrole ou de gaz naturel (voir la capture du
carbone), bien que ce ne soit pas le fait actuellement dans la plupart des cas. Un projet d'injection de
dioxyde de carbone dans le gisement de gaz de Sleipner a été lancé par la compagnie norvégienne
StatoilHydro.
Réduction de la vapeur d'eau
Généralement le dihydrogène est produit par vaporeformage par le gaz naturel, mais la charge peut
aussi être du GPL ou du Naphta. A haute température (700-1100 °C) et à pression modérée (20-30
bars), de la vapeur (H2O) réagit avec le méthane (CH4) sur un catalyseur au nickel (Ni) pour obtenir un
mélange de monoxyde de carbone CO et de dihydrogène H2, mélange connu sous le nom de "gaz de
synthèse".
CH4 + H2O → CO + 3 H2
L'énergie libérée par cette réaction est de 191,7 kJ/mol.
La chaleur nécessaire au processus est généralement fournie par combustion d'une partie du méthane.
Monoxyde de carbone
Du dihydrogène supplémentaire peut être récupéré par l'ajout d'eau par le biais de la réduction de
l'eau réalisée à environ 130 °C:
CO + H2O → CO2 + H2 - 40,4 kJ / mol
Essentiellement, l'atome d'oxygène (O) est extrait de l'eau (vapeur) ajoutée pour oxyder le CO en
CO2. Cette oxydation fournit également de l'énergie pour perpétuer la réaction en cours.
Stockage de l’hydrogène
Le stockage de l’hydrogène désigne la mise en réserve de l'élément chimique Hydrogène en vue de
sa mise a disposition. Le but des différentes techniques envisagées est pour une grande part l'utilisation de l'hydrogène à des fins énergétiques en produisant de l'énergie mécanique ou électrique.
La problématique du stockage de l’hydrogène est, et continuera d’être pendant probablement plusieurs décennies, l’une des questions et défis technologiques et scientifiques les plus importants. Son
acuité découle de l’importance qu’ont les transports dans les sociétés actuelles. En effet l’hydrogène
peut être utilisé, comme le pétrole, pour « faire avancer » un véhicule.
Il y a essentiellement deux moyens de « faire avancer » un véhicule avec de l’hydrogène :
1. avec un moteur à combustion interne comme dans le cas des véhicules actuels, l’efficacité
étant alors limitée par le cycle de Carnot et le rendement à environ 25 % ;
2. avec un moteur électrochimique basé sur une pile à combustible, l’efficacité n’étant alors pas
limitée par le cycle de Carnot, le rendement peut atteindre 50 à 60 %.
Pourquoi le stockage d’hydrogène est-il si problématique ? Parce que dans les conditions normales1,
l’hydrogène est sous forme gazeuse et a une masse volumique de 0,09 kg/m3. Dans ces conditions, la
masse d'hydrogène nécessaire pour qu’un véhicule ait une autonomie de 400 km serait de 4 kg2, soit
un volume d’hydrogène d’environ 45 m3 (45 000 litres). Le réservoir devrait avoir les dimensions d’un
cube d’à peu près 3,5 m de côté ou, inversement, un véhicule équipé d'un réservoir aux dimensions
actuelles ne pourrait parcourir dans le meilleur des cas que 600 m.
D'autre part, le stockage du gaz à pression atmosphérique nécessiterait que l'enveloppe du réservoir
puisse se déformer tout en restant étanche pour que le gaz puisse y être introduit et en être extrait.
La réponse technique n'est pas plus évidente.
Pile à combustible
Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à l'oxydation sur une
électrode d'un combustible réducteur (par exemple le dihydrogène) couplée à la réduction sur l'autre
électrode d'un oxydant, tel que le dioxygène de l'air. La réaction d'oxydation de l'hydrogène est accélérée par un catalyseur qui est généralement du platine. Si d'autres combinaisons sont possibles, la
pile la plus couramment étudiée et utilisée est la pile dihydrogène-dioxygène ou dihydrogène-air.
Le principe de la pile à combustible est l'inverse d'une électrolyse. La réaction chimique produite par
l'oxydation et la rencontre de gaz produit de l'électricité, de l'eau et de la chaleur. Une pile à combustible produit une tension électrique d'environ 0,7 à 0,8 volt6, selon la charge (densité de courant)
et produit de la chaleur. Leur température de fonctionnement varie de 60 à 200°C selon les modèles.
L'eau est généralement évacuée sous forme de vapeur avec l'excédent de dioxygène.
Il existe plusieurs types de piles à combustibles dont les plus connues sont :
 la pile à membrane échangeuse de protons.
 la pile à oxyde solide.
Chapitre 9 : radioactivité et rayonnements ionisants, radon,…
Radioactivité
La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite
confirmé par Marie Curie pour le radium, est un phénomène physique naturel au cours duquel des
noyaux atomiques instables, dits radioisotopes, se transforment spontanément (« désintégration »)
en dégageant de l'énergie sous forme de rayonnements divers, pour se transformer en des noyaux
atomiques plus stables ayant perdu une partie de leur masse. Les rayonnements ainsi émis sont appelés, selon le cas, des rayons α, des rayons β ou des rayons γ.
Les radioisotopes les plus fréquents dans les roches terrestres sont l'isotope 238 de l'uranium (238U),
l'isotope 232 du thorium (232Th), et surtout l'isotope 40 du potassium (40K). Outre ces isotopes radioactifs naturels encore relativement abondants, il existe dans la nature des isotopes radioactifs en
abondances beaucoup plus faibles. Il s'agit notamment des éléments instables produits lors de la
suite de désintégrations des isotopes mentionnés, par exemple de divers isotopes du radium et du
radon.
Radon
Le radon est un élément chimique, de symbole Rn et de numéro atomique 86 dans le tableau périodique. C'est un gaz rare dit noble, radioactif, incolore, inodore et d'origine le plus souvent naturelle.
C'est l'une des substances les plus denses capables de persister sous forme de gaz en conditions
normales de température et de pression.
Rayonnement ionisant
Pouvoir de pénétration (exposition externe). Le rayonnement alpha (constitué de noyaux d'hélium)
est simplement arrêté par une feuille de papier. Le rayonnement bêta (constitué d'électrons ou de
positrons) est arrêté par une plaque d'aluminium. Le rayonnement gamma (constitué de photons
très énergétiques) est atténué (et non stoppé) quand il pénètre de la matière dense, ce qui le rend
particulièrement dangereux pour les organismes vivants. Il existe d'autres types de rayonnements
ionisants ; ces trois formes sont souvent associées à la radioactivité. Un rayonnement ionisant est un
rayonnement capable de déposer assez d'énergie dans la matière qu'il traverse pour créer une ionisation. Ces rayonnements ionisants, lorsqu'ils sont maîtrisés, ont beaucoup d'usages pratiques bénéfiques (domaines de la santé, industrie…) Mais pour les organismes vivants, ils sont potentiellement
nocifs à la longue et mortels en cas de dose élevée. Les rayons ionisants sont de natures et de
sources variées, et leurs propriétés dépendent en particulier de la nature des particules constitutives
du rayonnement ainsi que de leur énergie.
Les rayonnements les plus énergétiques transfèrent assez d’énergie aux électrons de la matière pour
les arracher de leur atome. Les atomes ainsi privés de certains de leurs électrons sont alors chargés
positivement. Les atomes voisins qui accueillent les électrons se chargent négativement.
Les atomes chargés positivement ou négativement sont appelés ions. Les atomes qui ont perdu au
moins un électron sont devenus des ions positifs (cations), tandis que les atomes qui ont reçu au
moins un électron sont devenus des ions négatifs (anions). Les rayonnements capables de provoquer
de telles réactions sont dits ionisants. Par leur énergie, les rayonnements ionisants sont pénétrants,
c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Le pouvoir de pénétration dépend du type de rayonnement et du pouvoir d'arrêt de la matière. Cela définit des épaisseurs différentes de matériaux pour
s'en protéger, si nécessaire et si possible.
Chapitre 10 : le rayonnement non-ionisant
Rayonnement non-ionisant
Un rayonnement non-ionisant désigne un type de rayonnement pour lequel l'énergie électromagnétique transportée par chaque quantum est insuffisante pour provoquer l'ionisation d'atomes ou de
molécules. Ces radiations peuvent cependant avoir suffisamment d'énergie pour provoquer le passage d'un électron sur un niveau d'énergie plus élevé. Certains de ces rayonnements peuvent avoir
des effets biologiques.
Parmi les rayonnements non-ionisants, on compte les rayonnements du proche ultraviolet, la lumière
visible, l'infrarouge, les micro-ondes, les ondes radio et les champs statiques.
Parmi les rayonnements cités comme non-ionisants, les plus énergétiques (ultraviolet proche, lumière visible) peuvent dans certaines cas ioniser quelques molécules.
La lumière du soleil, largement filtrée par l'atmosphère terrestre, arrive à la surface de la terre essentiellement composée de rayonnements non-ionisants (à l'exception notable de certains rayonnements ultra-violets).
L'utilisation des rayonements non-ionisants dans le champ médical comme dans la vie de tous les
jours pose donc moins de problèmes que les rayonnements ionisants. L'un des principaux effets des
rayonnements non-ionisants est un chauffage du corps.
En termes d'effets biologiques potentiels, les rayonnements non ionisants peuvent être divisés en
1. Les radiations de la gamme optique et de l'infra-rouge peuvent exciter des électrons ;
2. Les radiations dont la longueur d'onde est plus petite que le corps peuvent induire un chauffage du corps par courants induits (micro-ondes et rayonnements électromagnétiques de
haute fréquence) ;
3. Les radiations dont la longueur d'onde sont bien plus grandes que le corps humain peuvent
plus rarement causer un chauffage via courants induits