Energie
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«L’énergie nucléaire», un film de la série «C’est pas sorcier», 2006
«L’hydrogène», un film de la série «C’est pas sorcier»
«Le gaz combustible», un film de la série «C’est pas sorcier»
Tout le monde en parle mais c'est très difficile à définir. Essayons:
Qu'est-ce que l’énergie?
Quelles sont les différentes formes d’énergie?
L'énergie se transforme sans jamais disparaître. Elle peut prendre plusieurs formes différentes:
L'énergie se transforme ... sans jamais disparaître !
«Rien ne se crée, rien ne se perd», «l'énergie du monde reste constante».
L’énergie que nous connaissons le mieux est celle de nos muscles: grâce à eux nous pouvons réaliser des mouvements (énergie cinétique). Essayons de produire aussi de l’énergie électrique.
Comment passer d'une forme d'énergie à l’autre?
On n’a pas toujours besoin de consommer de l’énergie au moment où elle est produite: Il faut pouvoir la stocker pour l’utiliser plus tard.
énergie chimique (cellules vivantes, piles et accumulateurs), de masse (nucléaire), ressort (montre), énergie potentielle (barrage),…
Comment stocker l’énergie?
Comment transporter l’énergie?
Comment l’humanité consomme-t-elle l'énergie?
L'énergie, c'est « quelque chose » qui produit tous les événements, changements, transformations ou mouvements.
Les physiciens définissent l’énergie comme « ce que possède un système s'il est capable de produire un travail ».
L'énergie se transforme sans jamais disparaître ! « Rien ne se crée, rien ne se perd », « l'énergie du monde reste constante » : c’est le « premier principe de la thermodynamique ».
L’origine du terme énergie vient du grec
energeia qui signifie « dans » le « travail ».
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l’énergie thermique
l’énergie lumineuse
l’énergie éolienne
l’énergie nucléaire
l’énergie électrique
l’énergie musculaire
l’énergie chimique
l’énergie hydraulique
l’énergie mécanique
Dessine le schéma de quelques transformateurs d’énergie assorti du commentaire du type: «le moteur électrique transforme l'énergie électrique en énergie cinétique».
Le radiomètre transforme l'énergie lumineuse en énergie de mouvement (de vitesse).
le briquet
la machine à vapeur
la voiture
le muscle
le soleil
la pile
la centrale au pied du barrage
le haut-parleur
le microphone
le panneau solaire thermique
Le briquet transforme l'énergie chimique du gaz en énergie thermique (chaleur) et lumineuse (lumière).
La machine à vapeur transforme l'énergie chimique du charbon en énergie cinétique (mouvement) et thermique (chaleur).
Le moteur à combustion de la voiture transforme l'énergie chimique de l'essence en énergie cinétique (mouvement) et thermique (chaleur).
Le muscle transforme l'énergie chimique des aliments en énergie cinétique (mouvement) et thermique (chaleur).
Le soleil transforme l'énergie nucléaire (fusion de l'hydrogène) en énergie thermique et lumineuse.
La pile électrique transforme l'énergie chimique en énergie électrique.
L'ampoule transforme l'énergie électrique en énergie lumineuse et thermique.
Le moteur électrique transforme
l'énergie électrique en énergie cinétique.
La bombe transforme l'énergie chimique d'un explosif en énergie cinétique, thermique et lumineuse.
La centrale nucléaire ou centrale atomique transforme l'énergie atomique (fission des atomes) en énergie thermique puis électrique.
l’ampoule
le moteur électrique
la bombe
la centrale nucléaire
L’alternateur de la centrale au pied du barrage hydroélectrique transforme l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique.
Le haut-parleur transforme l'énergie électrique en énergie cinétique (mouvement d'une membrane).
Le microphone transforme l'énergie cinétique (vibration de l’air) en énergie électrique.
Le panneau solaire photovoltaïque transforme l'énergie lumineuse en énergie électrique.
Le panneau solaire thermique transforme l'énergie solaire en énergie thermique (eau chaude).
le radiomètre
le panneau solaire photovoltaïque
la bougie
La bougie transforme l'énergie chimique de la cire en énergie thermique et lumineuse.
La dynamo et l’alternateur transforment l'énergie cinétique (mouvement de rotation) en énergie électrique.
L’énergie dans le monde vivant
Le soleil disperse son énergie dans tout l'espace. Cette énergie solaire est composée d'un mélange de rayons électromagnétiques: lumière, chaleur (infra-rouge), mais aussi rayons ultra-violets (UV), rayons X, rayons gamma et ondes radio.
Les plantes utilisent une partie de cette énergie solaire pour fabriquer de la matière riche en énergie: sucres, graisses et protéines. Ces substances stockent l'énergie sous forme d'énergie chimique.
Les animaux mangent les plantes pour leur voler leur matière riche en énergie chimique car ils sont incapables d'utiliser directement l'énergie du soleil.
énergie
solaire
énergie
chimique
L'énergie s’écoule donc à travers les êtres vivants...
pétrole brut
essence
kérosène
diesel
mazout
distillat
paraffine
soufre
résidu
«A fond de train», un film de la série «C’est pas sorcier»
L’énergie est une grandeur physique : on peut la mesurer et exprimer cette mesure au moyen d’unités de mesure.
Dans le Système International (SI), l’énergie s’exprime en Joule (J).
Comment mesurer l’énergie?
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L’électronvolt (eV) et son multiple le mégaélectronvolt (MeV) s’utilisent en physique atomique.
La calorie (cal) et son multiple la kilocalorie (kcal)
s’utilisent en nutrition et en thermodynamique.
Le kilowattheure (kWh) s’utilise en électricité.
La tonne équivalent pétrole (tep)
s’utilise en économie.
Comme l’énergie peut prendre différentes formes, on trouve d’autres unités qui ont leur utilité dans certains domaines:
( = to ergon) «le travail»
( = e energeia) «l’énergie»
( = en) «dans»
On ne trouve pas de l’électricité directement utilisable dans la nature. Elle doit être produite à partir d’une source primaire d’énergie : le vent (éolienne), le soleil (panneau photovoltaïque), l’uranium (centrale nucléaire),… L’énergie électrique est donc une source d’énergie secondaire. Elle est très pratique : elle se transporte grâce à des fils conducteurs et peut être transformée chez le consommateur en chaleur (radiateur), mouvement (moteur) ou lumière (lampe).
Quelles sont les différentes sources d'énergie?
Energie primaire
Certaines sources d’énergie se trouvent dans la nature: elles sont directement disponibles et utilisables (soleil, muscles, nourriture, vent, chute d’eau, pétrole).
Energie secondaire
L’énergie primaire permet de produire de l’énergie secondaire qui est elle-même transformée en énergie finale chez le consommateur. On peut représenter ces transformations par une chaîne énergétique :
Les sources et formes d'énergie sont multiples :
L’énergie mécanique
L’énergie chimique
Les combustibles produisent de chaleur lors d'une réaction chimique exothermique. On peut les trouver sous forme solide (charbon), liquide (pétrole) ou gazeux (gaz naturel).
L’énergie nucléaire
La fission nucléaire de l’uranium crée de la chaleur qui est transformée en électricité au travers d'une turbine.
Une réaction en chaîne lorsqu’un noyau d’uranium 235 (formé de 235 particules: les nucléons) absorbe un neutron. Cette 236e particule est de trop. Le noyau est instable et se casse: c’est la fission du noyau ou fission nucléaire qui fait apparaître 2 noyaux plus petits ainsi que 3 neutrons qui iront destabiliser d’autres noyaux d’uranium. On peut écrire la réaction avec des symboles:
L’énergie solaire
L'énergie solaire thermique : rayonnement solaire, transformé en chaleur (chauffe-eau solaire, pompe à chaleur).
L’énergie thermique
L'énergie thermique terrestre (géothermie) : exploitation de la chaleur naturelle des couches profondes de la croûte terrestre.
Energies renouvelables ou non renouvelables?
Les énergies renouvelables
Les énergies non renouvelables
L’énergie n’est pas produite à l’endroit où elle est consommée : problème du transport.
L’énergie n’est pas produite au moment où elle est consommée : problème du stockage.
Les sources d’énergie et de ressources non renouvelables s’épuisent : problème de la transition énergétique.
La production d’énergie renouvelable est très insuffisante pour répondre à consommation actuelle : risque de crises économiques et sociales.
La répartition des différentes ressources n’est pas uniforme sur la Terre. Certaines régions sont riches en ressources, d’autres pas : problème du commerce mondial et de la géopolitique.
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L’énergie lumineuse est véhiculée par des particules minuscules: les photons. L’énergie (E) d’un photon se note:
L’énergie électrique
L’énergie électrique est dûe au mouvement des électrons dans des matériaux conducteurs comme les métaux. Elle est facilement convertible en mouvement (moteur), lumière (lampe), chaleur (grille-pain).
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La première énergie maîtrisée par l’Homme est son énergie musculaire : production de mouvement.
La découverte du feu (combustion du bois) : production de chaleur.
L’énergie musculaire des animaux domestiques a permis de multiplier la production d’énergie, d’économiser l’énergie musculaire humaine (fatigue) et de favoriser l’expansion démographique.
Le moulin a eau, à vent… énergie mécanique
La machine à vapeur… énergie chimique du charbon
Le pétrole...
Quelques problèmes
Histoire simplifiée de l’énergie
Quelle différence y a-t-il entre la force, l’énergie et la puissance ?
Force, énergie et puissance
Jean-François Millet
L’homme à la houe (vers 1860)
Les très riches heures ...
Mars
La «Jamais contente»
Charrue automobile (1901)
Energie géothermique (Islande).
Ce sont des sources d'énergie qui se renouvellent continuellement ou dont le stock est si important
qu’on peut le considérer comme « inépuisable » à l’échelle humaine.
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L’énergie solaire : le Soleil produit de la lumière (énergie photovoltaïque ) et de la chaleur (énergie thermique ) depuis 5 milliards d’années et n’est qu’à la moitié de « sa vie ». L’énergie solaire utilisable dépend de l’alternance des jours et des nuits, du cycle des saisons ainsi que des aléas de la météo.
L’énergie géothermique : la Terre produit de la chaleur depuis sa formation et pour longtemps encore.
L’énergie hydraulique dépend du Soleil: c’est lui qui est à l’origine du cycle de l’eau.
Le stock d’eau en altitude est reconstitué par évaporation. Le stock d’eau utilisable dépend de la saison et de la météo.
L’énergie éolienne dépend du Soleil, de l’alternance des jours et des nuits, mais aussi de facteurs géographiques (présence de d’océans, de montagnes,...).
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Les énergies fossiles (le gaz naturel, le pétrole et le charbon) résultent du stockage de matières organiques fossilisées dans des couches géologiques. La combustion de ces substances dégage beaucoup de chaleur utilisée dans les moteurs thermiques (automobiles, avions, navires), les centrales thermiques en vue de la production d’électricité et pour le chauffage.
L’énergie d’origine nucléaire obtenue par fission nucléaire.
L'ensemble de ces énergies sont produites à partir d'un stock fini de matières premières présentes dans le sol, dont la reconstitution n'est pas possible par des processus naturels à l'échelle humaine.
On n’a pas toujours besoin de consommer de l’énergie à l’endroit où elle est produite.
L'énergie solaire photovoltaïque : rayonnement solaire, transformé en électricité (cellules photovoltaïques).
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L’énergie chimique est une énergie «stockée» dans la matière, sous la forme des liaisons chimiques. Lors de certaines réactions chimiques, la modification des liaisons chimiques permettent de libérer de l’énergie sous forme de chaleur, et parfois de lumière. L’énergie de combustion est une énergie libérée lorsqu’un combustible est oxydé.
Les charbons sont composés d’atomes de carbone ;
Les hydrocarbures (gaz naturel, pétrole) sont formés d'atomes de carbone et d’hydrogène ;
La biomasse : bois, produits et déchets végétaux, formés de matière organique (essentiellement carbone, hydrogène et oxygène), transformés en combustibles divers : bois et dérivés, biogazole, méthane (biogaz), méthanol, éthanol.
La réaction de combustion produit du dioxyde de carbone (CO2).
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Prenons un solide sportif, le cycliste Robert Förstemann et essayons de transformer son énergie musculaire en énergie électrique puis thermique pour faire fonctionner un grille-pain de 700 W.
Nous reviendrons plus loin sur cette expérience lorsque nous définirons la notion de puissance.
Le barrage de Zervreila dans les Grisons (Suisse) en hiver et en été
Château d’eau (Bretagne)
Le stockage d’hydrocarbures liquides
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la dynamo et l’alternateur
Moulin à vent, Xanten (Allemagne)
Lers routes de l’énergie NB
Lers routes de l’énergie couleur
Question : Le consommateur a-t-il conscience de la forme d’énergie primaire à l’origine de la chaîne énergétique ? A-t-il le choix ?
Énergie finale
Consommateur
Grille-pain Calor, 1930
Grille-pain Kenwood, 2020
Lorsqu'un courant électrique traverse la matière d'un conducteur électrique, il se produit un échauffement. En effet, les électrons, ces minuscules «billes d'électricité» qui constituent le courant électrique, traversent la matière en provoquant des collisions et des frottements avec les atomes présents: il y a un dégagement de chaleur ! On appelle ça «effet Joule» (du nom d'un célèbre physicien).
Cette chaleur est utile dans un radiateur, un four ou un grille-pain. Mais lorsqu'elle est produite dans une lampe, un téléphone, un ordinateur ou une télévision: c'est de l'énergie perdue.
Chute, Skógafoss (Islande)
Chute, Mauvoisin (Suisse)
le pétard
Le pétard transforme l'énergie chimique de la poudre explosive en énergie cinétique (mouvement) sonore et thermique (chaleur).
La feuille transforme l'énergie lumineuse en énergie chimique (réaction de photosynthèse).
la feuille
L’éolienne transforme l'énergie cinétique du vent en énergie électrique.
l’éolienne
La caméra thermique permet de «voir» la chaleur
Le trappe à souris transforme l'énergie mécanique potentielle (ressort tendu) en énergie mécanique cinétique (mouvement).
la trappe à souris
Le pompage-turbinage
accumulateur lithium-ion
accumulateur au plomb
turbine Kaplan
turbine Pelton
Usine marémotrice de la Rance, Bretagne (France)
Elle est équipée de 24 turbines Kaplan de 10 MW chacune
Marée basse à Saint-Briac-sur-Mer, Bretagne (France)
Marée haute à Saint-Briac-sur-Mer, Bretagne (France)
Expériences sur l’énergie
Les chaînes alimentaires
extrémité de la feuille d’une élodée
nervure
limbe
chaque cellule est délimitée par une paroi
les chloroplastes
(organites vertes)
La photosynthèse
Les feuilles sont constituées de cellules qui ont la capacité de transformer l’énergie lumineuse du soleil en énergie chimique. Cette énergie permet aux végétaux de construire de la matière organique: c’est la photosynthèse.
Ce processus est réalisé à l’intérieur des cellules par de petites unités, des organites qu’on appelle des chloroplastes. Ceux-ci sont verts car ils contiennent un pigment de cette couleur: la chlorophylle. C’est ce pigment, cette molécule complexe, qui est capable de capter l’énergie du soleil.
Représentation de la molécule de chlorophylle
Regardons au microscope une feuille d’élodée. Cette plante aquatique est très fine et permet de voir facilement les cellules.
les cellules
Exercices
Répondre aux questions en s’aidant du PDF «les routes de l’énergie».
Comment transformer l’énergie du vent en énergie électrique?
1.
Comment faire avancer une voiture avec l’énergie du vent sans utiliser une voile?
2.
En physique, l’énergie mécanique (Em) d’un système est la somme de son énergie cinétique (Ec) et de son énergie potentielle (Ep). On note:
Suivons les différentes «routes» de l’énergie :
Consommation de l’énergie finale en Suisse entre 1910 et 2020
en Térajoule (TJ) soit mille milliards de joules
Source: OFEN statistique globale de l’énergie 2020
Flux d’énergie en Suisse en 2020
en Térajoule (TJ) soit mille milliards de joules
Source: OFEN statistique globale de l’énergie 2020
«Les barrages», un film de la série «C’est pas sorcier»
8 janvier
8 août
26 août
Analyser la production et la consommation d’une installation photovoltaïque de 16 m2 à Lausanne (46° 31’ latitude nord) pendant 1 année.
Analyser la production et la consommation de 3 jours d’une installation photovoltaïque de 16 m2 à Lausanne (46° 31’ lat.nord)
turbine Pelton, Mauvoisin
Les moteurs et la combustion
La fusion nucléaire qui consiste à reproduire la réaction qu’on trouve au coeur des étoiles comme notre Soleil est encore au stade expérimental.
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noyau d’atome d’uranium 235
fission : le noyau
«se casse»
uranium 235
uranium 236
instable
barium 141
krypton 92
barium 141
krypton 92
On peut aussi représenter cette fission avec un dessin:
Il existe plusieurs types de centrales nucléaires. Voici un exemple:
L'énergie solaire peut être utilisée de 2 manières différentes: soit en chauffant la matière, généralement de l’eau (énergie solaire thermique) ou en créant un courant électrique dans un panneau solaire (énergie solaire photovoltaïque).
L’énergie alimentaire
1 g de glucide fournit 17 kJ (ou 4 kcal)
1 g de protéine fournit 17 kJ (ou 4 kcal)
1 g de lipide fournit 38 kJ (ou 9 kcal)
neutron
3 neutrons
Pourquoi stocker des lipides (graisse) dans notre corps?
• le tissu adipeux est un bon isolant thermique.
• les graisses sont les substances qui ont le meilleur rapport énergie/masse ou énergie/"poids" (énergie massique ou densité d'énergie élevée) : 38 kJ/g
Matière
type d'énergie
Energie utilisable
[kJ/g] ou [MJ/kg]
Utilisation
Fission Uranium 235
Hydrogène
Essence
Lipides
Glucides
Protides
Bois
TNT
Poudre noire
Accu lithium
Pile alcaline
Batterie au plomb
nucléaire
chimique
chimique
chimique
chimique
chimique
chimique
chimique
chimique
électrochimique
électrochimique
électrochimique
79’500’000
123
47
38
17
17
16
4.6
3
1-9
0.6
0.1
production d'électricité
moteur, pile à combustible
moteur
nutrition
nutrition
nutrition
chauffage
explosif
explosif
piles
piles
circuit électrique voiture
Densité énergétique
Le choix et l’utilisation d’une source d’énergie comporte des avantages et des inconvénients. Quelle est l’importance du prix? De l’état (solide, liquide, gaz) ou de la densité énergétique?
Comparons l’énergie produite (en kilojoules) par 1 gramme de différentes matières:
Énergie primaire
Producteur
Énergie secondaire
transport
transformation
Energie finale
L’énergie cinétique (Ec) dépend de la vitesse d’un objet (véhicule, goutte d’eau, atome, fusée, électron,...). Cette énergie est proportionnelle à la masse (m) de cet objet et au carré de sa vitesse .On note:
L'énergie musculaire (humaine et animale)
L'énergie hydraulique (chute d’eau) transformée en énergie mécanique (moulin, moteur hydraulique) ou électrique (énergie hydroélectrique) ;
L'énergie marémotrice (marées) transformée en énergie électrique dans des centrales marémotrices ;
L'énergie éolienne (vent) transformée en énergie mécanique (moulins à vent, voiliers) ou électrique (éolienne).
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L’énergie potentielle (Ep) dépend de la position d’un objet (véhicule, goutte d’eau, atome, fusée, électron,...) dans l’espace. Sur Terre cette énergie est proportionnelle à la l’attraction terrestre (g), la masse (m) de cet objet et à sa hauteur (h).On note:
Visite de la centrale de Chooz (Ardennes). Le site nucléaire de Chooz compte 2 réacteurs nucléaires. L’électricité produite ne peut pas être stockée: elle est envoyée sur le réseau de lignes à haute tension (40’000V). Comme toutes les centrales thermiques (chaleur obtenue par la combustion du charbon, du gaz ou du pétrole et de la fission des noyaux atomiques) elle produit de la vapeur d’eau pour faire tourner une turbine. 1974 : 1er choc pétrolier, dépendance aux énergies fossiles. Les crayons, tubes métalliques de 4m qui contiennent un empilement de pastilles d’oxyde d’uranium, le «combustible» nucléaire qu’on trouve dans le cœur du réacteur. Explication des forces de cohésion nucléaire, de la radioactivité, de l’instabilité du noyau d’uranium 235 et de sa désintégration lors de la fission. Enrichissement en U235 (3-5%). Explication de la réaction en chaîne, de la formation puis de la fission du plutonium Pu239, et de la production de déchets nucléaires. 3 circuits d’eau (primaire, secondaire, tertiaire) servent au transfert de chaleur. Augmentation de la puissance à certaines heures (soir) jusqu’à 1500 MWh: on relève les barres de contrôle qui absorbent une partie des neutrons. Simulation d’un accident nucléaire : scénario catastrophe. Surveillance de l’enceinte de confinement et de son étanchéité. Réacteur EPR. Vieillissement et arrêt des centrales nucléaires. Projection de la consommation et de la production d’électricité en France. Et les déchets ?
«Les déchets nucléaires», un film de la série «C’est pas sorcier», 2006
Résumé: convoi de déchets radioactifs provenant d’une centrale nucléaire (Chooz dans les Ardennes). Explication de la fission, de la réaction en chaîne, de la production de nouveaux éléments qui se désintègrent et émettent des rayonnements (radioactivité). Les différents types de rayonnement (alpha, béta, gamma). Mesure de la radioactivité (Sievert). Irradiation et contamination. Tri des déchets en fonction de leur activité et de leur durée de vie (période radioactive).
où v (lettre greque “nu”) est sa fréquence (en Hertz, Hz) et h, une valeur constante (la constante de Planck). Les photons de fréquences hors du domaine du visible emportent aussi de l’énergie, qui se manifeste sous forme de rayonnement thermique (loi de Wien) ou de rayonnements ionisants (rayons Gamma ou rayons X).
Ce sont des sources d'énergie qu’on trouve en quantité finie sur Terre : une fois qu’on a consommé le stock, la source est épuisée et il ne reste rien. Exemple : l’uranium. Les «énergies fossiles» comme le pétrole et le charbon se renouvellent tellement lentement qu’on ne peut pas les considérer comme renouvelables à l’échelle humaine.
Lac de Longrin (Suisse)
La production et la consommation d’énergie sont décalées dans le temps et dans l’espace. Il est donc indispensable de pouvoir stocker cette énergie.
1.Du Soleil à la lampe électrique.
Soleil fait évaporer l’eau de mer > nuages > pluie > cours d’eau (barrage) > turbine > alternateur > réseau électrique (haute tension -> basse tension) > téléphone.
2.Du Soleil à la nourriture (salade).
Soleil > feuille (photosynthèse) > énergie chimique (sucre, huile, protéine).
3.Du Soleil à la nourriture (viande de poulet).
Soleil > feuille (photosynthèse) > énergie chimique (sucre, huile, protéine) > stockage dans les graines > énergie chimique dans le poulet (granivore).
4.Du Soleil au moteur thermique d’une voiture à essence.
Soleil > phytoplancton (photosynthèse) > fossilisation > maturation (millions d’années) > extraction pétrole > raffinage > transport > réservoir de la voiture.
5.De l’uranium au smartphone.
Extraction uranium (mine) > purification > centrale nucléaire > production de vapeur > turbine > alternateur > réseau électrique (haute tension -> basse tension) > téléphone.
6.Du Soleil au moteur d’une voiture électrique (en passant par le vent).
Soleil chauffe l’atmosphère > vent > turbine d’une éolienne > alternateur > réseau électrique (haute tension -> basse tension) > recharge d’une batterie au lithium > moteur.
Raconte le chemin suivi par l’énergie en t’aidant de la feuille PDF «les routes de l’énergie»
Avantages et inconvénients ? Ecologie et durabilité // source d’énergie intermittente (jour, nuit saison), production imprévisible (météo)
Avantages et inconvénients ? Ecologie et durabilité , pollution , CO2 issu des combustions =gaz à effet de serre // stockage, transport et utilisation pratiques, indépendantes des conditions météo.
