Bilan construit - Corrigé

1. Quelles méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans combustion et quelles conversions d’énergie réalisent-elles ?

Les méthodes d'obtention d'énergie électrique qui utilisent des combustions fossiles contribuent fortement au réchauffement climatique du fait de leurs fortes émissions de CO₂ et d'autres gaz à effet de serre.

Pour limiter ces émissions néfastes, quatre méthodes permettent d'obtenir de l'énergie électrique sans nécessiter de combustion grâce aux conversions suivantes :

• la conversion directe d'énergie mécanique en énergie électrique (éoliennes, barrages hydroélectriques, etc.) ;
• la conversion indirecte d'énergie mécanique en énergie électrique, à partir d'énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires thermiques à concentration, etc.) ;
  
• la conversion d'énergie radiative émanant du Soleil en énergie électrique (panneaux photovoltaïques) ;
• la conversion d'énergie électrochimique en énergie électrique (piles, piles à combustible, etc.).

On peut représenter ces conversions à l'aide de chaînes de transformations énergétiques.

2. Comment calculer le rendement global d’une centrale électrique ?

Le rendement global noté \(\eta\) d'une centrale électrique s'obtient en calculant la proportion d'énergie (ou de puissance) électrique fournie par la centrale par rapport à l'énergie (ou puissance) qu'elle a reçue : 

 \(\eta=\frac{\text{E}_{\text{electrique}}}{\text{E}_{\text{reçue}}}=\frac{\text{P}_{\text{electrique}}}{\text{P}_{\text{reçue}}}\)

avec \(\text{E}_{\text{elctrique}}\) et `\text{E}_{\text{reçue}}` tous deux en joules (J) ou en wattheures (Wh) ;  \(\text{P}_{\text{electrique}}\) et  `\text{P}_{\text{reçue}}`tous deux en watts (W).

On peut également calculer le rendement global d'une centrale si l'on connaît la valeur des rendements de chacun de ses composants internes, appelés rendements intermédiaires. Pour cela, il suffit de multiplier tous les rendements intermédiaires entre eux. 

Le rendement global d'une centrale est donc toujours inférieur à 1 car il y a des pertes d’énergie, principalement thermique, dues aux frottements ou à l'effet Joule lors des conversions d'énergie.

3. Quels sont les atouts et les impacts de l’exploitation des centrales nucléaires sur l’environnement et les sociétés ?

Les centrales nucléaires, qui représentaient 65 % de l'énergie produite en France en 2023, permettent une production d'énergie avec de très faibles émissions de CO₂. Il s'agit du mode de production d'électricité le plus décarboné et permet donc de limiter le réchauffement climatique.

D'un point de vue économique, le nucléaire est une filière industrielle importante (la 3^e en France). Elle offre de nombreux emplois sur un temps long et dans des domaines d'activité variés. 

De plus, une centrale nucléaire est pilotable : elle peut adapter la quantité d'énergie produite en fonction des besoins. Contrairement aux énergies renouvelables, le nucléaire n'est pas une énergie intermittente et peut produire de l'énergie en continu. 

Cependant, les centrales nucléaires produisent des déchets radioactifs dangereux pour les humains et l'environnement pendant une durée allant de quelques mois à plusieurs milliers d'années. Il n'existe actuellement aucune solution d'élimination pour ces déchets. Les moins dangereux sont stockés en attendant leur élimination naturelle, les plus dangereux sont entreposés dans l'attente de trouver une solution viable et durable. 

Le principal danger du nucléaire demeure la possibilité d'accidents aux conséquences destructrices. Les accidents tristement célèbres de Tchernobyl ou Fukushima sont responsables de nombreux cancers et de plusieurs morts, mais aussi de la contamination de l'eau, des animaux et des végétaux. 

4. Que signifie l’intermittence des énergies renouvelables et quelles solutions existent pour pallier ce phénomène ?

Certaines énergies renouvelables ne peuvent pas produire de l'électricité en continu : elles sont intermittentes. Par exemple, les panneaux photovoltaïques ne produisent pas la nuit, et moins l'hiver que l'été.

Pour faire face à ce phénomène d’intermittence, une possibilité est de convertir l’énergie électrique sous une forme stockable. Cela peut être de :

• l'énergie chimique (batteries, piles à combustible, etc.) ;
  
• l'énergie mécanique (STEP : stations de transfert d’énergie par pompage, etc.) ;
  
• l'énergie électromagnétique (supercondensateurs, etc.).
  

En fonction de la situation, il convient de réfléchir aux besoins et de comparer les caractéristiques des dispositifs de stockage existants pour choisir la technologie adaptée : leur capacité de stockage, leur puissance de restitution, leur autonomie, leur coût ou encore leur portabilité. 

5. Comment limiter les pertes d’énergie lors du transport de l’électricité dans les lignes électriques ?

En raison des propriétés des câbles électriques, une partie de la puissance électrique transportée dans les lignes électriques est dissipée sous forme de chaleur. Une partie de l'énergie produite dans les centrales ne parvient donc pas à l’utilisateur du fait de ce phénomène appelé effet Joule. 

L'effet Joule est d'autant plus important que l'intensité du courant qui circule dans les câbles est élevée. Pour limiter les pertes par effet Joule, il convient donc de choisir l'intensité la plus faible possible. Or la puissance électrique transportée dans un câble (en watts) est égale au produit de l'intensité (en ampères) par la tension (en volts) :

\(P_{electrique}=U\times I\)

À puissance transportée fixe, une augmentation de la tension permet donc une diminution de l'intensité. C'est pourquoi on utilise des lignes à haute tension pour limiter les pertes par effet Joule lors du transport de l'électricité.

6. Quel est l’avantage de disposer d’un réseau de transport de l’électricité à l’échelle européenne ?

Le réseau de transport de l’électricité est maillé au niveau européen grâce à des lignes haute tension. Il permet une coopération à l'échelle internationale en adaptant la production ou mobilisant des réserves disponibles en cas de déséquilibre entre l’offre et la demande. 

Ce réseau et le marché qui y est associé est un élément important de la sécurité et de l'indépendance énergétique de l'Europe.