Exercices — Conversion et transport de l'énergie électrique

1. Barrage hydroélectrique. Énergie mécanique de position de l’eau du lac → énergie mécanique de mouvement dans la conduite → rotation de la turbine → énergie électrique via l’alternateur. C’est une conversion d’énergie mécanique directe.

2. Centrale nucléaire. Énergie nucléaire des noyaux d’uranium → énergie thermique (chaleur du réacteur) → vaporisation de l’eau, la vapeur sous pression fait tourner la turbine (énergie mécanique) → énergie électrique via l’alternateur. C’est une conversion d’énergie mécanique indirecte, car elle passe par l’étape thermique.

3. Panneau photovoltaïque. Énergie radiative du Soleil → énergie électrique, directement dans le matériau semi-conducteur. Conversion de l’énergie radiative — sans aucune pièce en mouvement ni alternateur.

4. Pile à hydrogène. Énergie chimique du dihydrogène → énergie électrique par réaction contrôlée avec le dioxygène. C’est une conversion électrochimique, sans combustion.

Réflexe à retenir : les trois familles du programme sont — conversion mécanique (directe : barrages, éoliennes, hydroliennes ; indirecte : nucléaire, solaire thermique, géothermie), conversion de l’énergie radiative (photovoltaïque) et conversion électrochimique (piles, accumulateurs). Toute chaîne aboutissant à l’électricité sans combustion entre dans l’une d’elles.

1. Les rendements des étapes successives se multiplient :

$\eta_{\text{global}} = 0{,}35 \times 0{,}95 \approx 0{,}33$

Le rendement global vaut environ 33 %.

2. Énergie électrique fournie :

$E_{\text{électrique}} = 0{,}33 \times 1\,000 = 330\ \text{MJ}$

Sur 1 000 MJ reçus, seuls 330 MJ environ arrivent sous forme électrique.

3. L’énergie manquante (environ 670 MJ) est dissipée sous forme de chaleur dans l’environnement (circuits de refroidissement, tours aéroréfrigérantes, frottements, effet Joule). C’est la turbine (l’étape thermique → mécanique, à 35 %) qu’il faudrait améliorer en priorité : l’alternateur, déjà à 95 %, n’offre presque aucune marge de progrès. Le maillon faible d’une chaîne de conversion est toujours l’étape au plus petit rendement.

Réflexe à retenir : rendements en série = produit des rendements, jamais leur somme ni leur moyenne. Et le rendement global est toujours inférieur au plus petit des rendements de la chaîne.

1. À puissance fixée, l’intensité se déduit de la formule $P = U \times I$, donc $I = P / U$. Sous 15 000 V :

$I = \frac{90\,000\,000}{15\,000} = 6\,000\ \text{A}$

Sous 400 000 V :

$I = \frac{90\,000\,000}{400\,000} = 225\ \text{A}$

2. Facteur de division de l’intensité :

$\frac{6\,000}{225} \approx 27$

Les pertes par effet Joule étant proportionnelles au carré de l’intensité, elles sont divisées par environ :

$27^2 \approx 700$

3. À puissance transportée fixée, augmenter la tension diminue l’intensité dans la même proportion, et les pertes par effet Joule chutent comme le carré de cette réduction : diviser l’intensité par 27 divise les pertes par environ 700. C’est pourquoi le réseau utilise la très haute tension (400 000 V en France) sur les longues distances, la tension étant ensuite abaissée par transformateurs à l’approche des utilisateurs.

Réflexe à retenir : la formule $P = U \times I$ suffit à tout comprendre — haute tension ⇒ faible intensité ⇒ pertes Joule minimales. C’est le savoir-faire exigible de cette partie.

1. L’énergie électrique se stocke mal telle quelle. Pour la mettre en réserve, on la convertit sous une forme stockable — chimique (batteries, hydrogène), mécanique (eau en altitude) ou électromagnétique — puis on la reconvertit en électricité au moment voulu.

2. On calcule l’énergie de position de l’eau remontée :

$E = m \times g \times h = 1\,800 \times 9{,}8 \times 200 \approx 3{,}5 \times 10^{6}\ \text{J}$

Or 1 kWh vaut 3 600 000 J, soit $3{,}6 \times 10^{6}$ J : on retrouve bien environ 1 kWh ✓. Cela montre au passage l’énorme différence de masse mise en jeu par kilowattheure : 5 kg de batterie contre près de 2 tonnes d’eau.

3. (a) Maison solaire : la batterie. Capacité de quelques kWh adaptée au besoin domestique, masse et encombrement raisonnables (quelques dizaines de kg), et durée de stockage de quelques heures suffisante pour restituer le soir l’énergie produite à midi. Impossible d’installer une STEP dans un jardin !

(b) Échelle d’un pays : la STEP. Capacité de plusieurs milliers de MWh, très supérieure à celle des batteries, et durée de stockage longue (semaines), adaptée aux déséquilibres saisonniers du réseau. En contrepartie, elle exige un site géographique adapté et a une incidence écologique locale (vallées inondées) à prendre en compte.

Réflexe à retenir : comparer des stockages, c’est croiser systématiquement les critères du programme — capacité, durée de stockage, masse par kilowattheure, incidence écologique. Aucun dispositif ne gagne sur tous les tableaux : le « meilleur » dépend de l’usage.