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Stockage et conversion de l'énergie chimique

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Objectif(s)

Aborder le thème du stockage de l’énergie. Voir que le stockage et la conversion de l’énergie chimique peuvent présenter différents aspects ; étudier leurs caractéristiques. On insistera surtout sur la réaction de combustion et sur l’émission de

1. Problématique du stockage de l'énergie

Les activités biologiques d’un organisme vivant ou un processus industriels ne peuvent pas se faire sans énergie, quelle que soit sa forme. La difficulté est d’avoir une « réserve » d’énergie à disposition au moment où l’on en a besoin. Par exemple, le muscle a des réserves de glycogène qu’il peut utiliser rapidement en cas d’effort physique. La notion de stockage d’énergie est donc cruciale.

Incontestablement, la forme d’énergie stockée la plus importante en quantité est l’énergie de masse, donnée par la relation d’Einstein

. Cependant, seules des réactions nucléaires arrivent à l’exploiter de manière intéressante (étoiles, centrales nucléaires).

D’autres formes d’énergie sont aussi « stockables », comme l’énergie potentielle de pesanteur (barrages), l’énergie thermique (cumulus d’eau chaude), l’énergie cinétique (volants d’inertie)… Cependant, elles ne permettent pas un stockage important, et/ou dans la durée.

Par contre, l’énergie chimique constitue un stock d’énergie important, pouvant être conservé longtemps, et dont l’énergie est « extraite » souvent facilement.

2. Une forme d'énergie chimique stockée : les combustibles

Les matériaux combustibles ont un grand potentiel énergétique. Ils constituent un stock d’énergie chimique accessible par combustion.

Sur Terre, la matière combustible tire en fait sa source de l’énergie solaire ! En effet, le rayonnement du Soleil est exploité par les plantes vertes par photosynthèse pour produire la matière organique (bois par exemple) à la base de la chaîne alimentaire. La matière organique est composée essentiellement de carbone. On parle de cycle du carbone afin de rendre compte de ses changements d’états dans un écosystème.

Dans certaines conditions, la matière organique enfouie dans le sous-sol se modifie lentement. Cette matière « fossilisée » forme le charbon, le pétrole, le gaz naturel (méthane). Ce sont des combustibles à haut pouvoir énergétique, mais non renouvelables. Une fois extrait du sous-sol, le pétrole est acheminé par pétrolier ou pipe-line. Le gaz naturel est transporté par méthaniers ou gazoducs.

D’autre part, certaines huiles, végétales ou animales, constituent une autre variété d’énergie chimique, à vocation alimentaire, combustible ou autre. On peut penser aux huiles de colza dans le cadre des biocarburants. Des molécules organiques comme les alcools ont aussi des propriétés combustibles, par exemple le bioéthanol, un autre biocarburant.

3. Une conversion de l'énergie chimique : la combustion

a. Caractéristiques.

Une combustion résulte d’une réaction chimique entre un combustible et un comburant. Le comburant le plus courant est le dioxygène

. Une combustion est exothermique : elle libère de l’énergie sous forme de chaleur. Pour les combustions rapides et assez chaudes, la réaction s’accompagne d’une flamme, donc émission d’énergie lumineuse.

Sauf cas très particuliers, la combustion ne se produit pas spontanément, mais à besoin d’être déclenchée par apport de chaleur, sous forme d’étincelle ou autre. Par contre, une combustion disposant d’un apport continu en combustible et comburant pourra être entretenue.

A l'échelle microscopique, des liaisons chimiques sont détruites lors de la combustion, ce qui libère les atomes. D’autres liaisons vont alors se former pour lier ces atomes, et donner les molécules issues de la combustion. L’énergie libérée correspond à la différence d’énergie entre les énergies de liaisons avant et après combustion.

b. Ecriture d'une réaction de combustion

Une combustion est dite complète si les espèces chimiques en fin de combustion ne sont pas susceptibles de subir la combustion à leur tour. Une combustion complète libère en général du dioxyde de carbone et de l’eau sous forme de vapeur. La réaction de combustion d’un hydrocarbure ou d’un alcool pourra prendre la forme :

L’énergie thermique libérée lors d’une combustion complète est estimée par le pouvoir calorifique (ou chaleur de combustion) du combustible. On l’exprime en J/kg ou en J/mol. Par exemple, la chaleur de combustion est de 42MJ/kg pour le pétrole.

Le dihydrogène est un cas spécial, car sa combustion ne libère que de l’eau :

Ce carburant non polluant doit cependant être produit, car il n’existe pas sur Terre à l’état naturel. Un autre inconvénient est son transport, sous forme de gaz sous pression.

c. Sécurité

Si le comburant alimentant la combustion est en quantité insuffisante, la combustion est dite incomplète. Cela correspond à la flamme jaune d’un bec Bunsen où la virole est fermée. Cette flamme produit des dépôts de carbone de couleur noire. Un rejet de monoxyde de carbone

est typique d’une combustion incomplète. Il est incolore, inodore, insipide, mais toxique. Des systèmes de chauffage par combustion mal ventilés ou mal réglés sont responsables d’intoxication au monoxyde de carbone, pouvant être mortelles.

Le stockage de combustibles n’est pas sans risque si ces derniers sont très inflammables, comme avec certains hydrocarbures. Le risque d’incendie est très présent (pétroliers). Quand il y a mélange d’un carburant et d’un comburant, le mélange peut être explosif (vapeurs d’essence dans les stations services).

d. Environnement

L’essence est un carburant très proche d’un point de vue chimique de son constituant principal, c'est-à-dire l’octane

. La combustion complète de l’octane s’écrit :

D’une manière générale, une mole d’hydrocarbure comportant n atomes de carbone (8 dans l’exemple) libèrera n moles de

lors de sa combustion complète.

La combustion d’un litre d’essence dans un moteur thermique génère environ 2,2 kilogrammes de dioxyde de carbone

. Selon sa consommation, on peut alors établir l’émission de

d’un véhicule.

Le

émis dans l’atmosphère est un gaz à effet de serre impliqué dans le phénomène de réchauffement climatique. Le domaine des transports, par le biais des moteurs thermiques, est un grand producteur de

. Les centrales thermiques, l’industrie, les chauffages par combustion, les incendies de forêts, les volcans … sont d’autres sources non négligeables.

4. Autres conversions de l'énergie chimique : réactions d'oxydoréduction

La combustion est un cas particulier de réaction d’oxydoréduction. Dans son cas, on parle d’oxydoréduction par voie sèche. Le comburant est qualifié d’agent oxydant. De manière générale, une réaction d’oxydoréduction est une réaction qui se caractérise par un transfert d’électrons, d’un réducteur vers un oxydant. Ces notions seront approfondies dans de prochaines fiches.

a. Les processus biologiques

Chez les êtres vivants (animaux ou végétaux), la respiration correspond à la réaction d’oxydation du glucose :

Cette réaction a le même aspect qu’une combustion, mais l’énergie libérée est exploitée en grande partie sous forme chimique (molécule d’ATP vue en SVT). D’autre part, évidemment, la réaction ne produit pas de flamme : c’est une réaction de dégradation du glucose plus lente que pour une combustion.

b. Les piles à combustibles

Les piles à combustibles utilisent un comburant et un combustible, mais la réaction ne produit pas de la chaleur comme avec une combustion mais de l’électricité. Le combustible le plus employé dans ces piles est le dihydrogène.

c. Les piles et les accumulateurs

Les piles électrochimiques et les accumulateurs utilisent d’autres espèces chimiques que des combustibles et comburants. On rencontre en effet des métaux sous forme oxydée ou réduite. La finalité des piles est de convertir de l’énergie chimique en énergie électrique, par le biais de réactions d’oxydoréduction en phase aqueuse. Les accumulateurs électrochimiques sont des dispositifs capables de transformer l’énergie électrique qu’ils reçoivent en énergie chimique, pour ensuite restituer l’énergie électrique. Ils sont un moyen de stockage d’énergie sous la forme d’énergie chimique, via des réactions d’oxydoréduction réversibles. Les batteries de voiture en sont un bon exemple.

L'essentiel

L’énergie chimique constitue une forme d’énergie stockée importante. Dans le cas de matières combustibles, cette énergie peut être convertie facilement en énergie thermique/lumineuse par combustion.

Une combustion est une réaction exothermique entre un combustible et un comburant. Le dioxygène est le comburant le plus rencontré. Une combustion est une réaction d’oxydoréduction par voie sèche.

Les matières combustibles sont des matières organiques constituées d’hydrocarbures, d’alcools… La matière organique fossile (charbon, pétrole, gaz naturel) constitue une source d’énergie chimique, mais non renouvelable.

La combustion complète d’un hydrocarbure ou d’un alcool produit de la vapeur d’eau et du dioxyde de carbone. Une fois émis dans l’atmosphère, celui-ci participe à l’effet de serre, un des responsables du phénomène de réchauffement climatique.

L’énergie chimique peut aussi être exploitée par des réactions d’oxydoréductions autre que par combustion : respiration des êtres vivants, piles à combustibles, piles électrochimiques ou accumulateurs (batteries).

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