Le réchauffement climatique est un phénomène dont on parle très couramment. Le politicien Al Gore y a même consacré un film intitulé « Une vérité qui dérange ». Celui-ci lui a valu le prix Nobel de la paix. Tous les scientifiques travaillent sur ce sujet dans le but de le ramener à un taux normal.
De plus, on entend beaucoup parler des énergies qui polluent et dégagent des « gaz à effet de serre ».
On est en droit de se demander quelles énergies on devrait utiliser pour participer à la lutte contre le réchauffement climatique.
Pour cela, on va étudier les avantages et les inconvénients ainsi que le fonctionnement de trois énergies plus prometteuses et plus respectueuses de l'environnement.
On ne rentrera pas dans les débats sur l'environnement visuel et sonore de ces énergies, car ils n'auraient aucun rapport avec la problématique énoncée plus haut.
On se demandera d’abord ce qu’est le réchauffement climatique et qu'elles en sont les causes. Dans un second temps, nous nous pencherons sur le cas de l'énergie hydraulique et l'énergie éolienne qui se basent toutes les deux sur le principe de l'alternateur que nous exposerons également. Puis nous continuerons sur l'énergie solaire.
Plusieurs changements observés dans le monde semblent cohérents avec l'existence d'un réchauffement climatique planétaire. Il faut cependant noter que le lien entre ce réchauffement et les observations faites n’est pas toujours établi de façon sûre. En France, c'est l'Observatoire National sur les Effets du Réchauffement Climatique (ONERC) qui coordonne les observations.
Chaque année atteint un record de minimum de l'étendue de la banquise Arctique.
* Le climat.
Selon le troisième rapport du GIEC, la répartition des précipitations s'est modifiée au cours du XXe siècle. En particulier, les précipitations seraient devenues plus importantes aux latitudes moyennes et hautes de l'hémisphère nord, et moins importantes dans les zones subtropicales de ce même hémisphère. D'autres experts estiment toutefois les données actuelles trop rares et incomplètes pour qu'une tendance à la hausse ou à la baisse des précipitations puisse être dégagée sur des zones de cette ampleur.
* Le recul des glaciers de montagnes.
À de rares exceptions près, l'ensemble des glaciers montagnards étudiés sont en phase de recul. Les glaciers de l'Himalaya reculent rapidement et pourraient disparaître dans les cinquante prochaines années, selon des experts réunis à Katmandou pour une conférence sur le réchauffement climatique le 4 juin 2007. Les températures dans cette région ont crû de 0,15 °C à 0,6 °C tous les 10 ans au cours des 30 dernières années. De nombreux travaux documentent ce recul et cherchent à l'expliquer. Un tel recul semble tout à fait cohérent avec un réchauffement du climat. Mais cela a déjà existé par le passé: par exemple, le recul actuel de la mer de Glace à Chamonix découvre des vestiges humains du Moyen Âge, preuve que le glacier a déjà fondu davantage que de nos jours à une période historiquement proche. De même, l'étude détaillée de certains glaciers montre que de nombreux facteurs interviennent, comme les précipitations ou le phénomène El Niño, qui ne sont pas nécessairement directement liés au réchauffement planétaire actuel. Il faut enfin souligner la quasi-absence de données sur les glaciers himalayens. Par exemple, il n'existe de données fiables que sur 50 glaciers indiens, sur plus de 9 500.
* El Niño.
Il semblerait que les phénomènes du style de "el Niño" soient devenus beaucoup plus fréquents que par le passé. "El Niño" est un phénomène climatique augmentant anormalement la température des océans.
* La fonte de portions de banquise.
Plusieurs études indiquent que les banquises sont en train de se réduire. D'une part des observations satellites montrent que ces banquises perdent de la superficie dans l'océan Arctique. D'autre part, un amincissement de ces banquises, en particulier autour du pôle nord, a été observé. D'après les équipes scientifiques travaillant sur ce sujet, cette diminution est due au réchauffement planétaire. Le Groenland a vu ses glaciers se réduire de 230 à 80 milliards de tonnes de par an de 2003 à 2005, ce qui contribuerait à 10% de l'élévation du niveau des mers.
* Les pratiques agricoles.
Le climat, et en particulier les températures, ont un effet sur la date des récoltes agricoles. Dans de nombreux cas les dates de vendanges sont régulièrement avancées, comme celui du raisin en Bourgogne. De Plus ces phénomènes peuvent être décrits sur plusieurs décennies car ces dates de vendanges ont été consignées dans le passé et archivées. De tels documents sont utilisés pour déterminer les températures à des périodes où les thermomètres n'existaient pas ou manquaient de précisions. Un réchauffement climatique depuis le XXe siècle est clairement décrit par l'étude de ces archives.
* Cyclones, typhons.
Une étude publiée en 2005 et remise en question depuis par une seconde étude, montre que l'intensité des cyclones aurait globalement augmenté entre 1970 et 2004 alors que le nombre total de cyclones aurait globalement diminué pendant la même période. Selon cette étude, il est possible que cette augmentation d'intensité soit liée au réchauffement climatique, mais la période d'observation est trop courte et le rôle des cyclones dans les flux atmosphériques et océaniques n'est pas suffisamment connu pour que cette relation puisse être établie avec certitude. La seconde étude publiée un an plus tard montre quant à elle que l'intensité des cyclones n'aurait pas augmenté de façon significative depuis 1986.
* Aires de répartition.
Plusieurs équipes de chercheurs ont observé une modification de l'aire de répartition de différentes espèces animales et végétales. Dans certains cas, en particulier lorsque cette aire se déplace vers le nord ou vers de plus hautes altitudes, le réchauffement climatique planétaire est parfois proposé comme cause de ces modifications.
* L’élévation du niveau de la mer
Différentes données obtenues à l'aide de marégraphes et de satellites ont été étudiées. Leur analyse suggère que le niveau de la mer s'est élevé au cours du XXe siècle de plusieurs dizaines de centimètres, et qu'il continue à s'élever régulièrement. Cette élévation du niveau de la mer peut aussi être observée indirectement par ses conséquences sur l'environnement, comme c'est le cas au Nouveau-Brunswick.
B. Les facteurs déclencheurs
Lorsque les rayons solaires arrivent dans l'atmosphère, une partie est réfléchie dans l'espace et l'autre la traverse. En arrivant au sol, ce dernier s'échauffe en émettant des rayons infrarouges, responsables de la chaleur, qui ne peuvent s'échapper car les gaz à effet de serre forment un écran, empêchant les rayons infrarouges de retourner l'espace, d'où le phénomène de réchauffement climatique.
L'effet de serre n'est pas, en soi, nocif aux écosystèmes; sans lui, la température terrestre avoisinerait les -18 °C. Cependant, un excès de gaz à effet de serre dépassant la capacité des écosystèmes à les piéger et les absorber est un danger pour la plupart des espèces dites évoluées.
La photosynthèse permet de réguler le dioxyde de carbone de l'atmosphère qui est un de ces gaz. Les plantes absorbent le CO2 le jour en relâchant du dioxygène. Les plantes ont besoin de dioxyde de carbone, d'eau et de lumière pour respirer. Ces plantes sont dites autotrophes en carbone, c'est-à-dire qu'elles peuvent créer de la matière organique (ici du glucose) à partir de matière non organique (dans ce cas, le carbone). La lumière est utilisée comme énergie dans la respiration des cellules autotrophes.
Mais ce n'est pas le seul réservoir de carbone. Il [le carbone] est stocké dans l'hydrosphère sous forme d'anion HCO3-, dans la lithosphère sous forme de roches carbonées ou carbonatées et enfin, dans la biosphère sous forme de Carbone organique.
On peut noter une hausse significative de la température à partir du XXème siècle comme le montre le graphique ci-dessous. Cette date coïncide avec le début de l'ère industrielle, ce qui prouve que cette augmentation de la température est bien d'origine humaine.
C'est donc depuis que l'industrie se développe que l'atmosphère n'est plus capable de réguler seul les gaz à effet de serre. En voulant toujours accroître leur profit, les industries émettent de plus en plus de gaz à effet de serre et négligent l’environnement, empirant le réchauffement climatique. Elles sont d’ailleurs responsables d’une grande partie des émissions de GES.
Ces deux énergies fonctionnent de la même manière, mais elles utilisent deux sources d’énergies différentes qui sont respectivement l'air et l'eau. On étudiera tout d’abord leur fonctionnement puis on abordera leurs avantages et leurs défauts.
A. Fonctionnement
a. Structure d'une éolienne.
Une éolienne se compose d’un pied et d’un mécanisme de palles à son sommet. À l’intérieur de cette dernière, il y a un alternateur qui va générer de l’électricité mais aussi un système de régulation de la vitesse des palles avec une boîte de vitesse. Elle se compose également d'un système de rotation des palles en fonction de la provenance du vent. Il existe un autre type d’éolienne qui possède le même principe de fonctionnement mais elle se situe sous l’eau, c’est l’hydrolienne, contrairement à l’éolienne qui utilise la force du vent pour faire tourner ses pâles, elle utilise les courants marins.
Ces deux édifices créent de l’électricité à partir d’un alternateur. Un alternateur, c’est un aimant que l’on fait tourner autour d’une bobine de fer. Il faut voir comment de l’électricité arrive à se créer à partir de cet alternateur. Premièrement quelle est la force qui parcourt la bobine? Il s’agit de la force de Laplace. Pierre Simon de Laplace était un mathématicien et astronome de la fin XVIIIe siècle et début XIXe siècle. Cette force se produit chez un conducteur comme la bobine de fer. Ce conducteur doit être placé dans un champ magnétique formé par l’aimant. La force se fera perpendiculaire au courant dans la bobine et au champ magnétique. Pour déterminer approximativement le vecteur force de Laplace, on utilise la règle des trois doigts.
Mais, pour avoir une mesure précise de cette force, on doit utiliser la relation suivante
Les unités de cette équation sont:
- F en Newton,
- l’intensité I en ampère (A),
- la longueur l en mètre (m),
- l’induction magnétique B en Tesla T,
- et l’angle α. L’angle α est l’angle entre la direction du courant dans la bobine et celle du champ magnétique.
La valeur de cette force chez une bobine de fer est la somme des forces exercées sur les spires de celle-ci.
Un courant induit est créé par ce phénomène, c’est un courant de Foucault qui a pour défaut la création de chaleur par l’effet Joule. Ce courant induit est un courant alternatif et il faut donc le redresser à l’aide d’un pont de diodes au départ puis grâce à un condensateur. La loi de Lenz permet de déterminer le sens de ce courant induit grâce à un aimant: le pôle nord fait diriger le sens de ce courant normalement et le pôle sud dans le sens inverse.
Les énergies éoliennes et hydrauliques sont toutes les deux des énergies propres. Les barrages permettent également de créer des réservoirs d’eau, des lacs artificiels et de créer ainsi de beaux paysages et de permettre d’augmenter la diversité de la faune et de la flore marine. Les éoliennes sont des engins peu bruyants, contrairement aux idées reçues.
C. Les inconvénients
Les éoliennes, quoiqu’elles ne produisent aucun bruit, sont très volumineuses et enlaidissent le paysage environnant. D’après une étude récente, les barrages dégageraient du méthane, contribuant à l'augmentation de l’effet de serre dix fois plus vite que du CO2. Lors de la construction d’un barrage, la population qui vit autour doit déménager et abandonner maisons, travail et cela est d’autant plus compromettant lorsqu’il s’agit de populations pauvres. Par rapport aux centrales nucléaires, les barrages produisent quatre fois moins d’électricité.
[Maman je veux remonter!!!] A. Le solaire thermiquea. Le solaire thermique direct.
L'énergie solaire thermique directe sert principalement à chauffer l'eau. Un circuit de tuyauterie clos où de l'eau coule entre un cumulus et un tube à ailette (ou l'absorbeur) est dans un compartiment muni d'un double vitrage, qui va être chauffé grâce au principe de l'effet de serre. Ces chauffe-eau solaires servent à produire de l'eau chaude sanitaire.
b. Le solaire thermique indirect.Ce sont des réflecteurs paraboliques. Ils ont une forme semi cylindrique où un fluide situé au centre va être chauffé grâce à la concentration des rayons solaires. Le fluide est dirigé vers une cuve à eau. Cet eau va bouillir et se vaporiser. La vapeur d'eau obtenue va faire tourner un alternateur et ainsi créer un courant électrique.
B. Le solaire photovoltaïqueLe silicium est l'élément chimique Si avec A(nombre de nucléons)=28 et Z(numéro atomique)=14. Le silicium est l'élément le plus abondant sur Terre, derrière l'oxygène. On ne le trouve jamais naturellement sous sa forme pure, il est souvent sous forme de molécules comme dans le sable ou bien dans le quartz SiO2. Il faut créer artificiellement du silicium, c'est pourquoi les industries font réagir du sable et du carbone à une température de 2000°C.
SiO2 + 2C --> Si + 2CO.
On obtient donc du silicium pur qui peut-être utiliser pour la fabrication de modules solaires photovoltaïques.
L'énergie solaire photovoltaïque est le nom que l'on donne à l'électricité produite à l'aide de panneaux solaires. Les panneaux solaires photovoltaïques sont composés de plusieurs cellules photovoltaïques, celles-ci sont composées d'un matériau semi-conducteur qui est, le plus souvent, le silicium.
Les modules photovoltaïques sont composés de wafers (plaques de silicium de 200 microns ou de 150 microns,ces dernières étant moins répandues). L'épaisseur des wafers est en constante diminution ce qui réduit le prix du panneau solaire. Une autre technique est en étude, on superposerait une plaque de verre sur laquelle on poserait par dessus un wafer de 5 microns, ce qui serait un progrès phénoménal. Le prix d'un module, si cette prouesse était réalisé serait divisé, selon les économistes, par 3 ou 4 par rapport aux panneau actuels. Un nombre plus important de personnes pourrait avoir accès à l'énergie solaire en raison du coût à l'achat qui serait moins élevé. Certains panneaux solaires sont munis d'un suiveur de trajectoire solaire pour avoir sans cesse un rendement maximal.
Un panneau solaire se constitue et fonctionne de la manière suivante:
Les cellules photovoltaïques aspirent les photons de la lumière (environ 16%) et en réfléchissent une partie. Les photons aspirés libèrent un électron, l'électron libéré va créer un trou positif. Deux charges opposées sont présentes et il faut donc les dissocier. Pour cela, on introduit un champ magnétique dans la cellule, mais, pour créer celui-ci, on a besoin de deux couches de silicium différentes et il faut placer deux électrodes (l'un au dessus de la couche supérieur et inversement).
On pratique deux dopages dans la cellule:
- Le dopage de type N qui est dans la couche supérieure du semi-conducteur. Pour réaliser ce dopage on introduit dans le silicium des atomes de phosphores, qui possèdent plus d'électrons que les atomes de silicium sur leur couche externe. Donc cette couche possède plus d'électrons qu'une plaque de silicium pur.
- Le dopage de type P qui est dans la couche inférieure du semi-conducteur. Pour effectuer ce dopage on introduit dans le silicium des atomes de Bore, qui possèdent moins d'électrons que le silicium sur leur couche externe. Donc cette couche à moins d'électrons qu'une plaque de silicium pur.
Lors de la jonction de la couche P et N, une différence de potentiel est créée car les électrons de la couche N vont circuler jusqu'à la couche P et les trous positifs vont se déplacer de la couche P à la couche N.
La tension fournie peut être modifié grâce à la "bande gap" qui a comme unité l'électron-volt (eV). Elle varie selon le type de silicium, le silicium cristallin et le silicium amorphe ont deux "bande gap" différentes qui sont respectivement de 1.1eV et 1.7eV. La théorie des bandes est de la mécanique quantique, elle se décompose de trois bandes qui sont de haut en bas: la bande de Valence, la bande gap et la bande de conduction. Chez un semi-conducteur l'énergie bande gap est comprise entre 1 et 2 eV. Chez un isolant elle est nulle et elle peut atteindre 10 eV chez les conducteurs. L'énergie bande gap est l'énergie délivrée par un électron lorsqu'il passe de la bande de conduction à la bande de Valence. L’augmentation de l'énergie bande gap entraîne une augmentation de la tension mais une diminution de l'intensité.
L'énergie produite peut-être être utilisé chez le particulier ou bien vendu à EDF.
1m² de panneaux solaires photovoltaïques peut produire de 2 à 3 kWh en Europe du Nord, de 4 à 6 kWh en Équateur. On remarque qu'un panneau solaire de 40 m² suffit pour fournir à un français tous ses besoins énergétiques car sa consommation est d'environ 6700 kWh par an.
Il existe des centrales solaires qui possèdent un nombre élevé de panneaux solaires en un lieu comme la centrale de Bavarder Solarpark à Fribourg (Allemagne) qui a une puissance électrique de 10MW. D'autres centrales solaires sont en cours de construction comme en Australie et en Chine qui ont respectivement une puissance de 154MW et 100MW.
a. Le solaire thermique.
On peut utiliser l'énergie solaire thermique partout dans le monde, et pour pouvoir installer une infrastructure de ce genre, il faut peu de temps (environ une demi-journée pour un chauffe-eau solaire de 150L). La chaleur fournie est adaptable au type de besoin de son propriétaire. L'entretien de ce genre d'appareil est peu coûteux et il ne souffre que de très peu de disfonctionnements. Bien entendu, il n'émet pas de CO2 contrairement à un chauffage au fioul, au gaz ou encore, au bois.
b. Le solaire photovoltaïque.
Tout comme le solaire thermique, on peut l'installer partout dans le monde et même dans l'espace. De plus il est fiable et ne tombe que très rarement en panne d'où son utilité dans des lieux difficiles d'accès ou isolé. Il peut fournir une puissance allant du milliwatt au mégawatt de ce fait, il s'adapte à tous les besoins. Sa dimension peut aussi varier en fonction des besoins de son acquéreur et généralement elle peut se placer sur le toit d'une maison ou d'un immeuble. Les entretien de l'appareil sont très peu coûteux et rare. Mais l'avantage le plus conséquent est la non émission de CO2 ou autres particules polluantes.
D. Les inconvénients de l'énergie solairea. Le solaire thermique.
La chaleur produite est diffuse, donc la surface de chauffage est réduite. Ces appareils ne peuvent pas chauffer de grands appartements ou salles. La source de chaleur doit être stocké pour avoir de meilleur résultat car la chaleur est principalement fournie l'été or, cette chaleur est beaucoup plus nécessaire en hiver.
b. Le solaire photovoltaïque.Selon la région où on se situe, l'ensoleillement est plus ou moins élevé donc le rendement est plus ou moins important. Le climat est décisif, les précipitations font baisser la quantité d'électricité produite. Lors d'une journée sous la pluie, l'électricité produite sera quasiment nulle. Le prix d'un panneaux solaire photovoltaïque nécessite un gros investissement. Par exemple, l'essentiel (éclairage, électroménager, réfrigération, télévision) revient à 4600 euros, et pour les besoins d'une maison normale le prix monte jusqu'à 16000 euros. Le rendement d'un module solaire photovoltaïque est faible et produit beaucoup moins d'électricité qu'un moteur diesel. La batterie de stockage qui va avec le panneau solaire a un très prix élevé.
[Maman je veux remonter!!!]Il a été sujet dans ce T.P.E des énergies renouvelables, utilisant les éléments naturels comme l'eau et le soleil, pour tenter de limiter le réchauffement climatique qui a atteint, ces dernières années, des proportions alarmantes. Nous avons exposé les tentatives de l'homme à ne plus dépendre des énergies fossiles. Les chercheurs ont donc découvert des procédés permettant d'atteindre cet objectif. Les énergies qui ont été traitées, à savoir le solaire, l'éolien et l'hydraulique, sont des réponses à ce problème. Il est maintenant indispensable que les gouvernements du monde entier prennent non seulement conscience du danger mais prennent aussi des mesures et promulguent des décrets facilitant l’accessibilité à ces énergies. De plus, les habitants de la planète doivent aussi, par quelques gestes simples et quotidiens, contribuer à réduire la consommation en fuel, en eau et en électricité afin de préserver notre belle planète. Nous contribuons certainement à la résolution de ce problème, mais ce sont les grandes multinationales qui doivent changer car ce sont les principales responsables de l’état actuel. Les gouvernements du monde entier et certains protocoles (comme celui de Kyoto) peuvent leur imposer des règles pour arrêter le « règne du pétrole » et faire régner "la loi de l'énergie propre".