Chimie des Principaux Polluants - 2ème Partie (PDF)

2ème partie – Chimie des principaux polluants I. Première cause de pollution : la production d’énergie II. Deuxième cause de pollution : les activités industrielles III. Troisième cause de pollution : les activités agricoles 5 ...

2ème partie – Chimie des principaux polluants I. Première cause de pollution : la production d’énergie II. Deuxième cause de pollution : les activités industrielles III. Troisième cause de pollution : les activités agricoles 5  I – Première cause de pollution : la production d’énergie 1) Introduction a) Stockage et transfert d’énergie Enjeux du stockage de l’énergie  Le stockage de l’énergie consiste à préserver une quantité d’énergie pour une utilisation ultérieure. Par extension, l’expression désigne également le stockage de matière contenant l’énergie.  Le principal enjeu du stockage est de pouvoir adapter l'offre à la demande.  Moyen de limiter les pertes lors d’une surproduction, et donc de réduire la consommation globale d’énergie. 6  Energie stockée : énergie potentielle Sous forme d’énergie nucléaire : énergie de liaison entre les nucléons fission contrôlée de 235U : DE = -1,78 1013 J.mol-1 (soit -7,57 1013 J. kg-1) Sous forme d’énergie chimique : énergie de liaison entre les atomes Tout combustible peut être considéré comme un stock d’énergie sous forme chimique.  stockage intrinsèque : 1,36 106 ! o hydrocarbures, gaz naturel, charbon (énergies fossiles) o biomasse CH4 + 2O2  CO2 + 2H2O DE = -8,90 105 J.mol-1 Combustion du méthane (soit -5,56 107 J. kg-1)  production d’hydrogène o piles à combustible DE = -2,37 105 J.mol-1 H2 + ½O2  H2O (soit -1,17 108 J. kg-1) 7  Energie stockée : énergie potentielle Sous forme d’énergie thermique (peu développé)  chaleur sensible (chauffe-eau solaire vs jour-nuit) : eau, huile…  chaleur latente (changement d’état liquide-solide…) Sous forme d’énergie mécanique  énergie mécanique potentielle (gravitationnelle) o stockage hydraulique (barrages : stockage de l’énergie électrique) o stockage à air comprimé (à l’étude pour l’éolien/le solaire)  énergie mécanique cinétique (volant d’inertie : usage immédiat) Sous forme d’énergie électrochimique  piles, batteries, hydrogène Sous forme d’énergie électrique  condensateurs Sous forme d’énergie électromagnétique  supraconducteurs (à l’étude…) 8  Consommation d’énergie primaire en France (2022) (Source : SDES) Energies primaires 2,9% non-renouvelables 14,7% 85,3% 0,6% Charbon 30,3% Pétrole 47,3% Gaz Nucléaire 36,0% Déchets non-renouvelables 15,5% Energies renouvelables 14,7% 2008 : total = 3152 TWh 2014 : total = 2977 TWh 2022 : total = 2482 TWh Énergie primaire : dont la source est disponible dans la nature sans transformation Énergie renouvelable : regénération ≥ consommation : éolien, solaire, photovoltaïque, géothermie, bois, hydraulique renouvelable, pompe à chaleur, biocarburants… 9  Production d’énergie primaire en France (2022) (Source : SDES) 0,8% Nucléaire 27,7% Energies renouvelables Pétrole Gaz En. fossile : < 1% Charbon 71,5% 2008 : total = 1593 TWh 2016 : total = 1547 TWh 2017 : total = 1535 TWh 2022 : total = 1249 TWh (50% des besoins énergétiques) 10  Production d’énergie primaire renouvelable en France (2021) (source : SDES) 2021 : total = 345 TWh 1,5% 1,5% 0,7% (22,7% de la production totale d’EP en 2021) 4,2% 0,1% bois-énergie 4,4% hydraulique renouvelable 4,0% pompe à chaleur éolien 35,1% biocarburants 10,0% biogaz solaire photovoltaïque déchets renouvelables 10,3% géothermie résidus agriculture et IAA 11,9% 16,3% solaire thermique énergies marines 11  Production d'électricité en France (2022) 2,4% 0,7% 0,0% 0,5% 4,2% Nucléaire 8,6% * Hydraulique Gaz 9,9% * Eolien * Solaire * Thermique renouvelable et Déchets 11,1% 62,7% Charbon Fioul Autres Prod. électricité non-renouvelable : 73,7% Prod. électricité renouvelable : 26,3% * Production : 445,2 TWh (-15% vs 2021) Consommation : 459,3 TWh (-4,2% vs moyenne 2014-2019) RTE 2022 12  La production d’énergie et l’environnement -Usage des combustibles fossiles Production -Utilisation de l’énergie nucléaire d’agents polluants -Utilisation de l’énergie hydroélectrique : Déséquilibre des écosystèmes -Utilisation de l’énergie éolienne : Nuisances visuelles et auditives -Utilisation de l’énergie solaire : Consommation de l’espace 13  Exploitation de l’énergie chimique des combustibles fossiles L’usage des combustibles fossiles Pollution atmosphérique (formation des oxydes de C, N, S) (troposphère) Perturbation des cycles de C, N et S Effet de serre Pluies acides réchauffement climatique dépérissement des forêts hausse du niveau de la mer acidification des eaux continentales 14  Composition de l’atmosphère (sèche) 3 gaz majeurs : N2 78.08% O2 20.95% Ar 0.93% Gaz mineurs (0.04%) dont les principaux polluants : CO2 CH4 CO N2O O3 NOx SO2 H2CO Source : Railsback, 2008 15  b) Le cycle du carbone i. Bilan quantitatif des stocks et des flux de carbone Temps de séjour du carbone dans les différents réservoirs : l’atmosphère 7a cycle court la biomasse 17 a l’hydrosphère superficielle 400 a océan profond 100 Ka cycle long lithosphère 200 Ma L'émission de carbone fossile (cycle long) dans l'atmosphère (cycle court) est un processus irréversible à l'échelle humaine...... à moins que nous puissions capturer et stocker ce carbone de manière permanente à l'échelle de GtC/an dans un avenir proche (cf. CCUS) ! 16  7a Les réservoirs ATMOSPHERE C dans CO2 860 Gtc de carbone C dans CH4 10 Gtc Dissolution/dégazage (55) Photosynthèse (111) +23 +25,5 Flux en Gtc/a Respiration (113) +3,5 Déforestation (1,5) Photosynthèse (50) 17 a 17 a BIOMASSE BIOMASSE Volcanisme TERRESTRE MARINE Eaux de surface (< 0.1) 700 Gtc 3 Gtc (Hydrogenocarbonates) 630 Gtc Décomposition Fabrication (10) Respiration (40) 400 a (1) de ciment (1) MATIERE ORGANIQUE MORTE DISSOUTE décomposition Combustion (8,5) MATIERE ORGANIQUE HYDROSPHERE MORTE (Humus) 1 500 Gtc décomposition MATIERE ORGANIQUE MORTE DISSOUTE 100 Ka Enfouissement 2 000 Gtc Eaux profondes Altération et (Hydrogenocarbonates) des silicates (0.05) 39 000 Gtc (0.2) CONTINENTS Enfouissement HYDROSPHERE (0.2) Précipitation des carbonates (0.5) LITHOSPHERE C dans les roches sédimentaires (carbonates) 50 000 000 Gtc 200 Ma C dans les combustibles fossiles 5 000 Gtc 17 IPCC 2021 Chap.5 ‘Climate change 2021’ 18 19 Altération des silicates : MgSiO3 + 2 CO2 + H2O  Mg2+ + 2 HCO3- + SiO2 Ca2+ + 2HCO3-  CaCO3 + CO2 + H2O MgSiO3 + Ca2+ + CO2  Mg2+ + SiO2 + CaCO3 Fabrication du ciment : Le principe de la fabrication du ciment est le suivant : calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1450 °C) dans un four. 1. décarbonatation du calcaire : CaCO3  CaO (chaux) + CO2 2. scission de l’argile : argile  silice (SiO2) et alumine (Al2O3) + Fe2O3 3. mélange chaux + silice + alumine  silicates et aluminate de chaux : Ca2SiO4, Ca3SiO5, Ca3Al2O6 et Ca4Al2Fe2O10 Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker. 20 Variation de la teneur en CO2 : 1960-2022 426,9 ppm (05/24) 425,1 ppm (07/24) 418,5 ppm (09/23) Can we see a change in the CO2 record because of COVID-19? 21  Oui, la croissance de la teneur de l’air en CO2 résulte de l’activité humaine ! ~10 Gt/a Source CO2 D14C (‰) d13C (‰) combustibles fossiles (8.5 Gt/a) soit 10% des déforestation (1,5 Gt/a) Combustibles émissions fossiles -1000 -28 cimenterie (1 Gt/a) naturelles Biosphère +45 -26 terrestre Hydrosphère +45 -10 Atmosphère +45 -8 22  Différents scenarii proposés par le GIEC (IPCC) https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/figures SSP5-8.5 SSP3-7.0 SSP2-4.5 SSP1-2.6 SSP1-1.9 SSPx-y: Shared Socio-economic Pathway x; y = radiative forcing (W/m2) Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) 23 Différents scenarii proposés par le GIEC (IPCC) https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/figures 24 Différents scenarii proposés par le GIEC (IPCC) https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/figures 25  Capacité d’absorption du rayonnement IR pour les différents gaz : DF Gas (not Atm. content DF (GWP/PRG including H2O) (2018) @ 100 years)* CO2 409 ppm 1 CH4 1,86 ppm 30 N 2O 331 ppb 265 O3 tropospheric 50 ppb - R11 (CCl3F) 232 ppt 5,160 R12 (CCl2F2) 522 ppt 10,300 SF6 11 ppt 22,800 * GWP : Global Warming Potential PRG : Potentiel de Réchauffement Global Bold: très stable IPCC AR6 WGIII 26