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Les atouts de l'électricité

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Objectifs

Décrire des exemples de chaines de transformations énergétiques qui permettent d’obtenir de l’énergie électrique partir de différentes ressources primaires d’énergie.
Calculer le rendement d’un système de conversion d’énergie.
Comprendre les conséquences de l’utilisation de méthodes sans combustion.
Comparer différents dispositifs de stockage d’énergie selon différents critères (masses mises en jeu, capacité et durée de stockage, impact écologique).

Points clés

Trois méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter une combustion :
- la conversion d’énergie mécanique, soit directe (dynamos, éoliennes, etc.), soit indirecte à partir d’énergie thermique (centrales nucléaires, etc.) ;
- la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques) ;
- la conversion électrochimique (piles, accumulateurs, etc.).
Les méthodes sans combustion ont un impact sur l’environnement et sur la biodiversité, bien qu’il soit plus faible que l’impact des méthodes avec combustion. Ces méthodes présentent également des risques spécifiques.
Pour faire face à l’intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, l’énergie électrique doit être convertie sous une forme stockable.

Pour bien comprendre

Les énergies primaires
La production d’énergie avec combustion
Notions d’énergie électrique et de puissance électrique
Notions d’énergie cinétique et d’énergie potentielle

L’énergie électrique présente de nombreux avantages : un transport et une distribution rapides et faciles, un réseau très étendu, l’existence de dispositifs qui possèdent de très bons rendements.

1. Obtenir de l'énergie électrique sans combustion

Depuis de nombreuses années, la plupart des centrales électriques sont de type thermique à flamme, basées sur la combustion d’hydrocarbures. Or ces ressources s’épuisent, et leur combustion émet du CO₂ (gaz à effet de serre).

Pour l’avenir, obtenir de l’énergie électrique sans combustion est donc primordial.

L’énergie électrique sans combustion peut être obtenue à partir de trois types d’énergie : mécanique, radiative et électrochimique.

a. Chaine de transformation énergétique

Une chaine (ou diagramme) de transformation énergétique permet de schématiser et de représenter les transferts d’énergie entre les différents systèmes, ainsi que les formes d’énergie.

On représente généralement :

les réservoirs d’énergie dans des rectangles ;
les convertisseurs d’énergie dans des ellipses ;
et les transferts d’énergie par des flèches.

Lors de chaque conversion d’énergie, une partie de l’énergie est « perdue » dans l’environnement, la plupart du temps sous forme d’énergie thermique.

Chaine de transformation énergétique d’un convertisseur

b. Conversion d'énergie mécanique en énergie électrique

Rappel
Un dispositif possède de l’énergie mécanique lorsqu’il est en mouvement (énergie cinétique due à sa vitesse) et/ou en hauteur (énergie potentielle).

La conversion d’énergie mécanique en énergie électrique se fait de manière directe ou indirecte.

Conversion directe d’énergie mécanique en énergie électrique

La conversion directe d’énergie mécanique en énergie électrique s’effectue par l’intermédiaire d’un alternateur.

C’est par exemple le cas des dynamos, des éoliennes, des hydroliennes et des barrages hydroélectriques.

Exemple d’une éolienne

Parc éolien en Normandie

L’énergie mécanique fournie par le vent est directement convertie en énergie électrique par l’alternateur de l’éolienne.

L’énergie électrique passe ensuite par le transformateur pour pouvoir être distribuée par les lignes à haute tension.

Le fonctionnement d’une éolienne

La chaine de transformation énergétique d’une éolienne est la suivante.

Chaine de transformation énergétique
d’une éolienne

Exemple d’un barrage hydroélectrique

Barrage hydroélectrique en Serbie

L’énergie mécanique fournie par le barrage hydroélectrique est directement convertie en énergie électrique par le groupe turbo-alternateur présent dans ce barrage.

L’énergie électrique passe ensuite par le transformateur pour pouvoir être distribuée par les lignes à haute tension.

Le fonctionnement d’un barrage hydroélectrique

La chaine de transformation énergétique d’un barrage hydroélectrique est la suivante.

Chaine de transformation énergétique
d’un barrage hydroélectrique

Conversion indirecte d’énergie mécanique en énergie électrique

La conversion indirecte d’énergie se fait en deux étapes : il s’agit d’abord de la conversion d’énergie thermique en énergie mécanique, laquelle est ensuite convertie en énergie électrique.

C’est par exemple le cas des centrales nucléaires, des centrales solaires thermiques et de la géothermie.

Exemple d’une centrale nucléaire

Centrale nucléaire en Auvergne-Rhône-Alpes

Dans le bâtiment du réacteur, l’énergie nucléaire fournie par l’uranium est convertie en énergie thermique par la cuve du réacteur.

Cette énergie thermique sert à chauffer de l'eau et à générer de la vapeur dans le générateur de vapeur, ce qui permet de convertir l'énergie en énergie mécanique.

Cette énergie mécanique est enfin convertie en énergie électrique par le biais du groupe turbo-alternateur (la vapeur d'eau fait tourner la turbine, ce qui entraine l'alternateur) : cette énergie passe par le transformateur pour pouvoir être distribuée par les lignes à haute tension.

L’eau est refroidie grâce à la tour de refroidissement et est réacheminée vers le générateur de vapeur.

Le fonctionnement d’une centrale nucléaire

La chaine de transformations énergétiques d’une centrale nucléaire est la suivante.

Chaine de transformations énergétiques
d’une centrale nucléaire

Exemple d’une centrale solaire thermique

Centrale solaire thermique en Israël

Les rayonnements du Soleil sont captés par des miroirs (héliostats) puis ils sont orientés vers le foyer de la tour, ce qui permet de concentrer l’énergie radiative, qui est ensuite convertie en énergie thermique via le fluide caloporteur.

Cette énergie thermique sert à chauffer de l’eau et à générer de la vapeur dans le générateur de vapeur, ce qui permet de convertir l’énergie en énergie mécanique.

L’eau est refroidie grâce à la tour de refroidissement et est réacheminée vers le générateur de vapeur.

Le fonctionnement d’une centrale solaire thermique

La chaine des transformations énergétiques d’une centrale solaire thermique est la suivante.

Chaine des transformations énergétiques
d’une centrale solaire thermique

c. Conversion de l'énergie radiative du Soleil en énergie électrique

L’énergie qui provient du Soleil est une énergie radiative (ou énergie rayonnante), c’est-à-dire qu’elle est portée par les rayonnements électromagnétiques.

On peut utiliser des panneaux photovoltaïques pour convertir cette énergie radiative en énergie électrique.

Exemple de chaine de transformation énergétique

Une partie de l’énergie est perdue sous forme thermique, mais aussi sous forme radiative.

d. Conversion électrochimique

La conversion électrochimique correspond à la conversion de l’énergie chimique issue d’une réaction chimique, en énergie électrique.

C’est par exemple le cas des piles, des accumulateurs, des piles à hydrogène.

Exemple des piles et accumulateurs « classiques »

Pile

Une pile est un générateur électrochimique, c’est-à-dire qu’elle transforme une énergie chimique en une énergie électrique qui est fournie à un circuit.

Une pile classique est globalement constituée de deux électrodes (conductrices) au contact d’un électrolyte (solution ionique).

Une réaction chimique a lieu à chaque électrode. Elles s’échangent alors des électrons par l’intermédiaire du circuit extérieur : il y a donc production de courant électrique.

Lorsque les réactifs sont épuisés, la pile est usée.

Accumulateur

Un accumulateur est une pile qui peut être rechargée.

Les accumulateurs électrochimiques ont un double mode de fonctionnement : générateur (décharge), où ils convertissent de l’énergie chimique en énergie électrique, et récepteur (charge), où ils réalisent la conversion inverse.

Voici les chaines de transformation énergétique d’une pile et d’un accumulateur.

Exemple des piles à hydrogène

Une pile à hydrogène comprend deux électrodes, où des réactions chimiques produisent des électrons.

Au niveau d’une électrode, le réactif est du dihydrogène (H₂), et au niveau de l’autre, le réactif est du dioxygène (O₂).

L’équation de la transformation chimique globale est celle d’une combustion de dihydrogène, et s’écrit :

2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂O (l)

Cette réaction produit de l’eau et une circulation d’électrons, mais dégage aussi de la chaleur.

L’inconvénient est que le dihydrogène doit être préalablement produit (la plupart du temps à partir de la combustion de ressources fossiles).

e. Calculer le rendement d'un système de conversion d'énergie

Principe

Le rendement d’une conversion d’énergie traduit l'efficacité énergétique du convertisseur.

Le rendement d’un système de conversion d’énergie est le rapport entre l’énergie utile (« sortante ») et l’énergie fournie (« entrante »).

avec :

les énergies (utile et reçue), en joules (J)
ρ (rho) le rendement, sans unité

Remarque
Les énergies doivent être exprimées dans la même unité (le joule par exemple).

Un rendement est sans dimension (sans unité), et de valeur comprise entre 0 et 1.
0 correspond à la pire valeur possible et 1 à la meilleure valeur possible (inatteignable en pratique).

Exemples

Dans le cas d’une pile, le rendement se calcule par : .
Dans le cas d’une centrale nucléaire, le rendement se calcule par : .

Rappels de formules de calcul de l’énergie

Énergie potentielle de position

E_pp = m × g × h

avec :

E_pp l’énergie potentielle de position, en joules (J)
m la masse, en kilogrammes (kg)
g l’intensité de pesanteur, en newtons par kilogramme (N·kg^–¹)
(sur Terre : g = 9,8 N·kg^–¹)
h la hauteur par rapport à une référence, en mètres (m)

Énergie consommée ou fournie par un dispositif

E = P × Δt

avec :

E l’énergie consommée ou fournie par un dispositif, en joules (J)
P la puissance du dispositif, en watts (W)
Δt la durée d’utilisation du dispositif, en secondes (s)

Remarque
L’énergie E peut également s’exprimer en watts-heure.
La puissance P s’exprime alors en watts (W) et la durée d’utilisation s’exprime en heures (h).

Le rendement global

Si on connait les rendements de deux étapes, le rendement global se calcule en multipliant les deux valeurs des rendements.

Attention, il ne faut pas multiplier les pourcentages directement (il faut multiplier les valeurs comprises entre 0 et 1).

Exemple
Une éolienne convertit l’énergie mécanique du vent en énergie électrique, avec un rendement de 30 %.
Cette énergie électrique est stockée dans une batterie d’accumulateurs, dont le rendement est de 90 %.
Le rendement global de l’éolienne et des accumulateurs est donc égal à 0,30 × 0,90 = 0,27 soit 27 %.

2. Les conséquences de l'utilisation de méthodes sans combustion

Les méthodes d’obtention d’énergie électrique sans combustion ont un impact beaucoup plus faible sur l’environnement que les centrales électriques « à flamme » (c’est-à-dire à combustion). Ces dernières rejettent en effet du CO₂, un gaz à effet de serre qui est le principal responsable du réchauffement climatique.

Les méthodes sans combustion ne sont toutefois pas sans conséquences sur l’environnement et sur la biodiversité, et elles présentent également quelques risques.

Le tableau ci-dessous liste plusieurs exemples d’impacts sur l’environnement et de risques, mais il en existe d’autres.

Méthodes sans combustion	Impacts sur l’environnement et risques
Éolienne	Besoin de métaux rares pour la fabrication Pollution visuelle et sonore Perturbation des oiseaux
Barrage hydroélectrique	Besoin de déplacer les zones d’habitation Modification des espaces Risques de ruptures
Centrale nucléaire	Problème de gestion des déchets radioactifs Risques liés à la dangerosité de la radioactivité très élevée, si fissure ou explosion Épuisement des ressources en uranium
Centrale solaire thermique	Besoin de métaux rares pour la fabrication des panneaux Pollution visuelle Besoin de grandes surfaces
Panneaux photovoltaïques
Piles et accumulateurs	Rejets chimiques Besoin de métaux rares pour la fabrication

On peut remarquer que les méthodes de production d’énergie électrique sans combustion utilisent souvent des métaux rares, qu’il faut extraire des roches.

Une telle extraction n’est pas sans conséquences sur l’écosystème, car elle nécessite une véritable industrie, des transports et des substances chimiques polluantes.

3. Les dispositifs de stockage d'énergie

Afin de pallier l’intermittence de la plupart des systèmes de production des énergies sans combustion, ainsi que l’intermittence de la consommation, il est nécessaire de stocker l’énergie électrique produite sous d’autres formes d’énergie.

Ces dernières doivent ensuite être converties en énergie électrique en fonction des besoins (énergie utile).

De plus, l'énergie électrique se stocke très difficilement en tant que telle.

Exemple
Les sources d’énergie comme le Soleil et le vent sont intermittentes. Elles ne sont donc pas toujours disponibles en même temps que les besoins en électricité.
Par exemple, en France, les panneaux solaires ont un rendement maximal en milieu de journée, l’été et lorsqu’il fait beau. Or les besoins en électricité sont maximaux le soir, l’hiver et lorsqu’il fait froid. Le stockage de l’électricité produite en surplus est ainsi nécessaire afin de pouvoir s’adapter à la demande.

Il existe plusieurs formes d’énergie qui sont stockables.
Les plus utilisées sont l’énergie chimique, l’énergie potentielle et l’énergie électromagnétique.

a. Stockage sous forme d'énergie chimique

Les batteries et les accumulateurs sont des dispositifs de conversion d’énergie électrique en énergie chimique, et donc de stockage sous forme d’énergie chimique.

Ces dispositifs permettent de convertir de l’énergie électrique en énergie chimique, de la stocker, puis à nouveau de la convertir en énergie électrique.

b. Stockage sous forme d'énergie potentielle

Les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP) sont des dispositifs de conversion d’énergie électrique en énergie potentielle, et donc de stockage sous forme d’énergie potentielle.

Une station de transfert d’énergie par pompage (STEP) est un barrage hydroélectrique qui utilise des pompes pour convertir le surplus d’énergie électrique en énergie potentielle.

L’eau est alors à nouveau stockée dans le bassin supérieur, et possède une énergie potentielle qui peut être, en fonction des besoins, convertie en énergie électrique lors du fonctionnement des turbines.

Le fonctionnement d’une STEP, lors du stockage
d’énergie potentielle et lors de la restitution d’énergie électrique

c. Stockage sous forme d'énergie électromagnétique

Les supercapacités sont des dispositifs de conversion de l’énergie électrique en énergie électromagnétique, et donc de stockage sous forme d’énergie électromagnétique.

Une supercapacité (ou supercondensateur) est un dispositif qui permet de :

convertir de l’énergie électrique en énergie électromagnétique, lors de la phase de charge. L’énergie est alors stockée sous forme électromagnétique ;
produire un courant électrique, lors de la phase de décharge, en fonction des besoins.

d. Comparer les dispositifs de stockage d'énergie

Les différents dispositifs de stockage d’énergie peuvent être comparés sur des critères tels que les masses mises en jeu, la capacité de stockage, la durée de vie, le rendement, l’impact écologique, etc.

Les masses mises en jeu doivent être rapportées à l’énergie fournie : on utilise souvent l’énergie massique, en watts-heure par kilogramme (Wh/kg) par exemple, ou en watts-heure par volume d’eau (Wh/m³) si on étudie un barrage.
Comparer l’énergie massique est important si la masse du dispositif est une contrainte.

Exemple
La batterie d’une voiture ne doit pas dépasser une certaine limite.
La capacité de stockage est l’énergie maximum stockable, en kilowattheure (kWh) par exemple. La capacité de stockage permet de comparer la durée d’utilisation possible, pour une certaine énergie consommée.
On parle aussi d’autonomie (en jours ou en heures par exemple).
La durée de vie est importante pour les batteries et les accumulateurs, et peut s’exprimer en nombre de cycles de charges-décharges. C’est un critère qui peut être pris en compte lors de l’achat d’un matériel (par exemple un vélo à assistance électrique), si on ne souhaite pas devoir changer la batterie trop fréquemment.
Le rendement est souvent exprimé en pourcentage.
Plus le rendement est bon, moins il y a de perte d’énergie.
L’impact écologique dépend de nombreux critères difficiles à comparer mais il est important de le prendre en compte.