I — Production d'énergie électrique sans combustion

Cours — Les atouts de l’électricité

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I — Production d’énergie électrique sans combustion

II — Le stockage de l’énergie électrique

Les atouts de l’électricité — Enseignement Scientifique Terminale

📘 Production d’énergie électrique sans combustion

L’électricité peut être produite sans émission directe de CO₂ à partir d’énergie mécanique (directe ou indirecte), radiative ou chimique. L’efficacité de chaque conversion est mesurée par son rendement. Les chaînes énergétiques représentent ces conversions et leurs pertes inévitables sous forme de chaleur.

📐 Chaînes énergétiques et rendement

Schéma d'une chaîne énergétique générique : un réservoir d'énergie (rectangle) fournit de l'énergie à un système (ellipse) qui la convertit en énergie utile (vers un autre réservoir d'énergie, flèche principale) et en pertes thermiques (flèche secondaire vers le bas indiquant l'énergie dissipée sous forme de chaleur). Par convention : systèmes dans des ellipses, réservoirs dans des rectangles, transferts par des flèches. — *Chaîne énergétique : réservoirs (rectangles), systèmes (ellipses), transferts (flèches). Pertes thermiques inévitables.*

Chaîne énergétique d'un moteur électrique : l'énergie électrique (réservoir) est absorbée par le moteur électrique (ellipse) qui la convertit en énergie mécanique utile (flèche vers le réservoir mécanique) avec des pertes thermiques (chaleur dissipée par effet Joule et frottements). — *Chaîne énergétique d’un moteur électrique : énergie électrique → énergie mécanique utile + pertes thermiques*

η = E_utile / E_absorbée = P_utile / P_absorbée
0 ≤ η ≤ 1 (souvent exprimé en %)

👉 Application moteur : P_méca = 160 W, P_élec = 200 W → η = 160/200 = 0,800 = 80,0 %

Rendement global (conversions enchaînées) :

Chaîne énergétique d'une conversion globale : une pile électrochimique (réservoir d'énergie chimique) alimente un moteur électrique. Le rendement global de la conversion énergie chimique → énergie mécanique est le produit des rendements de la pile (η_pile) et du moteur (η_moteur). η_global = η_pile × η_moteur. — *Rendement global = produit des rendements des conversions successives : η = η₁ × η₂ × …*

📐 Conversion mécanique directe

Schéma d'un barrage hydroélectrique : le lac de retenue (eau à haute altitude = énergie potentielle de pesanteur) libère l'eau via une vanne, qui descend dans une conduite forcée et fait tourner une turbine (énergie cinétique → énergie mécanique), laquelle entraîne un alternateur (énergie mécanique → énergie électrique). L'électricité est ensuite transformée en haute tension par un transformateur avant d'être injectée sur le réseau. — *Barrage hydroélectrique : eau (E_potentielle) → turbine → alternateur → électricité. η_barrage ≈ 86 %*

Chaîne énergétique d'un barrage hydroélectrique : réservoir d'énergie potentielle de pesanteur (lac) → turbine (conversion en énergie mécanique, η_T ≈ 90 %) → alternateur (conversion en énergie électrique, η_A ≈ 95 %) → réseau électrique. Pertes thermiques à chaque étape. — *Chaîne énergétique du barrage : η_global = η_turbine × η_alternateur = 90 % × 95 % ≈ 86 %*

Dispositif	Énergie mécanique exploitée
Dynamo	Énergie cinétique d’un élément mobile
Éolienne	Énergie cinétique du vent
Hydrolienne	Énergie cinétique des courants marins
Barrage hydroélectrique	Énergie potentielle de pesanteur d’une retenue d’eau

⚠️ Production intermittente (éolien, hydrolien). Impact environnemental : inondation de terres, perturbation des écosystèmes, envasement.

📐 Conversion mécanique indirecte

Schéma d'une centrale géothermique : l'eau chaude captée en profondeur dans la croûte terrestre (énergie thermique géothermique) remonte en surface, se vaporise, entraîne une turbine (énergie mécanique) puis un alternateur (énergie électrique). L'eau refroidie est réinjectée dans le sous-sol. — *Centrale géothermique : énergie thermique du sous-sol → vapeur → turbine → alternateur → électricité*

Chaîne énergétique d'une centrale géothermique : réservoir d'énergie thermique (chaleur terrestre) → système de conversion thermique (chaudière/vapeur) → turbine (énergie mécanique) → alternateur (énergie électrique) → réseau. Pertes thermiques à chaque conversion. — *Chaîne énergétique d’une centrale géothermique : η_global ≈ 30 % (similaire au nucléaire)*

Installation	Énergie primaire	η global
Centrale nucléaire	Énergie nucléaire (uranium)	~30 %
Centrale solaire thermique	Rayonnement solaire → chaleur	~20-30 %
Centrale géothermique	Chaleur du sous-sol	~10-20 %

⚠️ Nucléaire : déchets radioactifs (stockage millions d’années), risques d’accidents. Uranium = ressource non renouvelable.

📐 Conversion radiative (photovoltaïque) et chimique (piles)

Photographie de panneaux solaires photovoltaïques installés sur un toit : conversion directe de l'énergie lumineuse du rayonnement solaire en énergie électrique via des cellules semi-conductrices. Rendement ≈ 20 %, diminuant d'environ 1 % par an. Fabrication nécessite des métaux rares (indium, gallium). — *Panneaux photovoltaïques : conversion directe énergie radiative → électrique. η ≈ 20 %, métaux rares nécessaires.*

Chaîne énergétique d'une pile : l'énergie chimique (réactifs de la pile) est convertie en énergie électrique (courant dans le circuit) avec des pertes thermiques par effet Joule. — *Chaîne énergétique d’une pile : énergie chimique → énergie électrique + pertes thermiques*

Schéma d'une pile alcaline : borne négative (zinc Zn, oxydation : Zn + 2HO⁻ → ZnO + H₂O + 2e⁻) et borne positive (dioxyde de manganèse MnO₂, réduction : MnO₂ + H₂O + e⁻ → MnO(OH) + HO⁻). Les réactifs sont séparés par un corps isolant. Le courant circule de la borne positive vers la borne négative dans le circuit extérieur. — *Pile alcaline : oxydation du zinc (borne −) et réduction du MnO₂ (borne +)*

Schéma d'une pile à combustible (pile à hydrogène) : réservoir de H₂ (côté borne négative, anode) et O₂ de l'air (côté borne positive, cathode), séparés par une membrane électrolytique. Réaction : H₂ + ½ O₂ → H₂O (seul produit). Rendement ≈ 50 %. Nécessite des métaux rares (platine). — *Pile à combustible (H₂/O₂) : seul produit = H₂O. η ≈ 50 %. Métaux rares (platine) nécessaires.*

Piles alcalines : Zn + 2MnO₂ + H₂O → 2MnO(OH) + ZnO. Réaction non réversible.
Piles à combustible : H₂ + ½ O₂ → H₂O. η ≈ 50 %. Seul rejet : eau.

💡 À retenir

• η = E_utile/E_absorbée ; η_global = η₁ × η₂ × … (conversions successives).
• Conversion directe : éolienne, hydrolienne, barrage → alternateur (intermittent).
• Conversion indirecte : nucléaire, solaire thermique, géothermie → chaleur → turbine → alternateur (η ≈ 30 %).
• Photovoltaïque : direct radiative → électrique (η ≈ 20 %, métaux rares).
• Piles : chimique → électrique. Alcaline (non rechargeable) ; à combustible (H₂, η ≈ 50 %).

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