Le futur des energies

Exposés T06

Deux siècles d’énergie électrique

Un peu d’histoire


Dans sa fresque monumentale commanditée par la Compagnie parisienne de distribution d’électricité pour l’exposition universelle de 1937 intitulée la Fée électricité, Raoul Dufy représente dans la partie inférieure une flopée de savants et penseurs ayant contribué à l’invention de l’électricité.


Vidéo survolant l’histoire de l’électricité au 19e siècle :


Quelques notions physiques importantes

puiss

La puissance est la variation d’énergie par unité de temps : $$\displaystyle P=\frac{\Delta E}{\Delta t}$$ Les unités de base sont le joule ($\pu{J}$) pour la variation d’énergie $\Delta E$, la seconde ($\pu{s}$) pour la durée $\Delta t$ et le watt ($\pu{W}$) pour la puissance $P$.
Mais dans le secteur de l’électricité, on utilise le plus souvent l’heure ($\pu{h}$) pour $\Delta t$ et le kilowattheure $\pu{kWh}$ pour l’énergie.

rend

Définition du rendement $r$ :
$\displaystyle r=\frac{E_{utile}}{E_{perdue}}=\frac{P_{utile}}{P_{perdue}}$


Ajourd’hui, on sait obtenir de l’énergie électrique à partir de deux sources d’énergie très différentes :

  • l’énergie mécanique
  • l’énergie de rayonnement

Conversion électromécanique

Comment s’appelle et à quoi sert cette pièce d’un moteur thermique ?

info

Principe physique du fonctionnement d’un alternateur : l’induction électromagnétique.


Animation sur le phénomène d'induction électromagnétique découvert par Faraday

Vidéo experience lycéee alternateur


  • Éclaté d’un alternateur :

  • Une turbine (à gaz) :

L’ensemble forme un turbo-alternateur.

Quelle conversion opère la turbine / à quoi sert-elle ?

info

Dans ce cas, le rendement vaut : $\displaystyle r=\frac{E_{élec}}{E_{méca}}=\frac{P_{élec}}{P_{méca}}$
Un alternateur peut atteindre des rendements supérieurs à 99%.
Globalement, le rendement d’un alternateur croît avec sa masse (et par ricochet avec la puissance électrique qu’il délivre).

L’alternateur d’un groupe électrogène (utilisé par exemple pour un food truck) capable de délivré 3 kW a un rendement autour de 85% alors que l’alternateur du réacteur nucléaire de Flamanville-3 délivrant 1750 MW a un rendement compris entre 98,2% et 99,3%.


Photovoltaïsme

info

Principe physique du fonctionnement d’une cellule photovoltaïque : l’effet photoélectrique.

Vidéo expérience effet photoélectrique






Les atouts de l’électricité

Obtention d’énergie électrique sans combustion

Aujourd’hui, la majorité de l’énergie électrique est obtenue à partir de sources fossiles dans des centrales thermiques à flamme. Mais on sait faire autrement.

Centrales hydrauliques :

En 2020, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1330 GW, produisant environ 4370 TWh soit 70 % de la production mondiale d’énergie renouvelable et 15,6 % de la production mondiale d’électricité en 2019.

La centrale hydroélectrique la plus puissante de France se trouve au barrage de Grand’Maison en Isère. Elle peut délivrer une puissance de 1800 MW.

La plus grande centrale hydroélectrique au monde est le barrage des Trois-Gorges en Chine. Sa puissance installée est de 22500 MW.

note

On distingue les centrales gravitaires, les stations de transfert d’énergie par pompage et les centrales maritimes.


Centrales nucléaires :

En France, les réacteurs nucléaires délivrent une puissance entre 900 MW et 1450 MW et une centrale possède entre 2 et 6 réacteurs.

Répartition des centrales nucléaires dans le monde :

Centrales géothermiques :

L’efficacité énergétique des centrales géothermiques est faible, environ 10 à 23%, parce que les fluides géothermiques sont à basse température en comparaison de la vapeur des chaudières. De par les lois de la thermodynamique, cette basse température limite l’efficacité des machines thermiques dans l’extraction d’énergie utile pendant la production d’électricité. La chaleur résiduelle est perdue, à moins qu’elle puisse être utilisée directement et sur place, par exemple dans des serres, des scieries ou dans le chauffage urbain. L’efficacité énergétique médiocre du système n’affecte pas autant les coûts opérationnels que pour une centrale à charbon ou autre combustible fossile, mais elle pèse sur la viabilité de la centrale. Afin de produire plus d’énergie que les pompes n’en consomment, la production d’électricité requiert des champs géothermiques à haute température et des cycles thermiques spécialisés.

Comme la géothermie ne repose pas sur des sources d’énergie intermittentes, telles que par exemple le vent ou le solaire, son facteur de charge peut être très élevé : il a été démontré qu’il peut aller jusqu’à 96%. Cependant la moyenne du facteur de charge des centrales était de 74,5% en 2008, selon le GIEC, et les centrales récentes atteignent souvent des facteurs de charge supérieurs à 90%.

La puissance installée des centrales géothermiques s’élève à 15950 MW en 2020.

En France, la production d’électricité géothermique provient pour l’essentiel de la Centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe 15 MW.


Parcs éoliens :

Une éolienne sur Terre peut délivrer aujourd’hui jusqu’à 3 MW et en mer 15 MW, mais le facteur de charge moyen est faible.

Les éoliennes fonctionnent environ 80% du temps mais avec une puissance très variable, située entre 0 et (théoriquement) 100% ; par exemple, en 2020, en France, la puissance éolienne a atteint son maximum à 13409 MW le 10 février à 18 h, avec un facteur de charge de 80,1% ; son minimum a été observé à 124 MW le 24 avril à 11 h. La puissance moyenne mensuelle observée a varié de 2713 MW en août à 8342 MW en février, alors que la puissance installée atteignait 17616 MW fin 2020 ; le taux d’utilisation (facteur de charge) de cette puissance (puissance moyenne/puissance nominale) a été en moyenne de 26,35% en 2020.

En France, les plus gros investissements concernent des parcs éoliens offshore. Celui prévu au large de l’île d’Oléron s’étendrait sur 300 km2 et pourrait produire jusqu’à 1 GW.

Document gouvernemental de préparation au débat public sur le projet éolien en mer au large d’Oléron


Centrales photovoltaïques :

En France, la plus grande centrale solaire photovoltaïque est situé à Cestas en Gironde. Elle s’étend sur 260 ha et peut délivrer jusqu’à 300 MW.


Centrales solaires thermiques :

Une centrale solaire thermodynamique à concentration est un site industriel qui concentre les rayons du Soleil à l’aide de miroirs afin de chauffer un fluide caloporteur, lequel permet en général de produire de l’électricité. Ce type de centrale permet, en stockant ce fluide dans un réservoir, de prolonger le fonctionnement de la centrale plusieurs heures au-delà du coucher du Soleil.

Pourquoi ne pas couvrir le Sahara en panneaux solaires pour alimenter le monde en énergie ?


Dangers des énergies

Dangers pour la santé


Dangers environnementaux

  • impact sur les écosystèmes

  • émission de GES


Problème du stockage

Page sur le stockage de l’électricité par EDF

Pour pallier l’écart temporel entre la production d’électricité et son utilisation, il convient de prévoir des dispositifs de stockage. L’énergie électrique ne pouvant être stockée, il convient de la convertir auparavant. Trois conversions (en énergie chimique, potentielle ou électromagnétique) sont actuellement envisagées, dans des proportions très différentes.

  • Stockage d’énergie potentielle de pesanteur : Une solution de stockage très rentable développée depuis longtemps et largement majoritaire en terme d’énergie stockée est la station de transfert d’énergie par pompage (STEP). Aux heures creuses, l’eau d’un bassin aval est pompée et relevée vers un bassin en amont. Aux heures de pointe de consommation, l’eau est turbinée, transformant ainsi de l’énergie potentielle de pesanteur en énergie électrique.

  • Stockage chimique :
    Celui-ci induit un certain nombre d’enjeux. Le secteur R&D travaille sur de nouvelles technologies. On peut notamment évoquer les recherches concernant la batterie Li-Air qui permettrait un stockage de l’ordre de 2 000 Wh.kg-1 contre environ 200 Wh.kg-1 pour les batteries Li-Ion très utilisées à l’heure actuelle (téléphone, véhicule électrique…). Cependant, d’autres facteurs restent problématiques dans l’utilisation de celles-ci (matières premières, recyclage…).
    L’hydrogène produit par électrolyse puis utilisé dans la pile à combustible constitue une autre voie de stockage chimique.

  • Stockage d’énergie électromagnétique :
    Le SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) permet de stocker l’énergie sous forme d’un champ magnétique créé par un courant continu circulant dans un supraconducteur.
    À l’heure actuelle, ce dispositif efficace mais très couteux n’est utilisé que dans la haute technologie.
    On peut aussi évoquer les super-condensateurs qui stocke cette fois-ci sous forme d’un champ électrique (vidéo expérience lycée condensateur)


Optimisation du transport de l’électricité

  • Les transformateurs

vidéo expérience lycée transformateur

  • Les lignes électriques :

  • Réseau acctuel et du futur (smart grid) :

    • Présentation RTE :

Extrait du site de RTE qui affiche la consommation d’électricité en France ainsi que d’autres données comme celles des échanges interrégionaux et internationaux :

Le rôle de RTE est de garantir l’équilibre entre l’offre et la demande d’électricité en France :

  • La demande est estimée par RTE (prévision de consommation) ;
  • L’offre est celle des producteurs, commercialisateurs et responsables de programmation (prévision de production).

La prévision de consommation en France métropolitaine effectuée la veille pour le lendemain est la résultante d’un modèle prédictif utilisant :

  • des données météo (historique et prévisions) ;
  • des données de consommation (historique) ;
  • des données d’effacement (historique et prévisions), soit les capacités de réduction de consommation de certains clients ;
  • la thermosensibilité et les gradients été/ hiver, soit la hausse de la consommation liée à la baisse des températures ;
  • des éléments de calendrier (jours fériés, week-end, vacances scolaires…).



Choix énergétiques et impacts sur les sociétés

L’électricité en France


L’énergie en France

Compléments au graphe


Perspectives et futur énergétique (objectif 2050)



Les émissions de GES dans le monde


Enjeux de société




Le pétrole a ouvert une ère d’énergie abondante qui a eu des répercussions fantastiques sur l’humanité. Le défi est de réussir à s’en passer sans sacrifier entièrement l’incroyable confort qu’il a apporté.