Production d'énergie

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Posté par talos 13/03/2009 @ 12:23

Tags : production d'énergie, énergie, environnement

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Énergie primaire

Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas utilisable directement, elle doit être transformée en une source d’énergie secondaire pour être mise en œuvre. Dans l'industrie de l'énergie, on distingue la production d'énergie primaire, de son stockage et son transport sous la forme d'énergie secondaire, et de la consommation d'énergie finale.

L’énergie secondaire est-elle même transformée en énergie finale au stade de l’utilisation. Ainsi l’énergie mécanique d’une chute d’eau, transformée en électricité puis transportée sous cette forme peut-elle produire chez l’utilisateur final de l’énergie électrique pour différentes utilisations (éclairage, froid, chauffage, ...). Au niveau de l’utilisateur, les formes d’énergie sont plus ou moins substituables.

Cette série de transformations forme une chaîne énergétique, par exemple la chaîne pétrolière : extraction, transport, raffinage, distribution, utilisation. Les transformations sont caractérisées par un rendement, toujours inférieur à 1 par suite des pertes.

Dans les statistiques de comparaison de la production et de l’utilisation de l’énergie, on a l’habitude de considérer comme énergie primaire, l’énergie qui résulte de la première transformation (ainsi la chaleur nucléaire, l'électricité éolienne ou l'électricité hydraulique est-elle considérée comme électricité primaire) et comme énergie finale la forme sous laquelle elle arrive chez l’utilisateur final (ainsi l’électricité mesurée au compteur de l’abonné quelle qu’en soit l’utilisation finale : éclairage, chauffage, machines...), parce que ce sont celles pour lesquelles on dispose de données chiffrées.

Pour permettre les comparaisons, toutes les formes d’énergie sont exprimées à l’aide d’une unité commune : la tonne équivalent-pétrole ou tep.

La cogénération consiste à produire simultanément chaleur et électricité. Les combustibles peuvent aussi actionner des moteurs. La combustion dégage du gaz carbonique (CO2).

Les combustibles : charbon, pétrole et gaz naturel, ont aussi une utilisation non énergétique comme matière première dans l’industrie chimique : carbochimie, pétrochimie, engrais, le bâtiment ou les travaux publics (bitume).

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Énergie solaire

Une laverie automatique fonctionnant grâce à l'énergie solaire.

L'énergie solaire est l'énergie du Soleil par son rayonnement, directement ou de manière diffuse à travers l'atmosphère.

Dans l'espace, l'énergie des photons peut être utilisée, par exemple pour propulser une voile solaire.

Sur Terre, l'énergie solaire est à l'origine du cycle de l'eau, du vent et de la photosynthèse créée par le règne végétal, dont dépend le règne animal via les chaines alimentaires. L'énergie solaire est donc à l'origine de toutes les énergies sur Terre à l'exception de l'énergie nucléaire, de la géothermie et de l'énergie marémotrice.

L'Homme utilise l'énergie solaire pour la transformer en d'autres formes d'énergie : énergie alimentaire, énergie cinétique, énergie thermique, électricité ou biomasse. Par extension, l'expression « énergie solaire » est souvent employée pour désigner l'électricité ou l'énergie thermique obtenue à partir de cette dernière.

L'énergie solaire provient de la fusion nucléaire d'atomes (ou plutôt de noyaux d'atomes) d'hydrogène qui se produit au cœur du Soleil. Elle se propage dans le système solaire et dans l'Univers sous la forme d'un rayonnement électromagnétique — de photons — selon la théorie corpusculaire.

La Terre est illuminée par le Soleil en permanence. L'une des deux faces du globe terrestre se trouve privé d'énergie solaire — pendant la nuit — en raison de la rotation de la Terre. La puissance solaire reçue en un point du globe varie en fonction de l'heure de la journée, de la saison et de la latitude du lieu considéré.

Le désert des Mojaves dans le sud-ouest des États-Unis est l'une des régions du monde les plus ensoleillées, elle possède une centrale solaire d'une puissance totale de 354 MW.

L'énergie solaire photovoltaïque est l'électricité produite par transformation d'une partie du rayonnement solaire avec une cellule photovoltaïque. Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque. Plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire chez un particulier ou dans une centrale solaire photovoltaïque. L'installation solaire peut alimenter un besoin sur place (en association avec un moyen de stockage) ou être injectée, après transformation en courant alternatif, dans un réseau de distribution électrique (le stockage n'étant alors pas nécessaire).

Le terme photovoltaïque peut désigner soit le phénomène physique, l'effet photovoltaïque découvert par Antoine Becquerel en 1839, ou la technologie associée.

Le solaire thermodynamique est une technique solaire qui utilise le solaire thermique pour produire de l'électricité, ou éventuellement directement du travail mécanique (le terme solaire mécanique est alors employé), sur le même principe qu'une centrale électrique classique (production de vapeur à haute pression qui est ensuite turbinée).

La plus ancienne utilisation de l'énergie solaire consiste à bénéficier de l'apport direct du rayonnement solaire, c'est-à-dire l'énergie solaire passive. Pour qu'un bâtiment bénéficie au mieux des rayons du Soleil, on doit tenir compte de l'énergie solaire lors de la conception architecturale (façades doubles, orientation vers le sud, surfaces vitrées, etc.). L'isolation thermique joue un rôle important pour optimiser la proportion de l'apport solaire passif dans le chauffage et l'éclairage d'un bâtiment.

Dans une maison solaire passive, l'apport solaire passif permet de faire des économies d'énergie importantes.

Dans les bâtiments dont la conception est dite bioclimatique, l'énergie solaire passive permet aussi de chauffer tout ou partie d'un bâtiment pour un coût proportionnel quasi nul.

Sur le long terme, les prix du charbon, du gaz et du pétrole augmentent avec l'épuisement de la ressource. Le solaire apporte une source inépuisable d'énergie et la commission européenne pour les énergies renouvelables prévoit que l'énergie solaire représentera une part de 20 % dans les énergies renouvelables, celles-ci devant apporter 20 % de l'énergie en 2020 et 50 % en 2040.

Les investissements initiaux nécessaires à l'équipement en panneaux solaires restent encore bien souvent rédhibitoires. La tendance actuelle est une utilisation moindre du silicium pour réduire les coûts, l’utilisation de toits en acier et la recherche sur les méthodes de stockage d’énergie des plantes. Les recherches se concentrent donc dans cette direction.

Le système du tiers investisseur s'applique également à l'installation de panneaux solaires, mais uniquement pour de vastes toitures comme pour des églises ou des hangars agricoles. Ce système permet au propriétaire de voir le coût de l'installation entièrement à la charge d'un tiers qui revend l'électricité produite .

Les systèmes de production d'énergie solaire ont un coût proportionnel quasi nul : une fois l'installation de l'appareil effectuée, l'énergie est produite par le Soleil, ce qui ne coûte rien. Il faut cependant tenir compte des coûts d'investissement et de l'entretien de l'appareil.

L'usage de panneaux solaires thermiques se justifie pour produire de l'eau chaude sanitaire à moindre coût. Une fois l'installation réalisée, l'entretien est très peu coûteux et permet de faire des économies substantielles de combustible fossile ou d'électricité.

En revanche, pour le solaire photovoltaïque, le coût de l'installation est assez élevé, bien que la recherche progresse dans ce domaine. Plusieurs pays (comme la France et l'Allemagne) ont donc mis en place des systèmes d'incitation financière (notamment fiscale : crédit d'impôt) à l'installation de panneaux solaires.

L'usage de système de production d'énergie solaire se justifie aussi dans les situations où il est très coûteux d'importer des combustibles fossiles ou de transporter de l'électricité, comme dans des zones isolées ou peu peuplées. En France, l'électrification de nombreux refuges en montagne et de villages isolés en Guyane a été réalisée par un champ solaire photovoltaïque, parfois couplé à un groupe électrogène d'appoint.

Augustin Mouchot commence à s'intéresser à l'énergie solaire en 1860. En 1873, une subvention du conseil général de Tours lui permet de construire un four solaire de 4 m2 qu'il présente à l'Académie des sciences en octobre 1875. En 1877, une subvention du conseil général d'Alger lui permet de construire sur le même principe un « grand appareil de 20 m2 » qui reçoit une Médaille d'Or à l'Exposition universelle de 1878. En août 1882, lors de la Fête de l'Union française de la jeunesse, Abel Pifre utilise un récepteur solaire d'Augustin Mouchot pour actionner une machine à vapeur qui lui permet de tirer un journal.

Il y a une vingtaine d'années apparaissait la calculatrice de poche solaire. Quelques cellules photovoltaïques y remplaçaient avantageusement les piles électriques, toxiques pour l'environnement. Aujourd'hui, des magasins dédiés à l'écologie, mais aussi des enseignes plus grand public, proposent de nombreux objets fonctionnant à l'énergie solaire : torches, lampes de jardin, radioréveils, mobiles animés, montres... Preuve que l'énergie solaire séduit les consommateurs par l'image "verte" qu'elle véhicule. Son autre atout est son côté nomade : des chargeurs solaires permettent désormais d'alimenter en électricité, où que l'on se trouve, un téléphone mobile, un GPS ou un ordinateur portable. Pour les voyageurs au long cours, il existe même des sacs à dos équipés de capteurs solaires. Certains imaginent des vêtements également dotés de cellules photovoltaïques, pour y brancher directement son baladeur MP3.

Vous pouvez également recharger un scooter électrique à partir d'un abri photovoltaïque et ainsi vous déplacer en utilisant l'énergie solaire.

Chargeurs de batteries, ventilateurs, lampes de jardin, pompes hydrauliques... Aujourd'hui, tout ou presque peut fonctionner à l'énergie solaire. On peut désormais emporter dans son sac un GPS équipé d'un chargeur solaire, et des panneaux photovoltaïques apparaissent sur tous les toits. Indispensable à la vie sur Terre, le Soleil peut nous rendre de nombreux autres services : chauffer nos habitations, alimenter en énergie les lieux les plus reculés.

Des projets de centrales électriques voient le jour dans de nombreuses régions du monde. Le potentiel est immense : « 5 % de la surface des déserts permettrait de produire toute l'électricité de la planète », affirment Patrick Jourde et Jean-Claude Muller, chercheurs au Commissariat de l'énergie atomique (CEA) et au CNRS. « Théoriquement, il suffirait en France de réaliser le seul côté sud des toits en modules photovoltaïques pour produire toute l'énergie électrique nationale (550 térawattheures, c’est-à-dire 550 000 milliards de wattheures, par an ».

Longtemps restée à la traine, la France veut aujourd'hui combler son retard. Ainsi un Institut national de l'énergie solaire a été créé en août 2006 en Rhône-Alpes, dont l'objectif est d'améliorer les technologies solaires afin de les rendre plus compétitives.

Les panneaux photovoltaïques convertissent la lumière du soleil en électricité. En France ou en Belgique, grâce aux aides fiscales de l'Etat, les particuliers sont de plus en plus nombreux à s'en équiper. L'énergie non consommée par le foyer est récupérée en France par EDF, tenue depuis 2002 de racheter l'électricité d'origine renouvelable produite par les particuliers ou les collectivités.

La centrale photovoltaïque la plus puissante au monde (350 000 panneaux solaires sur 114 ha) est en cours de construction au Portugal. Après la centrale de Chambéry, inaugurée en 2005, la France a battu son propre record avec une nouvelle installation à la Réunion, en 2006. La Suisse s'est elle aussi lancée dans la course au solaire et, en Allemagne, les 57 000 panneaux du Bavaria solarpark fonctionnent depuis 2005.

Dans une tour solaire, un vaste collecteur solaire en verre chauffe l'air ambiant, qui, en montant à grande vitesse dans la tour, actionne des turbines générant de l'électricité. Un premier prototype a été mis en service en 1982 à Manzanares en Espagne et envisage la construction d'une tour solaire de 750 m de hauteur, capable d'alimenter 120 000 foyers. L'Australie a étudié la possibilité de construire une tour de près de 1 000 m de hauteur qui devrait fournir l'équivalent de la consommation de 200 000 foyers.

Le principe de l'énergie électrique thermique est de concentrer les rayons du Soleil, à l'aide de miroirs paraboliques, vers des tubes contenant un fluide conducteur de chaleur. Lorsque celui-ci s'échauffe, il produit de la chaleur qui actionne des turbines générant de l'électricité. Certains États, l'Espagne en tête, misent sur cette technologie plutôt que sur le photovoltaïque, dont le coût de production s'avère plus élevé en raison du prix du silicium des cellules photoélectriques.

L'Espagne possède ainsi depuis 2005 la plus grosse centrale solaire thermique d'Europe, d'une puissance de 100 MW. Quelques 400 000 miroirs, soit une superficie de 1,1 million de mètres carrés, recueilleront l'énergie du Soleil.

Dans les pays du Sud, où l'ensoleillement est très important, le solaire peut fournir aux régions rurales l'énergie nécessaire aux éclairages, aux réfrigérateurs, aux pompes hydrauliques ou encore aux installations de télécommunication. Soutenus par des ONG, des projets d'électrification de villages sont en cours dans de nombreux pays d'Afrique et d'Amérique du Sud.

Dans la ville d'Almere, aux Pays-Bas, une "île solaire" a été construite en été. Elle couvrira, en 2008, grâce à des panneaux solaires thermiques, 10 % des besoins énergétiques de 2 700 foyers. Une surface de 4 m2 de panneaux thermiques permet en effet de répondre aux besoins en eau chaude d'un foyer de 4 personnes et de diviser par deux, au minimum, sa facture de chauffage.

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Production d'énergie

La contraction musculaire nécessite l'utilisation d'énergie. Il existe plusieurs types d’énergie dont l’énergie mécanique, calorifique ou chimique. Ces énergies ne sont pas créées par l’homme, mais il va pouvoir transformer une énergie en une autre.

C’est l'adénosine triphosphate (ATP) qui va fournir l’énergie chimique aux cellules musculaires et qui sera transformée en énergie mécanique (mouvement). C’est la seule molécule capable de fournir de l’énergie aux muscles.

Les réserves d'ATP sont faibles. À une intensité maximale, elles ne permettraient des efforts que de quelques secondes. Il faut donc reconstituer de l’ATP en permanence.

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Ventilation pulmonaire

La ventilation pulmonaire est l'action des poumons qui aspirent l'air ambiant (inspiration) et soufflent de l'air « vicié » (expiration). C'est ce que l'on appelle la « respiration » dans le vocabulaire courant, mais en médecine et en biologie, le terme « respiration » désigne la production d'énergie par les cellules, notamment avec le dioxygène (appelé couramment et par abus de langage oxygène) apporté par la ventilation (voir l'article respiration cellulaire). En moyenne, un être humain "respire" 23000 fois par jour.

On divise de façon schematique l'appareil respiratoire en voies aériennes de conduction, que sont la trachée, les bronches, et les bronchioles (de la bronche souche à la bronchiole terminale) et en secteur alvéolaire (c'est-à-dire toute partie de l'appareil respiratoire située après une bronchiole sensitive : bronchioles respiratoires, canaux alvéolaires, et alvéoles).

Le dernière formule est particulièrement importante puisqu'elle montre que la résistance des voies aériennes de conduction (cette règle est également valable pour la résistance vasculaire) est régulée par l'adaptation de leur rayon à la puissance quatrième : une modification minime du rayon entraîne donc une variation bien plus importante de la résistance et donc de la capacité à acheminer l'air dans les alvéoles.

Pour une tension égale dans deux alvéoles de rayons différents, la pression sera donc plus importante dans le petit alvéole que dans le grand ; en conséquence, les petits alvéoles devraient se vider dans les grands par un phénomène d'équilibrage des pressions, ce qui n'est pas le cas en pratique. Cette équation permet donc d'expliciter le rôle du surfactant, liquide qui tapisse la paroi alvéolaire et en abaisse la tension superficielle, de telle sorte que la ventilation alvéolaire soit homogène.

Cette ventilation homogène justifie par ailleurs la modélisation mono-alvéolaire qui considère le poumon comme une alvéole géante qui se gonfle et se dégonfle à chaque cycle ventilatoire. Cette représentation permet de comprendre la notion d'espace mort, qui est l'ensemble des éléments de l'arbre respiratoire remplis d'air mais ne participant pas activement aux échanges gazeux air/sang. Anatomiquement, il s'agit des voies aériennes supérieures de conduction, soit 150 mL environ chez l'adulte. Mais physiologiquement, il regroupe en plus l'ensemble des espaces d'échanges gazeux qui n'assurent pas leur fonction par absence de perfusion.

On note ce dernier volume VD.

Le mouvement ventilatoire spontané se fait par des muscles qui soulèvent la cage thoracique, l'augmentation de volume des poumons provoque une dépression qui aspire l'air (on parle de ventilation en pression négative) ; lors de l'inspiration, le diaphragme s'abaisse et pousse les viscères pour permettre aux poumons de se développer vers les pieds (d'ailleurs, lorsqu'une personne dort, on voit son ventre se lever et se baisser). L'expiration est passive, c'est l'élasticité naturelle de la cage thoracique et le poids des viscères qui fait diminuer le volume des poumons.

La ventilation s'effectue dans la cavité thoracique grâce aux unités fonctionnelles respiratoires, aux voies aériennes, ainsi qu'aux plèvres.

Plusieurs acini reliés par les canaux alvéolaires forment le lobule pulmonaire, les échanges de gaz entre l'air et le sang se font dans les bronchioles lobulaires.

La ventilation au repos chez l'adulte en bonne santé est de 12 à 20 mouvements par minute, elle peut varier en fonction de plusieurs facteurs comme l'activité physique ou les émotions. Les troubles de la ventilation sont appelés dyspnée, la ventilation peut être par exemple plus rapide (tachypnée) ou plus lente (bradypnée) que la « normale » (la normalité dépendant des individus). Lorsque la ventilation descend en dessous de 6 mouvement par minutes ou bien s'arrête (apnée), on estime qu'elle est inefficace et doit être supplée par une ventilation artificielle.

La maladie d'Ondine est un syndrome qui se manifeste par l'absence totale de respiration spontanée (aucun réflexe ventilatoire). Le patient doit « penser » à respirer ; la nuit, il doit être placé sous ventilateur.

Lors de l'inspiration, l'air ambiant pénètre dans les poumons, et le dioxygène (O2, gaz qui compose 21 % de l'air) passe dans le sang et se fixe aux globules rouges. Le dioxyde de carbone (CO2) dissous dans le plasma sanguin passe lui dans l'air contenu dans les poumons. C'est cet air appauvri en dioxygène et enrichi en dioxyde de carbone qui est expiré.

On peut aussi estimer la capacité respiratoire par des tests d'athlétisme, comme par exemple le test navette de Luc Léger .

Même lorsque l'on expire complètement, il reste de l'air dans les poumons.

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Source : Wikipedia