Le futur des énergies
Sciences
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Le futur des énergies
Produire de l'électricité sans combustion pour protéger les coraux
Intérêt du sujet • Les récifs coralliens sont des édifices riches en biodiversité, mais aussi très fragiles. L'humain doit adapter sa production d'énergie pour sa propre survie, mais aussi pour préserver les coraux.
Les émissions de CO2 liées à la combustion des énergies fossiles ont des conséquences désastreuses sur l'environnement et la biodiversité, comme la destruction des récifs coralliens. Les centrales solaires thermiques répondent à la nécessité de produire de l'électricité sans émission de CO2.
Partie 1 • CO2 et coraux
Document 1Coraux et blanchissement
D'après : globalcoralbleaching.org
Les coraux sont des organisations symbiotiques d'animaux (polypes) et d'algues vertes microscopiques (zooxanthelles).
La lumière est indispensable à la photosynthèse des zooxanthelles, par conséquent les coraux seront présents majoritairement dans les eaux peu profondes (l'éclairement diminue avec la profondeur) et transparentes.
La température de l'eau pour le développement des coraux est optimale entre 25 et 30 °C.
Les polypes de corail construisent leur squelette de carbonate de calcium en utilisant des ions carbonate présents dans l'eau. Quand l'eau s'acidifie, ces ions s'épuisent et les coraux ne peuvent plus construire de nouveaux récifs.
Document 2CO2 et conditions océaniques
a. CO2 et réchauffement des océans
Le graphique suivant montre l'évolution du taux de CO2 atmosphérique et de la température de la surface de la mer à Hawaï, entre 1945 et 2015.
Le CO2 fait partie des gaz à effet de serre (GES) dont la particularité est d'absorber les rayonnements infrarouges dans l'atmosphère et d'entraîner son réchauffement.
b. CO2 et acidification des océans
Une partie du CO2 atmosphérique se dissout au contact de l'océan. On le retrouve ensuite dans l'eau sous différentes formes, dont l'acide carbonique. Cette réaction chimique est à l'origine des changements dans les équilibres chimiques de l'eau de mer. Il en résulte, d'une part, une augmentation en ions hydrogène H+, responsables de l'acidification et, d'autre part, une diminution des ions carbonate, des éléments essentiels aux végétaux et animaux marins pour fabriquer leurs squelettes et autres structures calcaires.
À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1 et 2, répondre aux questions suivantes.
▶ 1. Quels sont les bénéfices réciproques de l'association symbiotique des deux organismes qui composent le corail ?
▶ 2. Quelles sont les causes de la destruction et du blanchissement des coraux ?
▶ 3. a) D'après la lecture du graphique du document 2, l'augmentation de la température des océans précède-t-elle ou succède-t-elle à l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique ?
b) D'après la lecture du texte du document 2, à quoi l'acidification des océans est-elle due ?
▶ 4. Démontrer que l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique liée à l'activité humaine est une cause du blanchissement des coraux.
Partie 2 • Production d'électricité sans combustion
Document 3Centrales solaires thermiques
Le fonctionnement des centrales solaires thermiques repose sur la technique suivante :
1. Des miroirs captent le rayonnement solaire et le réfléchissent en un point, de façon à générer des températures très élevées (de 400 à 1 000 °C).
2. L'eau se vaporise dans une chaudière.
3. La vapeur sous pression fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur.
4. L'alternateur produit un courant électrique alternatif.
Source : www.edf.fr
La puissance brute moyenne de rayonnement solaire par mètre carré est d'environ 110 W/m2 sur un toit orienté au sud, et d'environ 100 W/m2 sur un sol horizontal. Le solaire thermique est en effet une technologie de production d'énergie thermique présentant peu d'inconvénients et avec un rendement moyen de transformation de l'énergie solaire incidente de l'ordre de 40 à 50 % dans les meilleurs cas.
Document 4Une centrale solaire qui se passe du Soleil
En fonctionnement depuis octobre 2018 au Maroc, Noor III, la tour à énergie solaire concentrée (CSP) est actuellement la plus puissante au monde, avec une puissance fournie de 150 mégawatts (MW). Et grâce à un système de stockage de l'énergie thermique (45 000 tonnes de sel de potassium fondu où peut être stockée l'énergie thermique, pour une utilisation ultérieure), elle peut fabriquer de l'électricité même la nuit. Ses 7 400 miroirs (héliostats) peuvent pivoter sur leurs deux axes. Leur contrôle, individuel, est mû par un algorithme qui dicte leur angle d'inclinaison en fonction de la position exacte du Soleil. Ainsi, les rayons solaires sont focalisés continuellement sur le récepteur, en haut de la tour.
Source : www.sciencesetavenir.fr
Document 5Le solaire n'a-t-il que des avantages ?
Comme toutes les technologies, les centrales solaires thermiques présentent des avantages et des inconvénients. Le principal inconvénient réside dans le calendrier et les conditions météorologiques qui ne permettent pas de générer une quantité constante d'énergie électrique. D'autre part, l'entretien de ces installations implique de nettoyer constamment de grandes surfaces de réflecteurs. Pour cette raison, la consommation d'eau et de produits chimiques est abondante. La partie diffuse de la lumière solaire, c'est-à-dire la partie de la lumière diffusée par les nuages et les particules dans l'atmosphère, ne peut pas être regroupée et n'est donc pas utilisée par ce type de système. En conséquence, les systèmes solaires thermiques ne conviennent que pour les zones avec peu de nuages. Mais il y a suffisamment d'énergie solaire dans les tropiques et dans le sud de l'Espagne, l'Italie et la Grèce. Théoriquement, les centrales à miroir au Sahara peuvent fournir la consommation énergétique mondiale actuelle. Cependant, des obstacles tels que les transports d'électricité entre les continents freinent les investisseurs.
D'après : www.lenergie-solaire.net
À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 3, 4 et 5, répondre aux questions suivantes.
▶ 5. a) Quelle est la forme d'énergie utilisée dans la chaudière d'une centrale solaire ?
b) Compléter le diagramme de conversion énergétique pour la centrale solaire thermique.
▶ 6. À l'aide des documents 3 et 4, expliquer pourquoi on dit que la centrale Noor III peut se passer du Soleil pour produire de l'électricité.
▶ 7. a) Dire ce qu'est un héliostat et expliquer en quoi il participe à améliorer le rendement d'une telle centrale.
b) Calculer la puissance du rayonnement solaire reçue par l'ensemble des miroirs de la centrale.
▶ 8. Développer quelques arguments qui pourraient défavoriser l'installation d'une centrale solaire thermique.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Répondre aux questions
Coups de pouce
▶ 1. Commencez par déterminer les deux organismes présents et cherchez ce qu'ils s'apportent mutuellement.
▶ 2. Commencez par surligner ou entourer toutes les informations liées au blanchissement dans les documents 1 et 2.
▶ 3. a) Cette question ne demande pas de rédaction, mais implique une bonne maîtrise de la lecture du graphique. Prenez le temps de bien identifier les unités des axes et de distinguer les deux courbes.
▶ 6. Lisez bien le document 4 : une centrale ne peut se passer de l'énergie qu'elle reçoit que si elle la stocke.
▶ 8. Il ne suffit pas de lister seulement les inconvénients cités dans le document 5, il faut les développer tout en gérant son temps.
Aide à la résolution de la question 4
Partie 1 • CO2 et coraux
▶ 1. Les deux organismes en présence sont :
un animal, le polype, capable de produire un squelette calcaire ;
une algue verte microscopique, la zooxanthelle, capable d'effectuer la photosynthèse.
Une symbiose est une association où chaque organisme tire un bénéfice de son association avec l'autre.
La zooxanthelle produit par photosynthèse des nutriments et du dioxygène que le polype peut utiliser.
Le polype protège les zooxanthelles présentes dans son corps, leur fournit du CO2 et les nourrit des déchets de son métabolisme.
▶ 2.
Le conseil de méthode
Notez tout d'abord les conditions idéales pour le développement des coraux afin de comprendre les modifications qui peuvent entraîner leur mort et le blanchissement.
D'après le document 1, le corail, pour bien se développer, doit être dans une eau peu profonde, transparente et à une température entre 25 et 30 °C.
Le blanchissement des coraux est dû à l'expulsion des algues en symbiose avec les polypes au sein du corail à cause des changements de température de l'eau, à sa pollution et à la surexposition aux rayons du soleil. Le corail est alors décoloré, plus exposé aux maladies, mais surtout le polype n'est plus nourri par les produits de la photosynthèse de l'algue et dépérit.
Le texte ajoute que le polype du corail est incapable de construire son squelette lorsque l'eau est trop acide.
Les causes de la destruction et du blanchissement des coraux sont donc liées à la pollution et aux changements de température de l'eau, mais aussi à l'acidification de l'eau qui empêche la formation du squelette par le polype.
On peut ajouter :
la baisse du niveau de l'eau qui entraîne une exposition aux rayons solaires trop forte ;
l'élévation du niveau de l'eau ou la perte de sa transparence qui entraînent une exposition aux rayons solaires trop faible pour assurer la photosynthèse et la survie des coraux.
▶ 3. a) L'augmentation de la température des océans succède à l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique. Le taux de CO2 commence à augmenter dès 1945, la température à partir de 1975.
b) L'acidification des océans est due à l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique. En effet, celui-ci se dissout dans l'eau et entraîne une augmentation en ions hydrogène H+ responsables de l'acidité de l'eau.
▶ 4. Le blanchissement des coraux est principalement dû au réchauffement de l'eau et à son acidification. Nous cherchons à relier ces phénomènes à l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique due à l'activité humaine.
à noter
L'humain utilise la combustion des énergies fossiles pour le transport, le chauffage, la production d'électricité, ce qui génère la libération d'une grande quantité de CO2 et entraîne l'augmentation de son taux dans l'atmosphère.
D'après le graphique du document 2 a., l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique et celle de la température de l'eau suivent une même évolution avec une augmentation surtout depuis les années 1970. Le texte rappelle que le CO2 fait partie des gaz à effet de serre et que l'augmentation de sa quantité dans l'atmosphère entraîne un réchauffement à la surface de la Terre. Une part de l'énergie thermique est absorbée par l'eau et la température des océans augmente aussi.
Le texte du document 2 b. explique que le CO2 atmosphérique se dissout dans l'eau et forme de l'acide carbonique. Cette réaction entraîne la formation d'ions hydrogène, ce qui se traduit par une acidification de l'eau. L'augmentation de la quantité de CO2 atmosphérique entraîne donc l'augmentation de l'acidité de l'eau.
Nous avons vu précédemment que le blanchissement des coraux était dû au réchauffement et à l'acidification de l'eau. Comme ceux-ci sont provoqués par l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique, nous avons donc démontré que l'augmentation du taux de CO2 atmosphérique liée à l'activité humaine est une cause du blanchissement des coraux.
Partie 2 • Production d'électricité sans combustion
▶ 5. a) L'énergie apportée par les rayons solaires est thermique. Cette énergie chauffe l'eau de la chaudière qui se vaporise.
b) Le diagramme de conversion énergétique de la centrale est :
▶ 6. La centrale solaire thermique Noor III utilise le mode de fonctionnement expliqué dans le document 3 : l'énergie solaire est concentrée en un point en haut de la tour. Puis, comme l'explique de document 4, elle accumule cette énergie thermique reçue du rayonnement solaire dans un récipient de stockage contenant du sel fondu. Cette énergie peut être utilisée la nuit en l'absence du Soleil pour engendrer de la vapeur d'eau. C'est pourquoi on peut en effet confirmer que Noor III peut se passer du Soleil pour produire de l'électricité.
▶ 7. a) Un héliostat est un miroir capable de pivoter sur ses axes pour suivre le déplacement du Soleil et capter ainsi son rayonnement sans, ou avec un minimum de pertes. En effet, la puissance des rayonnements reçus est maximale lorsque l'angle d'incidence des rayons est minimal, ce qui est possible si les miroirs pivotent et suivent le Soleil dans son mouvement. Ceci participe à l'optimisation du rendement de la centrale.
b) Le rendement d'une centrale est donné par :
Nous cherchons la puissance reçue par les miroirs. Sachant que Putile = 150 MW et en considérant que η = 50 % pour une telle centrale, on obtient :
La puissance reçue par les miroirs de la centrale est de 300 MW.
à noter
Cette centrale reçoit le rayonnement solaire que ses miroirs renvoient vers la tour. On peut raisonner en termes d'énergie ou de puissance pour le rendement η.
▶ 8. Une centrale solaire thermique ne produit pas de CO2 certes, mais elle possède quelques inconvénients :
La restriction géographique : il n'est pas possible de construire une telle centrale dans les régions où il y a peu d'ensoleillement (par exemple, où les nuages diffusent la lumière solaire et la rendent inutilisable par les miroirs de ces centrales). Elles sont en effet placées dans les régions désertiques ou les pays à fort ensoleillement, comme le Maroc ou les pays du sud de l'Europe.
L'intermittence : l'énergie solaire reste intermittente, ce qui réduit sa capacité productive. Une centrale comme Noor III qui se passerait du Soleil utilise des procédés de stockage qui, certes, remédient à cet inconvénient en partie, mais ces procédés sont eux aussi polluants (produits chimiques comme les sels de potassium).
L'entretien et le nettoyage des miroirs : pour maintenir le rendement, de grandes quantités d'eau, pas toujours disponibles dans les zones désertiques, sont nécessaires ainsi que des produits chimiques qui sont polluants.
Le transport de l'électricité : les sites géographiques propices à ces centrales sont situés au Sud ou dans les déserts comme le Sahara. Il faut transporter l'électricité de ces sites jusqu'aux pays destinataires ce qui augmenterait le prix de cette électricité.
On constate, en effet, que malgré une très faible empreinte carbone lors de sa phase de fonctionnement, une centrale solaire thermique n'est pas encore une solution parfaite pour produire de l'énergie partout, à moindre coût et sans aucune pollution.