Produire de l’électricité sans combustion

Les pays sont appelés à tripler les capacités en énergies renouvelables et à doubler les améliorations en efficacité énergétique d’ici 2030. Les pays sont également encouragés à présenter des objectifs de réduction des émissions alignés sur la limite de 1,5 °C dans leurs prochains plans d’action sur le climat d’ici 2025.

Extrait de l’accord de la COP28 à Dubaï

Définir ce qu’est une énergie fossile et citer les trois principaux groupes de combustibles couramment utilisés.
Expliquer l’impact des combustions fossiles sur le réchauffement climatique, puis justifier que la production d’électricité à l’échelle mondiale y contribue fortement.

Centrale solaire thermodynamique

Cette technologie utilise la chaleur du rayonnement solaire et nécessite d’être située dans une zone très ensoleillée.

Elle peut être développée selon différents procédés, dont le plus fréquemment utilisé est celui des miroirs cylindro-paraboliques 1️⃣.

Les rayons sont concentrés, via ces miroirs, sur un tube contenant un fluide caloporteur 2️⃣.

Le processus consiste à chauffer ce fluide (le rayonnement solaire concentré chauffe l’huile a des températures de l’ordre de 400°C) qui, a son tour, chauffe de l’eau 3️⃣ pour produire de la vapeur sous pression, entraînant une turbine 4️⃣ couplée a un alternateur électrique 5️⃣ comme dans une centrale classique.

La vapeur sortant de la turbine est envoyée dans un condenseur 6️⃣ afin de redevenir de l’eau qui repartira vers l’échangeur de chaleur. Pour l’énergie solaire thermodynamique, 2 a 3 hectares de surface de terrain sont nécessaires pour implanter des miroir et parvenir à 1 MWc installé.

Centrale photovoltaïque

Cette technologie vise a transformer directement en électricité le rayonnement solaire grâce à des cellules photovoltaïques. Ces dernières, exposées a la lumière, absorbent l’énergie des photons. Ceux-ci mettent en mouvement des électrons qui sont happés par un champ électrique interne. Les électrons collectés à la surface de la cellule génèrent un courant électrique continu.

La tension de sortie d’une cellule photovoltaïque est faible (de l’ordre de 06 V). C’est pourquoi les cellules sont connectées en série, puis encapsulées entre une plaque de verre à l’avant et un autre matériau étanche a l’humidité à l’arrière. Elles forment ainsi un module photovoltaïque, appelé aussi panneaux 1️⃣. Ces panneaux interconnectés forment une centrale. Ils produisent un courant continu transformé en courant alternatif par un onduleur 2️⃣. Ce courant, en passant par un transformateur 3️⃣, est élevé à la tension du réseau pour être injecté sur le réseau de distribution 4️⃣.

Le matériau utilisé le plus couramment aujourd’hui pour les cellules est le silicium, mais la recherche progresse sur d’autres composés (indium, sélénium…).

Les panneaux photovoltaïques peuvent également être, soit intégrés au bâtiment, soit implantés au sol, formant ainsi une mini-centrale locale.

Pour le photovoltaïque, environ 2 hectares sont nécessaires pour installer 1 MWc.

Centrale hydroélectrique

L’énergie électrique est produite par la transformation de l’énergie cinétique de l’eau en énergie électrique par l’intermédiaire d’une turbine hydraulique couplée à un générateur électrique. Pour les barrages par accumulation, la quantité d’énergie disponible, sur une période donnée, dans la réserve d’eau d’un barrage dépend de son volume, des apports et pertes naturels sur la période et de la hauteur de chute. Pour les barrages au fil de l’eau, la quantité d’énergie produite est directement liée au débit.

Malgré des coûts de mise en œuvre généralement élevés, les coûts de maintenance sont raisonnables, les installations sont prévues pour durer longtemps, il n’y a pas de coût de combustible et l’énergie de l’eau est renouvelable si elle est bien gérée.

Rendements

Alternateur: 98 %
Transformateur: 99 %
Turbine: 70 %

Pile à combustible

Une pile à combustible transforme l’énergie chimique libérée durant la réaction électrochimique du dihydrogène (H₂) et du dioxygène (O₂) en énergie électrique, processus « opposé » à la réaction thermochimique de ces deux corps produisant de l’énergie thermique. Un flux de dihydrogène est dirigé vers l’anode provoquant une réaction d’oxydation dans la demi-cellule décrite par :

H₂ → 2 H⁺ + 2 e⁻.

Dans le même temps, un flux de dioxygène est dirigé du côté cathode. Les molécules de dioxygène réagissent avec les protons et avec les électrons afin de former des molécules d’eau. Cette réaction de réduction dans la demi-cellule électrolytique s’écrit :

4 H⁺ + 4 e⁻ + O² → 2 H₂O.

Centrale nucléaire

Dans le cœur d’un réacteur nucléaire, sous l’effet d’une collision avec un neutron, le noyau atomique de certains gros atomes, dits fissiles, peut se casser en deux, en libérant une grande quantité de chaleur et en produisant deux ou trois neutrons, chacun étant capable de produire une nouvelle fission lors d’une collision avec un autre atome (créant potentiellement une réaction en chaîne).

La chaleur est récupérée pour vaporiser de l’eau et mettre en mouvement une turbine reliée à un alternateur.

Oral

Par groupe, réaliser un argumentaire de 3 minutes en faveur (ou en défaveur) d’un des types de production d’énergie électrique.

Causes des accidents nucléaires

Catastrophe de Tchernobyl

Le 26 avril 1986, l’explosion du réacteur n°4 de la centrale de Tchernobyl en Ukraine provoque le plus important accident nucléaire civil jamais constaté.

Cet accident libère dans l’air un nuage radioactif qui se propage principalement sur toute l’Europe, avec de lourdes conséquences à court et long terme sur les populations et le milieu naturel de plusieurs pays.

Au début 1986, 100 000 personnes habitent à Tchernobyl, à une centaine de kilomètres de la capitale Kiev (Ukraine). La ville profite de l’essor économique de sa centrale nucléaire, mise en service entre 1977 et 1983 et située à près de 15 km.

La centrale est composée de 4 réacteurs mais ne dispose pas des équipements de sécurité intégrés dans la plupart des centrales occidentales, comme par exemple la double coque de protection.

Le 25 avril au matin, un test du réacteur 4 est planifié à l’occasion d’une opération courante de maintenance, sous les ordres du contremaître Anatoly Dyatlov. Ce test de l’alimentation électrique de secours consiste à couper l’alimentation de la turbine afin de vérifier si celle-ci conserverait la puissance suffisante pour démarrer les pompes à eau servant à refroidir le cœur du réacteur.
Le 25 avril à 14h (heure locale), le système d’alarme du système de refroidissement du réacteur est débranché en prévision du test, au mépris des principes élémentaires de sécurité.
La puissance du réacteur 4 est réduite comme prévu de 1 000 à 700 MWt, puissance atteinte le 26 avril à 0h05.
La puissance continue alors à baisser, contrairement aux conditions prévues par le test. Le 26 avril à 0h28, une erreur d’un opérateur fait chuter la puissance du réacteur à 30 MWt. Cela provoque un empoisonnement du réacteur au xénon (accumulation de xénon-135, produit fissile qui absorbe des neutrons et perturbe le processus de fission nucléaire(1)).
À 1h23, le test sur le réacteur 4 se poursuit alors que le cœur est très difficile à maîtriser. Une série d’erreurs et de mauvais choix de la part des équipes provoque une hausse de la température du réacteur. Le mélange d’hydrogène et d’oxygène, créé par la radiolyse de l’eau, provoque de petites explosions qui éjectent les barres de contrôle du réacteur.
Selon le Département de l’Énergie américain, l’explosion de Tchernobyl se produit le 26 avril 1986 à 1h23 et 44s. La partie supérieure du cœur du réacteur se retrouve à l’air libre et le graphite prend feu. L’incendie est entretenu par l’intense chaleur dégagée dans le cœur, qui est principalement due aux désintégrations radioactives des produits de fission et qui n’est plus évacuée. Il n’est définitivement arrêté que le 9 mai. Des poussières et des gaz radioactifs sont rejetés pendant 10 jours.
Deux heures après l’accident, les techniciens de la centrale ayant survécu éprouvent les premiers symptômes de la contamination radioactive (malaises, vomissements, vertiges, diarrhées, brûlures). À 6h du matin, leur état est si alarmant qu’ils sont conduits à l’hôpital. Plusieurs d’entre eux meurent dans les jours qui suivent.
Le 27 avril, les premiers habitants de la ville toute proche de Pripyat sont évacués de la zone.
Selon le rapport TORCH (rédigé par les Verts/ALE au Parlement européen), l’explosion libère des débris du bâtiment et du réacteur jusqu’à 7 à 9 km d’altitude. Près de 30% du combustible du réacteur s’échappe dans les environs immédiats de la centrale. Environ 50 tonnes de gaz radioactif sont éjectées dans l’atmosphère, l’équivalent de 200 fois les retombées de Hiroshima et Nagasaki.

Le 28 avril 1986, la Suède découvre l’accident qui avait été passé sous silence par le gouvernement de Gorbatchev, du fait de niveaux de radioactivité anormalement élevés mesurés dans l’air. L’URSS rend alors l’accident public.

Le nuage radioactif se déplace sur l’Europe, touchant d’abord la Biélorussie voisine et la Scandinavie. Il traverse la France puis remonte vers le Luxembourg et la Belgique. Une partie du nuage se déplace ensuite vers les Pays-Bas et l’Écosse, tandis qu’une autre partie s’étend vers la Corse, la Tunisie, la Grèce et la Turquie. En quelques semaines, le nuage radioactif recouvre une superficie évaluée à 3,9 millions de km², soit environ 40% de la superficie de l’Europe.

Fukushima

Réaction France

Nicolas Sarkozy annonce le 24 mars 2011 que le choix de l’énergie nucléaire n’est pas remis en question. Le Premier ministre François Fillon confie le 23 mars 2011 à l’ASN la réalisation d’un audit sur les installations nucléaires françaises dénommé évaluation complémentaire de sûreté. Cet audit portera sur les risques d’inondation, de séisme, de perte des alimentations électriques et de perte du système de refroidissement ainsi que sur la gestion opérationnelle des situations accidentelles. Des propositions d’améliorations au vu des diagnostics qui auront été faits sont attendues pour la fin de l’année 2011

Réaction Allemagne.

Mi-mars, par la voix d’Angela Merkel, l’Allemagne décide d’arrêter les sept réacteurs les plus anciens (sur les 17 réacteurs en service) dans l’attente du résultat d’un audit commandité par la chancelière. L’État allemand décide ensuite, mi-avril 2011, de ne pas les remettre en service et de sortir du nucléaire d’ici 2020, en engageant des investissements de plusieurs milliards d’euros en direction des énergies alternatives durables et des économies d’énergie afin de compenser les 22 % de ses besoins en électricité, actuellement couverts par ses centrales nucléaires.

Questions

Expliquer les causes de l’accident de Tchernobyl.
Comparer l’accident de Tchernobyl avec l’accident de Fukushima. L’origine des deux catastrophes est-elle similaire ?
Présenter les réactions de la France et de l’Allemagne suite à l’accident de Fukushima.
Proposer une explication aux réactions opposées de ces deux pays.