Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les combustibles fossiles ont fourni à l'humanité de l'énergie bon marché et concentrée qui a permis d'atteindre, pour la majorité des habitants, un niveau de vie encore jamais égalé dans le passé. Ces richesses fossiles sont toutefois finies, et leur utilisation massive rejette du gaz carbonique (CO2) qui contribue à accroître l'effet de serre avec des implications négatives pour le climat. L'humanité est confrontée aujourd'hui à un défi énergétique qui consiste, d'une part à réduire ses émissions de CO2, et d'autre part à substituer progressivement les combustibles fossiles par d'autres sources d'énergie non émettrices de gaz à effet de serre. Pour répondre à ce défi, il va falloir accroître la contribution des énergies décarbonées (renouvelables et nucléaires) mais surtout être plus sobre et utiliser plus efficacement l'énergie. Les différentes sources d'énergie, leurs applications et les perspectives sont brièvement introduites dans cet article.
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Christian NGÔ : Edmonium Conseil
INTRODUCTION
L'énergie est indispensable au développement économique. Les civilisations modernes se sont développées depuis environ deux siècles grâce aux combustibles fossiles qui ont permis de disposer de sources d'énergie concentrées et peu chères. Ils couvrent environ 80 % des besoins énergétiques mondiaux mais sont en quantité finie. De plus, l'utilisation des combustibles fossiles rejette du gaz carbonique ce qui augmente l'effet de serre. Le défi énergétique auquel l'humanité est confrontée aujourd'hui dans le domaine énergétique est de réduire les émissions de CO2 et, progressivement, de substituer les combustibles fossiles par d'autres sources d'énergie n'émettant pas de CO2 (dites décarbonées). Pour répondre à ce défi, il faut faire des économies d'énergie, utiliser des dispositifs plus efficaces et utiliser à grande échelle des sources d'énergies décarbonées (renouvelables et nucléaire). Les principaux usages de l'énergie sont, par ordre de consommation décroissante, la production d'énergie thermique, les transports et l'électricité.
L'électricité est produite, au niveau mondial, majoritairement avec du charbon mais ce vecteur énergétique peut néanmoins être généré pratiquement à partir de toutes les sources d'énergie, notamment les sources décarbonées. En revanche, les transports dépendent presque entièrement du pétrole. Pour ce qui est de la chaleur ou du froid, on pourrait, dans le principe, se passer dans le futur de combustibles fossiles.
Le stockage de l'énergie est le point faible de la filière énergétique et de gros progrès restent à faire dans ce domaine qui est notamment essentiel pour exploiter les sources d'énergie intermittentes. L'habitat et les transports consomment une bonne part de l'énergie mondiale. Des gains importants en matière d'énergie sont possibles dans l'habitat. Par contre, pour les transports, le problème est plus difficile. L'hydrogène, vecteur énergétique sur lequel beaucoup pariaient à court terme pour les transports, sera surtout utile pour fabriquer des carburants liquides et pour la pétrochimie. Il faut aussi noter que la quantité d'énergie que peut délivrer une source n'est pas le seul paramètre important et que l'on a parfois aussi besoin de grandes puissances dans certaines applications industrielles, fortes puissances continues que beaucoup de sources renouvelables sont incapables de fournir.
Dans ce dossier, un panorama du domaine énergétique introduit les nombreux dossiers des techniques de l'ingénieur relatifs à ce sujet.
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- Version courante de avr. 2017 par Christian NGÔ
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Imaginer le futur14. Hydrogène : du rêve à la réalité
L'hydrogène est, tout comme l'électricité, un vecteur énergétique. Tout comme l'électricité il faut de l'énergie pour le produire. En effet, si les atomes d'hydrogène sont très fréquents sur la Terre (on les trouve dans l'eau ou les hydrocarbures et la biomasse, par exemple, mais associés à d'autres atomes de ces composés), les molécules d'hydrogène (dihydrogène) sont par contre très rares et ce sont elles qui sont utilisées dans les applications énergétiques.
La majorité (96 %) de l'hydrogène produit actuellement vient des combustibles fossiles : gaz naturel (48 %), pétrole (30 %) et charbon (18 %). Cette production se fait en émettant du CO2 et contribue donc au réchauffement climatique. Seulement 4 % de l'hydrogène est produit par électrolyse car c'est un procédé beaucoup plus cher.
Il faudra produire l'hydrogène dans le futur par électrolyse ou voie biochimique si l'on souhaite ne pas émettre de CO2. Le problème de l'hydrogène est son stockage car quelle que soit la méthode utilisée (hydrogène comprimé, hydrogène liquide, stockage sous forme d'hydrures), la masse d'hydrogène stockée dans un volume donné est faible.
1m3 ne contient que 14 kg d'hydrogène comprimé à 200 bar (20 MPa) alors qu'il y a 100 kg de gaz naturel dans le même volume. Pour donner un ordre de grandeur, il faut environ 1 kg d'hydrogène pour parcourir 100 km avec une voiture à pile à combustible.
L'hydrogène peut être utilisé directement dans les applications énergétiques (comme combustible, dans un moteur thermique, etc.) ou il peut alimenter une pile à combustible pour produire de l'électricité et de la chaleur. Les mini et micropiles à combustibles peuvent alimenter les dispositifs nomades et seront sans doute le premier marché des piles à combustible. Les piles à haute températures pour des applications stationnaires sont intéressantes car elles peuvent utiliser dans un premier temps du gaz naturel puis un mélange de celui-ci avec de l'hydrogène avant d'utiliser de l'hydrogène pur plus tard. Comme elles opèrent à haute température (700-800 oC), elles n'ont pas besoin de catalyseur pour réformer le gaz naturel. Les applications dans les transports correspondent à un avenir plus lointain car il reste de nombreux problèmes à résoudre...
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Hydrogène : du rêve à la réalité
BIBLIOGRAPHIE
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NGÔ (C.) - Quelles énergies pour demain ? On se bouge ! - Spécifiques éditions (2007).
NGÔ (C.) - Demain l'énergie. - Dunod (2009).
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ROUX (D.) - Comment faire rimer habitable et durable ? On se bouge ! - Spécifiques éditions (2008).
SAFA (H.) - Le nucléaire, quel intérêt pour la...
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