Quelles sont les principales sources d'énergie sur Terre ?

Il faut beaucoup d'énergie pour élever une espèce comme homo sapiens. Au cours des derniers siècles, cette espèce est devenue une présence mondiale interconnectée d'une manière qui, pour autant que la science le sache, ne s'est jamais produite auparavant sur la planète.

Les types d'énergie dont les humains ont besoin comprennent l'électricité pour alimenter leurs maisons et leurs industries, la biochimie de l'énergie pour nourrir leur corps et des ressources combustibles pour la chaleur, le transport et l'industrie production.

À grande échelle, la capacité de la terre à fournir ce dont les humains ont besoin dépend de cinq sources principales :

• Le soleil, ce réacteur à fusion géant dans le ciel, fournit une énergie de l'ordre de yottawatts (10²⁴ watts) 24h/24 et 7j/7.
• L'eau, qui est non seulement essentiel à la vie, mais qui peut également être exploité pour la production d'énergie.
• La gravité, la force mystérieuse qui crée et détruit les étoiles, est responsable des marées et transforme l'eau en une source d'énergie cinétique convertible.
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• Les mouvements de la terre créer des écarts de température quotidiens et saisonniers qui génèrent des vents et des courants océaniques qui peuvent être convertis en électricité.
• Radioactivité est la décomposition naturelle des éléments lourds en éléments plus légers avec une libération résultante de rayonnement. Le rayonnement crée de la chaleur qui peut être utilisée pour générer de l'électricité.

De plus, une importante source d'énergie pour les humains provient des corps en décomposition d'organismes qui ont prospéré et sont morts au cours des éons. Contrairement aux ressources énumérées ci-dessus, cependant, cette offre est limitée.

Les combustibles fossiles, qui comprennent le pétrole, le gaz naturel et le charbon, sont en fait une autre forme d'énergie solaire. Il y a des éons, les organismes vivants ont converti la lumière et la chaleur du soleil en molécules à base de carbone qui ont formé leur corps. Les organismes sont morts et leurs corps se sont enfoncés profondément dans le sol et au fond des océans. Aujourd'hui, l'énergie bloquée dans ces liaisons carbone peut être libérée en récupérant ce que leurs restes sont devenus et en les brûlant.

Le pétrole et le gaz naturel proviennent du plancton marin microscopique qui a vécu il y a des millions d'années. Ils sont morts et ont coulé au fond des océans, où la décomposition et d'autres processus chimiques les ont transformés en cire kérogène et s'attarder bitume. Les fonds océaniques se sont finalement asséchés et ces matériaux ont été enfouis sous la roche et le sol. Ils sont devenus les matières premières pour la fabrication de l'essence, du carburant diesel, du kérosène et d'une foule d'autres produits pétroliers.

La façon traditionnelle de récupérer le pétrole brut du sol est le forage, mais la fracturation hydraulique, ou fractionnement, est devenu une alternative moderne souvent utilisée. Dans ce processus, un mélange de sable, d'eau et de produits chimiques potentiellement dangereux est forcé dans le sol pour déplacer le pétrole. La fracturation est un processus coûteux, et il a un certain nombre d'effets délétères sur le substratum rocheux, la nappe phréatique et l'air environnant.

Le charbon provient de plantes terrestres qui se sont installées dans les tourbières et les marécages et se sont transformées en tourbe. La tourbe s'est solidifiée au fur et à mesure que le sol séchait et elle a finalement été recouverte de roches et d'autres débris. La pression l'a transformé en la substance noire et rocheuse brûlée dans de nombreuses installations industrielles et centrales électriques. Tout cela a commencé il y a environ 300 millions d'années, lorsque les dinosaures parcouraient la terre, mais contrairement au mythe populaire, le charbon n'est pas un dinosaure décomposé.

Depuis des millénaires, les humains exploitent l'énergie hydraulique pour effectuer des travaux, et en physique, le travail est synonyme d'énergie. Des roues hydrauliques placées près d'un ruisseau ou d'une chute d'eau ont utilisé l'énergie générée par l'eau en mouvement pour moudre le grain, irriguer les cultures, scier du bois et effectuer une foule d'autres tâches. Avec l'avènement de l'électricité, les roues hydrauliques ont été transformées en centrales électriques.

La turbine hydraulique est le cœur d'une centrale hydroélectrique, et elle fonctionne grâce au phénomène d'induction électromagnétique, découvert par le physicien Michael Faraday en 1831. Faraday a découvert qu'un aimant en rotation à l'intérieur d'une bobine ou d'un fil conducteur génère un courant électrique dans la bobine, et moins de 100 ans plus tard, le premier générateur à induction a été mis en ligne à Niagara Chutes.

Aujourd'hui, les centrales hydroélectriques fournissent environ 6 % de l'électricité consommée dans le monde. La combustion de combustibles fossiles pour produire de la vapeur et faire tourner des turbines, en revanche, génère près de 60 % de l'électricité mondiale. La majeure partie de l'énergie hydroélectrique est générée par des barrages et non par des chutes d'eau.

Un barrage, comme un ruisseau ou une cascade, dépend de la gravité. L'eau pénètre dans un passage au sommet du barrage, s'écoule dans un tuyau qui amplifie son énergie et fait tourner une turbine avant de sortir près de la base du barrage. Deux des plus grands barrages hydroélectriques au monde sont le barrage des Trois Gorges en Chine, qui génère 22,5 gigawatts d'énergie et le barrage d'Itaipu à la frontière Brésil/Paraguay, qui génère 14 GW. Le plus grand barrage d'Amérique du Nord est le barrage de Grand Coulee dans l'État de Washington, qui ne génère qu'environ 7 mégawatts.

Les océans sont l'une des ressources énergétiques les plus importantes au monde pour deux raisons. La première est qu'ils ont des courants qui, en conjonction avec les vents, forment des vagues. Les vagues peuvent être transformées en électricité. Parce qu'elles sont le résultat de différences de température causées par la chaleur du soleil, les vagues et les courants qui les forment sont techniquement une forme d'énergie solaire.

L'autre ressource énergétique des océans est constituée par les marées, qui sont causées par les influences gravitationnelles de la lune et du soleil, ainsi que par les mouvements de la terre elle-même. Des technologies existent également pour convertir l'énergie des marées en électricité.

Les centrales houlomotrices ne sont pas encore courantes et le prototype, qui a été déployé au large des côtes écossaises, ne génère que 0,5 MW. Les technologies ondulatoires disponibles comprennent :

• Des flotteurs et des bouées, qui montent et descendent sur les vagues et génèrent de l'énergie avec des dispositifs hydrauliques.

• Colonnes d'eau oscillantes, qui permettent à l'eau d'entrer dans une chambre et de comprimer l'air enfermé, qui fait ensuite tourner une turbine.

• Systèmes de canaux coniques, qui sont liés au rivage. Ils canalisent l'eau dans des réservoirs surélevés et, lorsque l'eau tombe, elle fait tourner une turbine.

Les centrales marémotrices peuvent utiliser la puissance des marées entrantes et sortantes pour faire tourner directement les turbines. L'eau est environ 800 fois plus dense que l'air, donc si une turbine est placée au fond de l'océan, les mouvements de marée génèrent une puissance importante pour les faire tourner. Les systèmes de barrage de marée sont cependant plus courants.

Un barrage de marée est une barrière érigée à travers un bassin de marée qui permet à l'eau de la marée montante d'entrer, puis se ferme et contrôle l'écoulement à la marée descendante. Le plus grand générateur de ce type est la centrale marémotrice de Sihwa Lake en Corée du Sud. Il génère environ 254 MW.

Deux des moyens les plus connus pour produire de l'électricité d'une manière qui ne repose pas sur la disparition des combustibles fossiles et ne crée pas de pollution sont de déployer des éoliennes ou des panneaux photovoltaïques. Parce que le soleil est responsable des différences de température qui créent le vent, les deux sont, à proprement parler, des formes d'énergie solaire.

Les éoliennes fonctionnent comme les éoliennes ou les éoliennes. Lorsque le vent souffle, il fait tourner un arbre qui est relié par des engrenages à une turbine à induction génératrice d'énergie. Les turbines modernes sont calibrées pour fournir un courant alternatif à la même fréquence que le courant alternatif conventionnel, ce qui le rend disponible pour une utilisation immédiate. Les parcs éoliens du monde entier fournissent près de 5 % de l'électricité mondiale.

Les panneaux solaires reposent sur l'effet photovoltaïque, par lequel le rayonnement du soleil crée une tension dans un matériau semi-conducteur. La tension crée un courant continu qui doit être converti en courant alternatif en le faisant passer à travers un onduleur. Les panneaux solaires ne produisent de l'électricité que lorsque le soleil est levé, ils sont donc souvent utilisés pour charger les batteries, qui stockent l'énergie pour une utilisation ultérieure.

Les panneaux solaires représentent peut-être l'une des méthodes les plus accessibles pour produire de l'électricité, mais ils ne fournissent qu'une petite fraction de l'électricité mondiale - moins de 1 %.

À proprement parler, le processus de fission nucléaire n'est pas un phénomène naturel, mais il vient de la nature. La fission nucléaire a été inventée peu de temps après que les scientifiques aient pu comprendre l'atome et le phénomène naturel de la radioactivité. Bien que la fission ait été utilisée à l'origine pour fabriquer des bombes, la première centrale nucléaire a été mise en service trois ans seulement après l'explosion de la première bombe sur le site de Trinity dans le désert du Nouveau-Mexique.

Des réactions de fission contrôlées se produisent à l'intérieur de toutes les centrales nucléaires du monde. Il génère de la chaleur pour faire bouillir de l'eau, qui produit la vapeur nécessaire à l'entraînement des turbines électriques. Une fois qu'une réaction de fission commence, elle a besoin de peu de carburant pour continuer indéfiniment.

Près de 20 pour cent des besoins électriques mondiaux sont satisfaits par des générateurs nucléaires. Considérée à l'origine comme une source bon marché d'énergie pratiquement illimitée, la fission nucléaire a de graves inconvénients, dont le moindre n'est pas la possibilité de fusion et la libération incontrôlée de substances nocives radiation. Deux accidents bien connus, l'un à la centrale russe de Tchernobyl et l'autre à Fukushima au Japon centrale, ont évité ces dangers et rendu la production d'énergie nucléaire moins attrayante qu'elle ne l'était autrefois a été.

Au plus profond de la croûte terrestre, les pressions et les températures sont si élevées qu'elles liquéfient la roche en lave en fusion. Cette matière surchauffée traverse des veines de la croûte qui la dirigent parfois près de la surface. Les communautés dans les zones où cela se produit peuvent utiliser la chaleur pour produire de l'électricité et fournir de la chaleur à leurs maisons. C'est ce qu'on appelle l'énergie géothermique, et dans certains cas, elle est augmentée par des matières radioactives dans le sol, qui génèrent également de la chaleur.

Pour utiliser l'énergie géothermique, les développeurs creusent un tunnel dans la terre sur un site approprié et font circuler de l'eau dans le tunnel. L'eau chauffée remonte à la surface sous forme de vapeur, où elle peut être utilisée directement pour le chauffage ou pour faire tourner une turbine. Dans certains cas, la chaleur est transférée de l'eau à une autre substance avec un point d'ébullition inférieur, comme l'isobutane, et la vapeur qui en résulte fait tourner les turbines.

Dans sa forme la plus simple, l'énergie géothermique a fourni guérison et confort dans les spas naturels et les sources chaudes depuis aussi longtemps qu'il y a des gens pour les fréquenter. Le Japon est l'un des pays les plus géologiquement actifs au monde, et il possède un vaste réseau de sources chaudes naturelles et une longue histoire de trempage. Les experts estiment qu'il dispose de suffisamment de ressources géothermiques pour couvrir jusqu'à 10 % de son électricité besoins, faisant de son potentiel géothermique le troisième au monde, derrière les États-Unis et Indonésie.

Certaines ressources sont fragiles et en voie de disparition, et leur conversion en énergie utilisable crée des polluants qui altèrent l'environnement planétaire. D'autres ressources dépendent uniquement de la dynamique solaire et planétaire qui promet de rester inchangée pour les prochains milliards d'années. Dans le moment présent, l'humanité a un choix urgent à faire. Sa survie même peut dépendre de sa capacité à passer du premier au second en peu de temps.