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27 novembre 2009
Les multiples modes de génération d'énergie électrique
Produire de l'électricité sans polluer est un défi mondial.
Washington - La majorité des centrales électriques sont des machines compliquées à faire bouillir de l'eau : la production d'énergie électrique revient souvent à chauffer de l'eau et à utiliser la vapeur pour faire tourner une turbine.
La plus grande partie de l'électricité que nous utilisons est produite par un processus d'induction électromagnétique dans lequel un aimant en mouvement produit de l'électricité. En 1831, un physicien britannique, Michel Faraday, a observé qu'en faisant tourner un disque de cuivre entre les pôles d'un aimant, on générait de l'électricité (le disque doit tourner pour générer de l'électricité). Cela a mené à l'invention du générateur électrique où des aimants tournent autour d'un matériau comme le cuivre qui conduit l'électricité. Les générateurs convertissent l'énergie (les aimants qui tournent) en électricité (un courant qui passe par un fil) au contraire des moteurs, qui convertissent l'électricité en énergie mécanique.
L'énergie mécanique qui fait fonctionner le générateur peut être l'eau, le vent ou la vapeur. Dans une centrale hydroélectrique, l'eau coule sur l'hélice d'une turbine. Elle la fait tourner, ce qui active un générateur qui produit l'électricité. Le vent fait tourner les turbines éoliennes ; les turbines à vapeur fonctionnent sur le même principe : l'eau qui bout produit de la vapeur.
La meilleure manière de bouillir l'eau
Les combustibles fossiles comme le charbon brûlent facilement. Dans les centrales au charbon, le charbon est brûlé dans de grandes chaudières. La chaleur dégagée par cette combustion est utilisée pour bouillir de l'eau qui actionne une turbine à vapeur qui produit de l'électricité. Dans les centrales alimentées au gaz naturel, la combustion du gaz produit directement de la vapeur, sans que l'on ait besoin de faire bouillir de l'eau. Les produits pétroliers sont utilisés pour faire marcher les automobiles, les avions, les bateaux et les systèmes de chauffage ménager mais rarement pour produire de l'électricité.
Les centrales nucléaires utilisent un système beaucoup plus compliqué pour faire bouillir l'eau dans le cœur de leurs réacteurs. Les atomes d'uranium sont bombardés par des neutrons. Leur fission libère des rayons gamma et des neutrons et produit de la chaleur. Celle-ci est utilisée pour faire bouillir de l'eau dont la valeur fait tourner une turbine et génère de l'électricité. Les neutrons produits dans une réaction de fission peuvent briser les atomes d'uranium, produisant une réaction en chaîne auto-entretenue qui produit plus de chaleur.
Les centrales géothermiques utilisent la chaleur emmagasinée dans le sous-sol de la planète. Dans les centrales à vapeur sèche, la vapeur du sous-sol actionne une turbine. Dans les centrales à cycle combiné, le fluide géothermique chaud mais pas brûlant (sa température est en général inférieure à 200C) est amené à la surface où il est utilisé pour chauffer un fluide - en général du butane ou du pentane - qui bout à une température inférieure à celle de l'eau. Le fluide géothermique peut ne pas être assez chaud pour faire bouillir l'eau mais il peut faire bouillir du butane ou du pentane, produisant ainsi de la vapeur qui actionne une turbine pour produire de l'électricité.
Les centrales solaires à concentration utilisent des miroirs ou des lentilles pour chauffer de l'eau (ou un autre fluide) et générer de la vapeur. La première centrale solaire à concentration a été construire en 2005 à proximité de Séville (Espagne). Des centaines de miroirs qui suivent la course du soleil (on les appelle des héliostats) reflètent la lumière sur une tour centrale : le rayon solaire concentré chauffe un fluide qui produit de la vapeur ; celle-ci fait tourner une turbine qui produit l'électricité.
Les biocarburants sont des combustibles liquides produits à partir de plantes. Comme leurs homologues fossiles, ils brûlent facilement et peuvent être utilisés pour faire marcher des automobiles ou des moteurs à vapeur et générer de l'électricité. Des usines de transformation utilisent des produits chimiques pour extraire le sucre du matériel végétal. Il est alors combiné avec des micro-organismes et laissé à fermenter pour produire de l'éthanol ou d'autres alcools (le processus est semblable à celui utilisé pour faire de la bière). L'éthanol est ensuite mélangé avec de l'essence et utilisé comme carburant automobile qui produit moins de monoxyde de carbone et de smog que l'essence. L'éthanol peut aussi être brûlé pour générer de la vapeur et faire tourner un générateur qui produit de l'électricité.
Électricité non mécanique
Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent directement l'énergie solaire en électricité sans faire appel à l'énergie mécanique. Les photons de la lumière frappent des électrons (souvent dans du silicone) leur conférant plus d'énergie et produisant ainsi de l'électricité. D'abord utilisée pour alimenter les satellites dans l'espace, l'énergie solaire sert maintenant à produire de l'électricité sur la terre. Les panneaux photovoltaïques ne font pas appel à l'induction électromagnétique.
Électricité et pollution
Toutes ces méthodes de production de l'électricité ont des inconvénients : soit elles libèrent des sous-produits toxiques, soit elles sont coûteuses. Le charbon est abondant et bon marché mais sa combustion dégage des sous-produits toxiques et nocifs pour l'environnement : du dioxyde de carbone - un gaz à effet de serre -, du dioxyde de soufre - qui est cause de pluies acides et qui attaque le système respiratoire -, des oxydes d'azote - qui contribuent à la formation de l'ozone et du smog - et des cendres volantes qui contiennent des toxines environnementales comme de l'arsenic.
Selon le ministère de l'énergie des États-Unis, en 2007, près de la moitié de l'électricité produite aux États-Unis l'était à partir du charbon. « Le charbon est une ressource abondante » avait déclaré Steven Chu, ministre de l'énergie, lors de son audition de confirmation en janvier 2009. « Nous devons absolument trouver un moyen de l'utiliser de manière aussi propre que possible. »
La combustion du gaz naturel produit moins de dioxyde de carbone et moins de particules toxiques que celle du charbon - 43 % de moins d'émissions de dioxyde de carbone que le charbon par unité d'énergie produite, selon l'Union of Concerned Scientists (Syndicat des scientifiques préoccupés). Mais leur combustion produit des gaz polluants, tels que le monoxyde de carbone et des oxydes d'azote. Le gaz naturel contient du méthane - gaz à effet de serre plus dangereux que le dioxyde de carbone. Le monoxyde de carbone et le dioxyde de carbone sont aussi des sous-produits du raffinage et de la combustion du pétrole.
Les centrales électriques nucléaires ne produisent ni gaz à effet de serre ni produits chimiques causes de l'ozone et du smog. Mais la fission nucléaire produit des déchets radioactifs qu'il faut stocker de manière appropriée afin d'éviter qu'ils n'endommagent la flore et la faune. Les déchets radioactifs des centrales nucléaires conservent leur toxicité pendant des milliers d'années et, aujourd'hui, on ne dispose d'aucune méthode largement acceptée de stockage à long terme.
Les centrales solaires ne produisent ni gaz à effet de serre ni produits polluants mais le coût des matériaux utilisés et de leur installation rend l'électricité solaire plus coûteuse que celle produite par des combustibles fossiles. La fabrication des panneaux photovoltaïques requiert l'utilisation de produits chimiques toxiques et la production d'électricité n'est pas efficace. Les panneaux solaires commerciaux convertissent moins d'un tiers de la lumière solaire en électricité.
Il en va de même pour l'énergie éolienne et géothermique. L'une et l'autre ne produisent que peu, voire pas, de sous-produits (la vapeur sèche libère quelques polluants et gaz à effet de serre de la couche terrestre dans l'atmosphère), mais toutes les deux sont plus coûteuses que le recours à des combustibles fossiles. De plus, les centrales géothermiques et les fermes éoliennes ne peuvent être construites que dans des endroits où l'énergie géothermique ou éolienne est abondante.
Approvisionnement limité
Il n'existe qu'une quantité limitée de charbon, de pétrole et de gaz naturel dans la croûte terrestre. Dans la mesure où il faut des centaines de millions d'années pour « fabriquer » des combustibles fossiles, ils sont, à toutes fins utiles, non renouvelables. Le minerai d'uranium, le combustible pour les réactions de fission nucléaire, existe en quantités relativement peu abondantes dans le sol et il est créé lors de l'explosion des étoiles : l'approvisionnement en uranium de la terre est donc aussi non renouvelable. Selon l'Agence internationale de l'énergie atomique, « il existe suffisamment de sources connues d'uranium pour alimenter le parc mondial de réacteurs nucléaires pendant au moins un siècle au rythme actuel de la consommation ».
Les énergies hydroélectrique, éolienne, géothermique et solaire et les biocarburants sont renouvelables. Elles se régénèrent constamment et ne s'épuiseront jamais.
Le soleil va continuer de briller pendant des milliards d'années. Le vent est une forme d'énergie solaire, causé par l'échauffement de l'atmosphère par le soleil, la rotation de la Terre et les irrégularités de la surface de la planète. L'eau coule constamment et la planète génère de la chaleur en permanence. Les plantes cultivées pour produire des biocarburants ne prennent que quelques mois pour arriver à maturité.
(Les articles du site «America.Gov» sont diffusés par le Bureau des programmes d'information internationale du département d'Etat. Site Internet : http://www.america.gov/fr/)
