Conversions et transports d'énergie
Terminale · Enseignement scientifique · Le futur des énergies
Le futur des énergies
Convertir l'énergie : chaînes, rendements et pertes
On ne produit jamais d'énergie : on la convertit d'une forme à une autre. Une centrale, un moteur, un panneau solaire, une ampoule : tous sont des convertisseurs. Et à chaque conversion, une partie de l'énergie part sous une forme dont on ne voulait pas — le plus souvent en chaleur. Comprendre cela, c'est comprendre pourquoi la question énergétique n'est pas une question de quantité disponible, mais de qualité de conversion.
Le premier principe : rien ne se perd vraiment.
L'énergie totale d'un système isolé se conserve. Quand on dit qu'un moteur « perd » de l'énergie, cela ne veut pas dire qu'elle disparaît : elle est dégradée en énergie thermique dispersée dans l'environnement, sous forme diffuse et donc inutilisable. C'est cette dégradation que le rendement chiffre.
Quelques ordres de grandeur à connaître
| Convertisseur | Conversion réalisée | Rendement typique |
|---|---|---|
| Alternateur | mécanique → électrique | environ 95 à 98 % |
| Moteur électrique | électrique → mécanique | environ 90 % |
| Centrale thermique (charbon, gaz, nucléaire) | thermique → mécanique → électrique | environ 33 à 45 % |
| Moteur thermique de voiture | chimique → thermique → mécanique | environ 25 à 35 % |
| Panneau photovoltaïque | rayonnante → électrique | environ 15 à 22 % |
| Lampe à LED | électrique → rayonnante | environ 30 à 40 % |
Le futur des énergies
Transporter l'électricité : effet Joule et haute tension
L'électricité a un immense avantage : elle se transporte vite et loin, et se convertit facilement en presque toutes les autres formes d'énergie. Elle a aussi un défaut majeur : elle se stocke mal, et il faut donc produire à chaque instant exactement ce qui est consommé. Entre la centrale et la prise, le courant parcourt parfois des centaines de kilomètres de câbles… qui chauffent.
Pourquoi la très haute tension ?
| Niveau de réseau | Tension | Rôle |
|---|---|---|
| Très haute tension | 400 kV et 225 kV | grand transport, autoroutes de l'électricité |
| Haute tension | 63 kV à 90 kV | répartition régionale |
| Moyenne tension | 20 kV | distribution vers quartiers et industries |
| Basse tension | 230 V | logements et petits usages |
Le transformateur, pièce maîtresse du réseau.
Le transformateur permet d'élever ou d'abaisser une tension, avec un rendement excellent (souvent supérieur à 98 %). Il ne fonctionne cependant qu'en courant alternatif : c'est la raison historique et technique pour laquelle le réseau mondial est alternatif, et non continu. C'est aussi pourquoi les centrales utilisent des alternateurs, qui convertissent une énergie mécanique de rotation en énergie électrique alternative.
Quelques faits à connaître sur le réseau :
· l'électricité se stocke difficilement, l'équilibre production-consommation doit donc être assuré à chaque instant ;
· les moyens de stockage existants sont les barrages de pompage-turbinage (STEP), les batteries, l'hydrogène et les volants d'inertie ;
· le réseau français perd environ 2 à 3 % de l'énergie transportée sur les lignes à très haute tension ;
· un réseau maillé permet de rerouter le courant en cas de panne d'une ligne.
Exercices corrigés
Quelle est l'unité d'énergie du Système international ?
- A.Le watt (W)
- B.Le joule (J)Bonne réponse
- C.L'ampère (A)
- D.Le volt (V)
Réponse : B — Le joule (J)
L'énergie se mesure en joules. Le watt est l'unité de puissance (1 W = 1 J/s), l'ampère celle de l'intensité du courant et le volt celle de la tension. Le kilowattheure est aussi une unité d'énergie, mais elle n'appartient pas au Système international : 1 kWh = 3,6 × 10 puissance 6 J.
Un radiateur de puissance 2000 W fonctionne pendant 3 heures. Quelle énergie a-t-il convertie, en kWh ?
- A.6 kWhBonne réponse
- B.600 kWh
- C.6000 kWh
- D.0,67 kWh
Réponse : A — 6 kWh
E = P × t. On convertit d'abord la puissance en kilowatts : 2000 W = 2 kW. Puis E = 2 × 3 = 6 kWh. Répondre 6000 kWh, c'est avoir gardé les watts tout en parlant de kilowattheures. Répondre 0,67, c'est avoir divisé (2/3) au lieu de multiplier. En joules, cela ferait 6 × 3,6 × 10 puissance 6 = 2,16 × 10 puissance 7 J.
Comment définit-on le rendement d'un convertisseur d'énergie ?
- A.Énergie reçue divisée par énergie utile
- B.Énergie utile multipliée par la durée de fonctionnement
- C.Énergie perdue divisée par énergie utile
- D.Énergie utile divisée par énergie reçueBonne réponse
Réponse : D — Énergie utile divisée par énergie reçue
Le rendement compare ce qu'on obtient à ce qu'on a fourni : rendement = énergie utile / énergie reçue. C'est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1. L'option 1 est le rapport inversé, qui donnerait toujours un nombre supérieur à 1 : impossible pour un rendement.
Un ingénieur annonce avoir conçu un moteur de rendement 115 %. Que peut-on en conclure ?
- A.C'est possible pour un moteur électrique très performant
- B.C'est possible si le moteur récupère de la chaleur ambiante
- C.C'est impossible : cela violerait la conservation de l'énergieBonne réponse
- D.C'est possible seulement en courant continu
Réponse : C — C'est impossible : cela violerait la conservation de l'énergie
Un convertisseur ne peut pas restituer plus d'énergie qu'il n'en reçoit : l'énergie se conserve. Un rendement supérieur à 100 % signifierait créer de l'énergie à partir de rien. En pratique, tout convertisseur reste même nettement en dessous de 100 %, car une partie de l'énergie est toujours dégradée en chaleur.
Un appareil fonctionne sous une tension de 230 V et est parcouru par un courant de 10 A. Quelle est sa puissance électrique ?
- A.23 W
- B.2300 WBonne réponse
- C.240 W
- D.2,3 W
Réponse : B — 2300 W
La puissance électrique vaut P = U × I = 230 × 10 = 2300 W, soit 2,3 kW. Répondre 240 W revient à additionner 230 et 10, ce qui n'a aucun sens physique : on ne peut pas additionner des volts et des ampères. Répondre 23 W correspond à une division.
Pourquoi l'électricité est-elle transportée sous très haute tension sur les grandes lignes ?
- A.Pour que le courant circule plus vite dans les câbles
- B.Pour augmenter la puissance disponible chez le consommateur
- C.Pour empêcher les oiseaux de se poser sur les lignes
- D.Pour diminuer l'intensité du courant et donc les pertes par effet JouleBonne réponse
Réponse : D — Pour diminuer l'intensité du courant et donc les pertes par effet Joule
Les pertes dans les câbles valent P = R × I² : elles ne dépendent que de l'intensité. Comme la puissance transportée vaut P = U × I, augmenter U permet de transporter la même puissance avec une intensité bien plus faible, donc avec des pertes bien plus faibles. La vitesse de propagation du signal électrique, elle, ne dépend pas de la tension.
Une ligne de résistance R = 0,5 ohm est parcourue par un courant d'intensité I = 20 A. Quelle puissance y est dissipée par effet Joule ?
- A.10 W
- B.200 WBonne réponse
- C.40 W
- D.100 W
Réponse : B — 200 W
P = R × I² = 0,5 × 20² = 0,5 × 400 = 200 W. L'erreur classique est d'oublier le carré : 0,5 × 20 = 10 W. Une autre est de calculer (0,5 × 20)² = 100 W, ce qui reviendrait à mettre la résistance au carré elle aussi. Seule l'intensité est élevée au carré.
Un moteur reçoit 1500 J d'énergie électrique et fournit 900 J d'énergie mécanique. Quel est son rendement, et quelle énergie a été dégradée ?
- A.Rendement 60 %, 600 J dégradés en chaleurBonne réponse
- B.Rendement 167 %, 600 J dégradés en chaleur
- C.Rendement 40 %, 900 J dégradés en chaleur
- D.Rendement 60 %, 2400 J dégradés en chaleur
Réponse : A — Rendement 60 %, 600 J dégradés en chaleur
rendement = utile / reçue = 900 / 1500 = 0,60 soit 60 %. L'énergie qui n'est pas utile a été dégradée, essentiellement en chaleur par frottements et effet Joule : 1500 − 900 = 600 J. Le rapport inversé 1500/900 donne 167 %, valeur impossible. Et il ne faut surtout pas additionner les deux énergies.
Quel est le rôle d'un transformateur dans le réseau électrique ?
- A.Convertir le courant alternatif en courant continu
- B.Élever ou abaisser la valeur d'une tension alternativeBonne réponse
- C.Stocker l'énergie électrique en période de faible consommation
- D.Transformer l'énergie mécanique en énergie électrique
Réponse : B — Élever ou abaisser la valeur d'une tension alternative
Le transformateur modifie le niveau de tension : il l'élève à la sortie des centrales pour le transport, puis l'abaisse par paliers jusqu'aux 230 V du logement. Il ne fonctionne qu'en alternatif. Convertir alternatif en continu, c'est le rôle d'un redresseur ; convertir du mécanique en électrique, celui d'un alternateur.
Une centrale thermique de rendement 35 % reçoit une énergie thermique de 1000 MJ. Quelle énergie électrique fournit-elle ?
- A.650 MJ
- B.2857 MJ
- C.350 MJBonne réponse
- D.35 MJ
Réponse : C — 350 MJ
L'énergie utile vaut rendement × énergie reçue = 0,35 × 1000 = 350 MJ. Les 650 MJ restants sont évacués sous forme de chaleur : c'est l'énergie perdue, pas l'énergie produite. Répondre 2857 MJ revient à diviser par le rendement au lieu de multiplier, ce qui donnerait plus d'énergie en sortie qu'en entrée.
Quelle conversion réalise un panneau photovoltaïque ?
- A.Énergie thermique en énergie électrique
- B.Énergie chimique en énergie rayonnante
- C.Énergie mécanique en énergie électrique
- D.Énergie rayonnante en énergie électriqueBonne réponse
Réponse : D — Énergie rayonnante en énergie électrique
Le panneau photovoltaïque convertit directement l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique, sans passer par une étape mécanique. Attention à ne pas le confondre avec le panneau solaire thermique, qui chauffe de l'eau : celui-là convertit le rayonnement en énergie thermique. L'éolienne, elle, convertit du mécanique en électrique.
À puissance transportée constante, on multiplie par 10 la tension d'une ligne. Que deviennent les pertes par effet Joule ?
- A.Elles sont divisées par 10
- B.Elles sont divisées par 100Bonne réponse
- C.Elles sont multipliées par 10
- D.Elles restent identiques
Réponse : B — Elles sont divisées par 100
Comme P = U × I est fixée, multiplier U par 10 divise I par 10. Or les pertes valent R × I² : si I est divisée par 10, alors I² est divisée par 100. Les pertes sont donc divisées par 100. C'est ce facteur carré qui rend la très haute tension si intéressante, malgré le coût des pylônes et des transformateurs.
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