TENS Th2 Ch6 cours

Chapitre n°6 Les atouts de l’électricité

Thème Le futur des énergies

I- PRODUIRE DE L’ELECTRICITE SANS COMBUSTION L’énergie électrique présente de sérieux atouts pour les choix d’avenir. En effet, il est possible de la produire sans combustion, c’est-à-dire sans émettre de gaz à effet de serre qui sont responsables du réchauffement climatique. Il s’agit pour cela de réaliser une conversion d’énergie à partir d’une énergie renouvelable ou sans combustion.

▼Un panneau photovoltaïque produit de l’électricité lorsqu’il reçoit la lumière du Soleil. On dit qu’il convertit l’énergie rayonnante en énergie électrique.

1- Formes et conversion d’énergie a- Formes d’énergie et conversion L’énergie est disponible sous différentes formes : thermique, chimique, radiative, nucléaire, cinétique potentielle, etc. Un convertisseur permet de convertir une forme d’énergie en une autre forme d’énergie.

◄L’éolienne convertit l’énergie cinétique du vent en énergie électrique

b- Chaînes de conversion énergétique Les conversions d’énergie peuvent être représentées par des chaînes énergétiques. Ces schémas comprennent : - les réservoirs d’énergie (dynamos, éoliennes, centrales thermiques, géothermie …) ; - les convertisseurs d’énergie qui assurent le passage d’une forme en une autre ; - les formes d’énergie à l’entrée et à la sortie des convertisseurs.

2- Rendement d’une conversion d’énergie Pour évaluer l’efficacité d’une conversion d’énergie, on définit une grandeur sans dimension appelée rendement énergétique du convertisseur. Le rendement est égal au rapport de l’énergie utile délivrée par le convertisseur sur l’énergie qu’il a reçue à l’entrée :

Le rendement peut également s’écrire :

Exemple : les accumulateurs (souvent appelés batteries) lithium-ion des téléphones portables ont un rendement d’environ 90%, c’est-à-dire que η = 0,90. Entre une charge et une décharge, il y a donc 10% d’énergie dissipée sous forme d’énergie thermique.

où Pu est la puissance utile à la sortie du convertisseur et Pr la puissance reçue à l’entrée. La production ou la consommation d’énergie électrique nécessite des conversions d’énergie qui doivent être réalisées avec un rendement le plus proche possible de 1. Le rendement global d’un système de conversions d’énergie est égal au produit des rendements de chacun des n convertisseurs : ɳglobal=ɳ1×ɳ2×…×ɳn

3- L’obtention d’énergie électriqueLes dispositifs permettant d’obtenir de l’énergie électrique les plus répandus sur Terre sont basés sur la combustion de ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz). Ces procédés ont de forts impacts environnementaux : épuisement de ressources fossiles, émissions de gaz à effet de terre, pollutions environnementales. Le développement de dispositifs d’obtention d’énergie électrique sans combustion connaît un essor très significatif à travers le monde. Ils exploitent trois conversions d’énergie différentes, à partir : - d’énergie mécanique (barrage de centrale hydroélectrique, éolienne, centrale nucléaire)); - d’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques) ; - d’énergie chimique (piles, accumulateurs, piles à hydrogène…).

En déduire le nombre de centrales de Tignes nécessaires pour obtenir autant d’énergie que celle produite par la centrale nucléaire de Flammanville

La centrale photovoltaïque de Cestas, près de Bordeaux, inaugurée en 2015, est la plus grande centrale photovoltaïque d’Europe. Elle délivre une puissance de P=300 MW. La centrale occupe une surface S=200 ha. Un onduleur transforme le courant continu délivré par les panneaux en courant alternatif puis l’énergie électrique est transférée sur le réseau de transport électrique. L’énergie ainsi obtenue correspond, par an, à la consommation domestique, hors chauffage, de la ville de Bordeaux. Elle contribue aussi à la réduction de l’émission de l’équivalent d’environ 19 200 tonnes de CO2.

Présenter sous forme de tableau les avantages et les inconvénients d’une centrale solaire photovoltaïque

▲Exemples de modes d’obtention d’énergie électrique sans combustion

II- IMPACTS DES METHODES SANS COMBUSTIONLes méthodes de production d’énergie électrique sans combustion ont, par les techniques employées, une empreinte carbone nettement plus réduite que les dispositifs basés sur la combustion de matières carbonées. Ils ont néanmoins des impacts sur l’environnement et la biodiversité. En effet, la conception et la construction de ces dispositifs consomment : - de l’énergie issue de sources non renouvelables carbonées, donc à l’origine d’émissions de dioxyde de carbone ; - des matières premières présentes en faibles quantités sur Terre et dont l’extraction est souvent polluante (pollution chimique ou nucléaire) ; - des accidents peuvent se produire lors de leur production (risques spécifiques : pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, etc.) ; - l’environnement et la biodiversité sont impactés (paysage, bruit, oiseaux, etc.). Exemples : les métaux rares (lithium pour les piles et batteries), indispensables à la fabrication de très nombreuses applications technologiques, présentent des ressources limitées et sont la cause de désastres écologiques dans les régions d’exploitation.

III- LE STOCKAGE DE L’ENERGIE Les dispositifs d’obtention d’énergie électrique sans combustion sont basés sur l’exploitation de sources d’énergie intermittentes en fonction des conditions météorologiques, des variations diurnes et saisonnières de la Terre, etc. Les besoins des consommateurs sont également variables tout au long de la journée. Pour faire face à l’intermittence de certaines sources d’énergie, l’électricité doit être stockée. Toutefois, il n’est pas possible d’accumuler directement l’énergie électrique. Elle doit être convertie en une autre forme d’énergie stockable sous la forme d’énergie… : - chimique (accumulateurs au plomb, accumulateur Li-ion, etc.) ; - potentielle (barrages, Station de Transfert d’Énergie par pompage) ; - électromagnétique (supercondensateurs ou supercapacités, etc.). Ces dispositifs présentent des caractéristiques très différentes en termes de capacité de stockage, de durée, de masses mises en jeu et d’impact écologique.

Exercice : Réacteur nucléaire On considère un réacteur d’une centrale nucléaire à eau pressurisée. Pour la dernière génération de ces centrales, le réacteur extrait du cœur une puissance thermique de 4 250 MW transférée au circuit secondaire par le générateur de vapeur. Au sein du circuit secondaire, la vapeur fait tourner les turbines mettant en rotation l’alternateur. Ce dernier produit 1 450 MW pour le réseau. On s’intéresse aux puissances en jeu au sein de ce réacteur et on souhaite compléter le schéma suivant.

Q1. Sachant que le rendement de l’alternateur est 98% et que 40 MW produits sont utilisés pour le fonctionnement de la centrale, calculer la puissance mécanique reçue. Q2. Sur les 40 MW utilisés pour le fonctionnement de la centrale, une moitié l’est pour le circuit primaire, l’autre pour le circuit secondaire. Calculer la puissance totale reçue par l’installation du circuit primaire. Q3. Sachant que les pertes sont de l’ordre de 50% entre le circuit primaire et le circuit secondaire, calculer la puissance thermique fournie au circuit secondaire puis la puissance totale reçue par le circuit secondaire. Q4. Calculer les puissances perdues par le circuit primaire, le circuit secondaire et l’alternateur. Q5. Calculer le rendement global de cette centrale.