L’énergie est utilisée pour alimenter les appareils que nous utilisons pour chauffer et éclairer nos maisons, pour les transports et pour la fabrication de toutes sortes de produits. L’utilisation principale de ces différentes sources d’énergie est de produire de l’électricité.
Les énergies fossiles
Une grande partie de l’énergie mondiale provient de matériaux formés il y a des centaines de millions d’années, ce qui a des conséquences environnementales. Les énergies fossiles proviennent de la décomposition de matières organiques anciennes, comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Ces combustibles non renouvelables, qui comprennent le charbon, le pétrole et le gaz naturel, fournissent environ 80 % de l’énergie mondiale. Ils fournissent de l’électricité, de la chaleur et des transports, tout en alimentant les processus qui permettent de fabriquer une vaste gamme de produits, de l’acier aux plastiques.
Lorsque les combustibles fossiles sont brûlés, ils libèrent du dioxyde de carbone et d’autres gaz à effet de serre, qui à leur tour emprisonnent la chaleur dans notre atmosphère, ce qui en fait les principaux contributeurs au réchauffement climatique et au changement climatique.
Principaux types d’énergies fossiles
Il existe plusieurs groupes principaux d’énergies fossiles, notamment :
Le charbon
Morceaux noirs ou bruns de roche sédimentaire friables ou relativement durs, le charbon a commencé à se former au cours de la période carbonifère, il y a environ 300 à 360 millions d’années, lorsque les algues et les débris de végétation des forêts marécageuses se sont déposés de plus en plus profondément sous des couches de boue. Exploité par des méthodes de surface ou souterraines, le charbon fournit un tiers de toute l’énergie mondiale, les principaux consommateurs et producteurs de charbon en 2018 étant la Chine, l’Inde et les États-Unis. Le charbon est classé en quatre catégories (anthracite, bitumineux, sous-bitumineux et lignite), en fonction de sa teneur en carbone.
Les conséquences sanitaires et environnementales de l’utilisation du charbon, ainsi que la concurrence du gaz naturel bon marché, ont contribué à son déclin aux États-Unis et ailleurs. Mais dans d’autres pays, comme l’Inde, la demande devrait augmenter d’ici 2023.
Le pétrole
Pétrole brut, un liquide composé principalement de carbone et d’hydrogène, est souvent noir, mais existe dans une variété de couleurs et de viscosités selon sa composition chimique. Une grande partie de ce pétrole s’est formée au cours de la période mésozoïque, il y a entre 252 et 66 millions d’années, lorsque du plancton, des algues et d’autres matières ont coulé au fond des mers anciennes et ont finalement été enfouis.
Extrait de puits terrestres et offshore, le pétrole brut est raffiné pour produire divers produits pétroliers, notamment de l’essence, du diesel et du fioul domestique. Les principaux pays producteurs de pétrole sont les États-Unis, l’Arabie saoudite et la Russie, qui représentent ensemble près de 40 % de l’approvisionnement mondial.
L’utilisation du pétrole est responsable de près de la moitié des émissions de carbone aux États-Unis et d’environ un tiers du total mondial. En plus de la pollution atmosphérique libérée par la combustion du pétrole, le forage et le transport ont entraîné plusieurs accidents majeurs, comme la marée noire de l’Exxon Valdez en 1989, la catastrophe de Deepwater Horizon en 2010, le déraillement dévastateur du train de pétrole du Lac-Mégantic en 2013 et des milliers d’incidents de pipeline. Néanmoins, la demande en pétrole continue d’augmenter, alimentée non seulement par notre soif de mobilité, mais aussi par de nombreux produits, dont les plastiques, fabriqués à partir de produits pétrochimiques, qui sont généralement dérivés du pétrole et du gaz.
Le gaz naturel
gaz inodore composé principalement de méthane, le gaz naturel se trouve souvent dans des gisements qui, comme ceux du charbon et du pétrole, se sont formés il y a des millions d’années à partir de matières végétales et d’organismes en décomposition. La production de gaz naturel et de pétrole a augmenté aux États-Unis au cours des deux dernières décennies en raison des progrès de la technique de forage que la plupart des gens connaissent sous le nom de fracturation hydraulique.
En combinant la fracturation hydraulique avec le forage horizontal et d’autres innovations, l’industrie des combustibles fossiles a réussi à extraire des ressources qui étaient auparavant trop coûteuses à exploiter. En conséquence, le gaz naturel a dépassé le charbon pour devenir le premier combustible pour la production d’électricité aux États-Unis, et les États-Unis sont en tête de la production mondiale. de gaz naturel, suivis par la Russie et l’Iran.
Le gaz naturel est plus propre que le charbon et le pétrole en termes d’émissions, mais il représente néanmoins un cinquième du total mondial, sans compter les émissions dites fugitives qui s’échappent de l’industrie, qui peuvent être importantes. Toutes les sources mondiales de gaz naturel ne sont pas exploitées activement. Les hydrates de méthane sous-marins, par exemple, où le gaz est piégé dans de l’eau gelée, sont considérés comme une ressource potentielle en gaz.
L’énergie nucléaire
L’énergie nucléaire est l’énergie contenue dans le noyau d’un atome. Elle peut être utilisée pour créer de l’électricité, mais elle doit d’abord être libérée de l’atome.
L’énergie nucléaire peut être utilisée pour créer de l’électricité, mais elle doit d’abord être libérée de l’atome. Dans le processus de fission nucléaire, les atomes sont divisés pour libérer cette énergie. Un réacteur nucléaire, ou centrale électrique, est une série de machines qui peuvent contrôler la fission nucléaire pour produire de l’électricité.
Le combustible que les réacteurs nucléaires utilisent pour produire la fission nucléaire est des pastilles d’uranium. Dans un réacteur nucléaire, les atomes d’uranium sont forcés de se briser. Lorsqu’ils se séparent, les atomes libèrent de minuscules particules appelées produits de fission. Les produits de fission provoquent la division d’autres atomes d’uranium, déclenchant une réaction en chaîne. L’énergie libérée par cette réaction en chaîne crée de la chaleur. La chaleur créée par la fission nucléaire réchauffe l’agent de refroidissement du réacteur. Un agent de refroidissement est généralement de l’eau, mais certains réacteurs nucléaires utilisent du métal liquide ou du sel fondu. L’agent de refroidissement, chauffé par la fission nucléaire, produit de la vapeur. La vapeur fait tourner des turbines, ou des roues tournées par un courant électrique. Les turbines entraînent des générateurs, ou des moteurs qui produisent de l’électricité.
Environ 440 réacteurs nucléaires fournissent environ 11 % de l’électricité mondiale en 2024. Les États-Unis comptent plus de 90 réacteurs, bien qu’ils produisent la majeure partie de leur électricité à partir de combustibles fossiles et d’énergie hydroélectrique. Les pays qui produisent le plus d’électricité d’origine nucléaire sont les États-Unis, la Chine, la France, la Russie et la Corée du Sud.
Alimentation nucléaire : l’uranium
L’uranium est le combustible le plus largement utilisé pour produire de l’énergie nucléaire. C’est parce que les atomes d’uranium se séparent relativement facilement. L’uranium est également un élément très courant, présent dans les roches du monde entier.
Bien qu’une partie de l’uranium utilisé par les États-Unis soit extraite des mines américaines, la majeure partie est importée. Les États-Unis s’approvisionnent en uranium d’Australie, du Canada, du Kazakhstan, de Russie et d’Ouzbékistan. Une fois l’uranium extrait, il doit être extrait d’autres minéraux. Il doit également être traité avant de pouvoir être utilisé.
Un réacteur nucléaire typique utilise environ 200 tonnes d’uranium chaque année. Des processus complexes permettent de réenrichir ou de recycler une partie de l’uranium et du plutonium. Cela réduit la quantité d’extraction, d’extraction et de traitement à effectuer.
L’énergie nucléaire produit de l’électricité qui peut être utilisée pour alimenter les maisons, les écoles, les entreprises et les hôpitaux. Le premier réacteur nucléaire à produire de l’électricité a été situé près d’Arco, dans l’Idaho. Le réacteur expérimental surgénérateur a commencé à fonctionner de manière autonome en 1951. La première centrale nucléaire conçue pour fournir de l’énergie à une communauté a été établie à Obninsk, en Russie, en 1954.
La construction de réacteurs nucléaires nécessite un niveau de technologie élevé, et seuls les pays signataires du Traité de non-prolifération nucléaire peuvent obtenir l’uranium ou le plutonium nécessaires. Pour ces raisons, la plupart des centrales nucléaires sont situées dans les pays développés.
Les centrales nucléaires produisent une énergie renouvelable et propre. Elles ne polluent pas l’air et ne rejettent pas de gaz à effet de serre. Elles peuvent être construites en zone urbaine ou rurale et ne modifient pas radicalement l’environnement qui les entoure. La vapeur qui alimente les turbines et les générateurs est finalement recyclée.
Elle est refroidie dans une structure séparée appelée tour de refroidissement. La vapeur redevient de l’eau et peut être réutilisée pour produire plus d’électricité. L’excès de vapeur est simplement recyclé dans l’atmosphère, où il ne fait que peu de dégâts sous forme de vapeur d’eau propre.
Cependant, le sous-produit de l’énergie nucléaire est la matière radioactive. La matière radioactive est un ensemble de noyaux atomiques instables. Ces noyaux perdent leur énergie et peuvent affecter de nombreux matériaux qui les entourent, y compris les organismes et l’environnement. La matière radioactive peut être extrêmement toxique, provoquant des brûlures et augmentant le risque de cancer, de maladies du sang et de dégradation osseuse.
Les déchets radioactifs sont les résidus de l’exploitation d’un réacteur nucléaire. Il s’agit principalement de vêtements de protection portés par les travailleurs, d’outils et de tout autre matériau ayant été en contact avec de la poussière radioactive. Les déchets radioactifs sont durables. Des matériaux comme les vêtements et les outils peuvent rester radioactifs pendant des milliers d’années. Le gouvernement réglemente la manière dont ces matériaux sont éliminés afin qu’ils ne contaminent rien d’autre. Le combustible usé et les barres de poison nucléaire sont extrêmement radioactifs. Les pastilles d’uranium usagées doivent être stockées dans des conteneurs spéciaux qui ressemblent à de grandes piscines. L’eau refroidit le combustible et isole l’extérieur du contact avec la radioactivité. Certaines centrales nucléaires stockent leur combustible usé dans des réservoirs de stockage à sec au-dessus du sol. Les effets de l’intoxication radioactive n’apparaissent qu’après de nombreuses années.
L’avenir de l’énergie nucléaire
Le nucléaire est une source d’énergie controversée, en raison des préoccupations liées à la sécurité et aux déchets radioactifs.
Les réacteurs nucléaires utilisent la fission, c’est-à-dire la division des atomes, pour produire de l’énergie. L’énergie nucléaire peut également être produite par la fusion, c’est-à-dire par l’assemblage d’atomes. Le soleil, par exemple, subit constamment une fusion nucléaire, les atomes d’hydrogène fusionnant pour former de l’hélium.
Les centrales nucléaires ne sont pas en mesure de produire de manière sûre et fiable de l’énergie à partir de la fusion nucléaire. Il n’est pas certain que ce processus puisse un jour être utilisé pour produire de l’électricité. Toutefois, les ingénieurs nucléaires mènent des recherches sur la fusion nucléaire, car le processus sera probablement sûr et rentable.
Les énergies renouvelables
Le vent, le soleil et la terre sont des sources d’énergie renouvelables. Ces sources d’énergie se renouvellent naturellement ou se reconstituent.
Le vent, la lumière du soleil et la planète ont une énergie qui se transforme de manière visible et palpable. Nous pouvons voir et sentir la preuve du transfert d’énergie du soleil vers la Terre dans la lumière du soleil qui brille sur le sol et dans la chaleur que nous ressentons lorsque la lumière du soleil brille sur notre peau. Nous pouvons voir et sentir la preuve du transfert d’énergie dans la capacité du vent à tirer les cerfs-volants plus haut dans le ciel et à secouer les feuilles des arbres. Nous pouvons voir et sentir la preuve du transfert d’énergie dans l’énergie géothermique des cheminées de vapeur et des geysers.
Les gens ont créé différentes manières de capturer l’énergie de ces sources renouvelables.
L’énergie solaire
L’énergie solaire peut être captée « activement » ou « passivement ».
L’énergie solaire active utilise une technologie spéciale pour capter les rayons du soleil. Les deux principaux types d’équipements sont les cellules photovoltaïques (également appelées cellules PV ou cellules solaires) et les miroirs qui concentrent la lumière du soleil à un endroit précis. Ces technologies solaires actives utilisent la lumière du soleil pour produire de l’électricité, que nous utilisons pour alimenter les lumières, les systèmes de chauffage, les ordinateurs et les téléviseurs.
L’énergie solaire passive ne nécessite aucun équipement. Elle tire son énergie de la façon dont la lumière du soleil change naturellement au cours de la journée. Par exemple, les gens peuvent construire des maisons de manière à ce que leurs fenêtres soient orientées dans la direction du soleil. Cela signifie que la maison recevra plus de chaleur du soleil. Il faudra moins d’énergie provenant d’autres sources pour chauffer la maison.
Les toits verts, les toits froids et les barrières radiantes sont d’autres exemples de technologie solaire passive. Les toits verts sont entièrement recouverts de plantes. Les plantes peuvent éliminer les polluants présents dans l’eau de pluie et dans l’air. Elles contribuent à rendre l’environnement local plus propre.
Les toits froids sont peints en blanc pour mieux réfléchir la lumière du soleil. Les barrières radiantes sont constituées d’un revêtement réfléchissant, comme l’aluminium. Ils réfléchissent tous deux la chaleur du soleil au lieu de l’absorber. Tous ces types de toits contribuent à réduire la quantité d’énergie nécessaire pour refroidir le bâtiment.
Avantages et inconvénients
L’utilisation de l’énergie solaire présente de nombreux avantages. Les cellules photovoltaïques durent longtemps, environ 20 ans.
Il existe cependant des raisons pour lesquelles l’énergie solaire ne peut pas être utilisée comme seule source d’énergie dans une communauté. L’installation de cellules photovoltaïques ou la construction d’un bâtiment utilisant la technologie solaire passive peuvent être coûteuses.
L’ensoleillement peut également être difficile à prévoir. Il peut être masqué par des nuages et le soleil ne brille pas la nuit. Différentes parties de la Terre reçoivent différentes quantités de lumière solaire en fonction de l’emplacement, de la période de l’année et de l’heure de la journée.
L’énergie éolienne
L’énergie éolienne est exploitée depuis très longtemps. Il y a cinq mille ans, les anciens Égyptiens construisaient des bateaux propulsés par le vent. En 200 avant J.-C., les gens utilisaient des moulins à vent pour moudre le grain au Moyen-Orient et pomper l’eau en Chine.
Aujourd’hui, nous captons l’énergie du vent grâce aux éoliennes. Une éolienne ressemble à un moulin à vent : elle est dotée d’une tour très haute avec deux ou trois pales en forme d’hélice au sommet. Ces pales sont tournées par le vent. Les pales font tourner un générateur ( situé à l’intérieur de la tour), qui produit de l’électricité.
Les groupes d’éoliennes sont connus sous le nom de parcs éoliens. On trouve des parcs éoliens à proximité de terres agricoles, dans des cols de montagne étroits et même dans l’océan, où les vents sont plus constants et plus forts. Les éoliennes ancrées dans l’océan sont appelées « parcs éoliens offshore ».
Les parcs éoliens produisent de l’électricité pour les maisons, les écoles et autres bâtiments à proximité.
Avantages et inconvénients
L’énergie éolienne peut être très efficace. Dans des régions comme le Midwest des États-Unis et le long des côtes, des vents réguliers peuvent fournir une électricité fiable et bon marché.
Un autre grand avantage de l’énergie éolienne est qu’il s’agit d’une forme d’énergie « propre ». Les éoliennes ne brûlent pas de carburant et n’émettent aucun polluant dans l’air.
Le vent n’est cependant pas toujours une source d’énergie stable. Sa vitesse varie constamment en fonction de l’heure de la journée, de la météo et de la situation géographique. À l’heure actuelle, il ne peut pas être utilisé pour répondre à tous nos besoins en électricité.
Les éoliennes peuvent également être dangereuses pour les chauves-souris et les oiseaux. Ces animaux ne peuvent pas toujours évaluer la vitesse à laquelle les pales tournent et s’écrasent sur elles.
L’énergie géothermique
Le noyau terrestre se trouve profondément sous la surface de la Terre. Le centre de la Terre est extrêmement chaud : on estime qu’il atteint plus de 6 000 °C (environ 10 800 °F). La chaleur se déplace constamment vers la surface.
Nous pouvons observer une partie de la chaleur de la Terre lorsqu’elle remonte à la surface. L’énergie géothermique peut faire fondre des roches souterraines en magma et faire remonter le magma à la surface sous forme de lave. L’énergie géothermique peut également chauffer des sources d’eau souterraines et la forcer à jaillir de la surface. Ce courant d’eau est appelé geyser.
Cependant, la majeure partie de la chaleur terrestre reste sous terre et s’échappe très, très lentement.
Il existe plusieurs façons d’accéder à la chaleur géothermique souterraine. L’une des façons d’utiliser l’énergie géothermique est d’utiliser des « pompes à chaleur géothermiques ». Un tuyau rempli d’eau fait une boucle entre un bâtiment et des trous creusés profondément sous terre. L’eau est réchauffée par l’énergie géothermique souterraine et apporte la chaleur au bâtiment. Les pompes à chaleur géothermiques peuvent être utilisées pour chauffer les maisons, les trottoirs et même les parkings.
Une autre façon d’utiliser l’énergie géothermique est d’utiliser la vapeur. Dans certaines régions du monde, de la vapeur souterraine remonte naturellement à la surface. La vapeur peut être acheminée directement vers une centrale électrique. Cependant, dans d’autres régions du monde, le sol est sec. Il faut injecter de l’eau sous terre pour créer de la vapeur. Lorsque la vapeur remonte à la surface, elle est utilisée pour faire tourner un générateur et produire de l’électricité.
En Islande, il existe de vastes réservoirs d’eau souterraine. Près de 90 % des Islandais utilisent la géothermie comme source d’énergie pour chauffer leurs maisons et leurs entreprises.
Avantages et inconvénients
L’un des avantages de l’énergie géothermique est qu’elle est propre. Elle ne nécessite aucun combustible et n’émet aucun polluant nocif dans l’air.
L’énergie géothermique n’est disponible que dans certaines régions du monde. Un autre inconvénient de l’utilisation de l’énergie géothermique est que dans les régions du monde où il n’y a que de la chaleur sèche sous terre, de grandes quantités d’eau douce sont utilisées pour produire de la vapeur. Il se peut que l’eau douce ne soit pas abondante. Les gens ont besoin d’eau pour boire, cuisiner et se laver.
Énergie biomasse
La biomasse est toute matière provenant de plantes ou de micro-organismes qui vivaient récemment. Les plantes créent de l’énergie à partir du soleil grâce à la photosynthèse. Cette énergie est stockée dans les plantes même après leur mort.
Les arbres, les branches, les débris d’écorce et le papier recyclé sont des sources courantes d’énergie issue de la biomasse. Le fumier, les déchets et les cultures, comme le maïs, le soja et la canne à sucre, peuvent également être utilisés comme matières premières pour la biomasse.
Nous obtenons de l’énergie à partir de la biomasse en la brûlant. Les copeaux de bois, le fumier et les déchets sont séchés et compressés en carrés appelés « briquettes ». Ces briquettes sont si sèches qu’elles n’absorbent pas l’eau. Elles peuvent être stockées et brûlées pour créer de la chaleur ou produire de l’électricité.
La biomasse peut également être convertie en biocarburant. Les biocarburants sont mélangés à de l’essence ordinaire et peuvent être utilisés pour alimenter les voitures et les camions. Les biocarburants libèrent moins de polluants nocifs que l’essence pure.
Avantages et inconvénients
Un avantage majeur de la biomasse est qu’elle peut être stockée puis utilisée en cas de besoin.
La culture de plantes destinées à la production de biocarburants nécessite toutefois de grandes quantités de terres et de pesticides. Les terres pourraient être utilisées pour la production alimentaire plutôt que pour la production de biocarburants. Certains pesticides pourraient polluer l’air et l’eau.
L’énergie de la biomasse peut également être une source d’énergie non renouvelable. Elle repose sur des matières premières issues de la biomasse, c’est-à-dire des plantes qui sont transformées et brûlées pour produire de l’électricité. Les matières premières issues de la biomasse peuvent inclure des cultures telles que le maïs ou le soja, ainsi que du bois. Si les gens ne replantent pas les matières premières issues de la biomasse aussi vite qu’ils les utilisent, l’énergie issue de la biomasse devient une source d’énergie non renouvelable.
Énergie hydroélectrique
L’énergie hydroélectrique est produite par l’écoulement de l’eau. La plupart des centrales hydroélectriques sont situées sur de grands barrages, qui contrôlent le débit d’une rivière.
Les barrages bloquent le cours d’eau et créent un lac artificiel, ou réservoir. Une quantité contrôlée d’eau est forcée à traverser des tunnels dans le barrage. Lorsque l’eau s’écoule dans les tunnels, elle fait tourner d’énormes turbines et génère de l’électricité.
Avantages et inconvénients
L’énergie hydroélectrique est relativement peu coûteuse à exploiter. Les barrages n’ont pas besoin d’être complexes et les ressources nécessaires à leur construction ne sont pas difficiles à obtenir. Les rivières coulent partout dans le monde, de sorte que cette source d’énergie est accessible à des millions de personnes.
L’énergie hydroélectrique est également assez fiable. Les ingénieurs contrôlent le débit de l’eau à travers le barrage, de sorte que celui-ci ne dépend pas des conditions météorologiques (contrairement aux énergies solaire et éolienne).
Cependant, les centrales hydroélectriques sont néfastes pour l’environnement. Lorsqu’un fleuve est endigué, un grand lac se forme derrière le barrage. Ce lac (parfois appelé réservoir) noie l’habitat originel du fleuve sous les eaux. Parfois, les gens construisent des barrages qui peuvent submerger des villes entières. Les habitants de la ville ou du village doivent déménager vers une nouvelle zone.
Les centrales hydroélectriques ne fonctionnent pas très longtemps : certaines ne peuvent fournir de l’électricité que pendant 20 ou 30 ans. La vase, ou la saleté du lit d’une rivière, s’accumule derrière le barrage et ralentit le débit de l’eau.
Autres sources d’énergie renouvelables
Les scientifiques et les ingénieurs travaillent sans cesse à l’exploitation d’autres sources d’énergie renouvelables. Les trois plus prometteuses sont l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues et les algues.
L’énergie marémotrice exploite la puissance des marées océaniques pour produire de l’électricité. Certains projets d’énergie marémotrice utilisent les marées en mouvement pour faire tourner les pales d’une turbine. D’autres projets utilisent de petits barrages pour remplir continuellement les réservoirs à marée haute et libérer lentement l’eau (et faire tourner les turbines) à marée basse.
L’énergie des vagues exploite les vagues de l’océan, des lacs ou des rivières. Certains projets d’énergie des vagues utilisent les mêmes équipements que les projets d’énergie marémotrice : des barrages et des turbines sur pied. D’autres projets d’énergie des vagues flottent directement sur les vagues. Le mouvement constant de l’eau au-dessus et à travers ces équipements flottants fait tourner les turbines et crée de l’électricité.
Le carburant à base d’algues est un type d’énergie de biomasse qui utilise les composés chimiques uniques des algues pour créer un biocarburant propre et renouvelable. Le carburant à base d’algues ne nécessite pas autant d’hectares de terres cultivées que les autres matières premières pour biocarburants.
Références :
– Renewable Energy – education.nationalgeographic.org
– Nuclear Energy – education.nationalgeographic.org
– Fossil fuels, explaind – nationalgeographic.com