L

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LENERGIE

• cours
• proposition dévaluation
• TP de physique appliquée Géneratrice
  asynchrone
• Application en essais de système
• Panneau solaire de la couveuse

2

• référentiel BTS Electrotechnique

2 semaines de cours (2 x 3h) 1TP / élève
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• LES DIFFERENTES FORMES DENERGIE
• 1/ Introduction Quest ce que lénergie ?
• 2/ Transformation dénergie
• 3/ Conservation de lénergie
• II. ENERGIES RENOUVELABLES ?
• 1/ Energie solaire
• 2/ Energie hydraulique
• 3/ Energie éolienne
• 4/ Energie de la biomasse
• 5/ Energie géothermique
• III.   PRODUCTION DENERGIE ELECTRIQUE
• 1/ Energie électrique produite en France
• 2/ Centrales électriques  thermique hydraulique
  nucléaire
• 3/ Energie éolienne
• 4/ Energie photovoltaïque et centrales
  photovoltaïques
• 5/ Cogénération
• 6/ Sources dénergie autonomes

4
I. LES DIFFERENTES FORMES DENERGIE
1/ Introduction Quest ce que lénergie ?
L'énergie est difficile à définir simplement
autrement qu'à travers ses effets et ses
variations pour le transport, pour le chauffage
des habitations, pour l'industrie, pour
l'éclairage et autres appareils électriques...
Un système possède donc de l'énergie s'il est
capable de fournir du travail mécanique ou son
équivalent...
mécanique
lumineuse
thermique
électrique
chimique
Rem  L'unité du SI pour lénergie est le joule
(J). Mais en électricité on utilise aussi le
wattheure (Wh), les économistes utilisent plutôt
la tonne d'équivalent pétrole (tep avec
1tep42GJ), les médecins nutritionnistes la
calorie (cal avec 1cal4,18J)
5
2/ Transformation dénergie
Exemple
Énergie utile fournie
Énergie consommée
Radiateur électrique Lampe électrique Moteur
électrique Accumulateur en charge Transformateur

THERMIQUE (chaleur)
RAYONNANTE (lumière)
ÉNERGIE ELECTRIQUE
MECANIQUE (travail)
CHIMIQUE
ELECTRIQUE
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3/ Conservation de lénergie
a) Enoncé du principe  lénergie totale dun
système isolé reste constante.
b) Exemple dapplication  moteur électrique
Wa
Wmu
ENERGIE MECANIQUE UTILE
ÉNERGIE ELECTRIQUE ABSORBEE
Wj
Wf
Wfer
ENERGIE THERMIQUE (effet joule)
ENERGIE MECANIQUE (frottements)
ENERGIE DUE AUX PERTES FER
Wa Wj Wfer Wf Wum
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c) Rendement ? cest le rapport entre lénergie
utile en sortie du convertisseur et lénergie
reçue par celui-ci.
? Wutile / Wabsorbée
Rem  Cette grandeur est sans unité, et peut
sexprimer en . Exemple  38 pour une centrale
électrique thermique 40 pour un moteur à
essence 5 pour une ampoule classique
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II.ENERGIES RENOUVELABLES ?
Une énergie renouvelable est une source dénergie
qui se renouvelle assez rapidement pour être
considérée comme inépuisable à léchelle de
lhomme. Les énergies renouvelables sont issues
de phénomènes naturels réguliers ou constants
provoqués par les astres, principalement le
Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée)
et la Terre (énergie géothermique). Aujourd'hui,
on assimile souvent par abus de langage les
énergies renouvelables aux énergies propres.
9
1/ Energie solaire
Chauffe eau solaire
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Centrales électriques thermiques solaires
(miroirs paraboliques ou cylindroparaboliques)
Déjà dans lantiquité, les Grecs allumaient la
flamme des Jeux olympiques à laide dun miroir
parabolique (skafia)
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Centrales électriques thermiques solaires
(miroirs plans)
Puissance qui peut atteindre 150MW (californie
 solar two )
Fours solaires (ici four dOdeillo dans les
Pyrénées-Orientales)
Température qui peut atteindre 3800C ?
traitement thermique de certains matériaux
puissance 1000kW
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2/ Energie hydraulique
L'énergie hydraulique est lénergie mise en jeu
lors du déplacement ou de l'accumulation d'un
fluide incompressible telle que l'eau douce ou
l'eau de mer. Ce déplacement va produire un
travail mécanique qui est utilisé directement ou
converti sous forme d'électricité. Applications
Celle-ci est donc utilisée dans les barrages
pour permettrent de produire de lélectricité,
mais aussi dans la mer avec lénergie
marémotrice, lénergie des vagues et lénergie
hydrolienne qui utilisent la puissance due aux
déplacements de l'eau de mer pour faire tourner
des turbines et entraîner ainsi des alternateurs.
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La grande au monde
Usine marémotrice (de la Rance en Bretagne) qui
utilise lénergie due aux marées
Hydroliennes qui utilisent la force des
courants marins
Puissance 240MW
Barrage hydraulique
14
3/ Energie éolienne
Elle utilise la force du vent. Celui-ci est dû à
des différences de pressions atmosphériques
locales qui proviennent de différences
d'échauffement de l'air par le soleil.
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4/ Energie de la biomasse
La biomasse (ensemble de la matière végétale) est
une véritable réserve dénergie, captée à partir
du soleil grâce à la photosynthèse. (processus
biologique au cours duquel les végétaux
utilisent, grâce à l'énergie lumineuse, le gaz
carbonique et l'eau pour produire des sucres
(amidons notamment) et rejeter de l'oxygène).
Combustion de résidus forestiers dans chaudière
Production dénergie par
Fermentation (méthanisation) production de
biogaz ou biocarburants
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5/ Energie géothermique
La géothermie consiste à capter la chaleur
contenue dans la croûte terrestre pour produire
du chauffage ou de lélectricité.

• Applications suivant la profondeur
• Production délectricité (en France centrale
  géothermique de Bouillante en Guadeloupe qui
  permet lalimentation de 9 de besoins de lîle)
• Réseaux de chauffage urbain
• Chauffage et climatisation individuelle

17
III.   PRODUCTION DENERGIE ELECTRIQUE
1/ Energie électrique produite en France
énergie électrique produite en France en 2006
? Calculer la part de production en pour les
différents modes de production dans le tableau.
18
2/ Centrales électriques  thermique,
hydraulique nucléaire
Elles transforment des sources dénergie
naturelle en énergie électrique.
a) Centrale thermique
Une centrale thermique classique produit de
l'énergie électrique à partir de l'énergie
thermique de combustion de plusieurs milliers de
tonnes par jour d'un fossile (charbon, pétrole,
gaz), préalablement convertie en énergie
mécanique par une turbine à vapeur.
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b) Centrale hydraulique
Une centrale hydraulique produit de l'énergie
électrique en utilisant lénergie hydraulique de
leau accumulée dans les barrages. Cette énergie
entraîne les turbines dun alternateur.
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c) Centrale nucléaire
Une centrale nucléaire produit de l'énergie
électrique en utilisant la fission nucléaire pour
produire la chaleur nécessaire à la production de
lélectricité. Elle utilise pour cela la chaleur
libérée par l'uranium qui constitue le
"combustible nucléaire". L'objectif est de faire
chauffer de l'eau afin d'obtenir de la vapeur. La
pression de la vapeur permet de faire tourner à
grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un
alternateur qui produit de l'électricité.
(principe similaire à celui dune centrale
thermique)
21
Exemple 1 Centrale nucléaire de ST Alban du
Rhône (Isère - 50km de Lyon)
Mise en service 1985
2 réacteurs de 1300MW
Produit en moyenne par an 16 milliard de kWh soit
par an lénergie consommée par 11 villes comme
Lyon.
22
Exemple 2 Centrale nucléaire du Bugey à
Saint-Vulbas (Ain 30km de Lyon)
Mise en service 1972
4 réacteurs de 925MW
Produit en moyenne par an 25 milliard de kWh soit
40 de la consommation de la région Rhône-alpes.
23
3/ Energie éolienne

• Elle peut être utilisée de 2 manières
• conservation de lénergie mécanique navire à
  voile, pour pomper leau, pour faire tourner la
  meule dun moulin.

• transformation en énergie électrique
  léolienne ou aérogénérateur directement relié au
  réseau ou de manière indépendante

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Eolienne à vitesse variable connectée au réseau
Voir TP physique appliquée génératrice
asynchrone
25
Fonctionnement dune cellule photovoltaïque
4/ Energie photovoltaïque et centrale
photovoltaïque
semi-conducteur
26
Panneau solaire Fabrication des modules
Il est fondu (temp 1430C) en lingot
Le lingot est découpé en briques
Le silicium est placé dans un creuset
Lénergie nécessaire à la fabrication dun module
représente10 de lénergie que ce module
produira pendant sa vie
Les plaques sont transformées en cellules (dopage
bore phosphore,couche antireflets, contact
métalliques)
Les cellules sont assemblées pour constituer un
module et encapsulées dans du plastique
Les briques sont découpées en plaques
27
Applications
1 m² de cellules photovoltaïques délivre une
puissance d'environ 100 à 200 W.
28
Centrales électriques photovoltaïques
En France à la Réunion 10 000 m² / 1,35MW
En Allemagne  la bavaria solar park 
Au Portugal à Serpa
En Allemagne, on trouvait la plus grande centrale
solaire photovoltaïque au monde (production de 10
MW (un réacteur nucléaire standard produit
environ 1500 MW). Sa superficie est équivalente à
56 terrains de football. En mars 2007, au
Portugal, une autre centrale a été inaugurée
encore plus grande et pourra produire 11MW
(consommation de 8000 foyers), avec 52000
panneaux solaires. Mais dautres projet sont en
cours dici 2010 au Portugal à  Moura  (62MW)
mais aussi en Allemagne (40MW).
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Évolution Le marché du photovoltaïque est en
plein essor avec de 30 de croissance par an au
niveau mondial. Le Japon n1 mondial et
l Allemagne pour l Europe qui est très
dynamique. (90 des installations actuelles sont
implantées au Japon, en Allemagne et aux
États-unis). La production de Silicium destiné au
photovoltaïque n étant pas suffisante par
rapport à la demande ? développement de nouvelles
cellules à base de Cuivre Indium Sélénium (CIS)
(couche déposée fine et possibilité d utiliser
des supports flexibles).
30
5/ Cogénération

• La cogénération consiste à produire en même temps
  et dans la même installation de lénergie
  thermique (chaleur) et de lénergie mécanique.
• énergie thermique ? chauffage
• ? production deau chaude par échangeur.
• Lénergie mécanique transformée en énergie
  électrique (alternateur). Elle est ensuite
  revendue à EDF ou consommée par
  linstallation.énergie de départ utilisée gaz
  naturel, fioul ou toute forme dénergie locale
  (géothermie, biomasse) ou liée à la valorisation
  des déchets (incinération des ordures
  ménagères).

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Exemple de centrale de cogénération (installation
Rosen en Italie) Cette centrale est implantée
dans une usine chimique (production de chlore,
soude caustique, eau oxygénée). En 1997 la
centrale de cogénération a été implantée sur le
même site. Elle apporte à lusine  Une
puissance électrique de 356MW pour permettre la
continuité de la fourniture électrique en cas de
problème sur le réseau électrique national Une
puissance thermique grâce à la production de
vapeur surchauffée.
Avantages  rendement très bon (gt90) ? 30 à
40 de lénergie primaire sont transformés en
énergie électrique, tandis que 50 à 60 se
retrouvent sous forme de chaleur moins
démission de polluants dans latmosphère et
limitation démission de gaz à effet de serre.
Les limites  problème de proximité entre la
centrale de cogénération et les différents lieux
où on veut récupérer lénergie thermique.
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• 6/ Sources dénergie autonomes
• Piles électriques

Elles transforment lénergie chimique en énergie
électrique et ceci grâce à des réactions
doxydoréduction. La pile électrique a été
inventé en 1800 par Alessandro Volta.
? Principe de fonctionnement de la pile Daniel
A lélectrode négative on observe une oxydation
du zinc Zn (métal)  ?    Zn2 (solution) 2 e-
du zinc passe en solution, transformé en ions
Zn2 et des électrons sont libérés vont pouvoir
quitter lélectrode et traverser le circuit
extérieur.  A lélectrode positive on observe une
réduction des ions cuivre  Cu2(solution) 2
e-  ? Cu (métal)   Les ions Cu2 de la solution
se déposent à l'état de cuivre sur lélectrode en
cuivre. Les électrons nécessaires à cette
réduction arrivent à lélectrode positive par le
circuit extérieur, en provenance de la lame de
zinc.  Au bilan on a la réaction doxydo
réduction suivante         Zn Cu2
    ?        Zn2 Cu                  Rem le
pont salin (KCl) rétablit la neutralité
électrique des solutions)
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? Grandeurs caractéristiques - fém E,
résistance interne r Sa caractéristique
tension-courant est UPNE-rI - Quantité
délectricité débitée Q I.t avec Q en Coulomb
(C) On appelle capacité dune pile la quantité
maximale délectricité fournie par la pile.
? piles électrochimiques usuelles La pile
zinc/carbone ou pile Leclanché (pile saline)
(bâton) capacité de stockage limitée /ne peut
être utilisée que dans des appareils qui ne
consomment pas beaucoup dénergie (radio,
calculette, télécommande, réveil,...) /il arrive
quelle coule / deux fois moins cher que les
piles alcalines / durent deux à trois fois moins
longtemps. La pile alcaline (bâton, bouton) très
performante /grande capacité de stockage /longue
durée de vie / type de pile très répandu. La
pile à oxyde dargent (bouton) Pour montres,
calculettes, gadgets La pile au lithium (bouton)
grande pile bouton / très plate /utilisée dans
les montres, les calculettes /mais beaucoup cher
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b) Accumulateur
Il transforme aussi lénergie chimique en énergie
électrique et ceci grâce à des réactions
doxydoréduction mais est réversible. Il est
rechargeable par opposition à une pile qui ne
l'est pas. (Le terme batterie est alors utilisé
pour caractériser un assemblage de cellules
élémentaires, en général rechargeables mais
attention en anglais on ne fait pas la
distinction).
? Principe de fonctionnement de laccumulateur au
plomb (inventé en 1860 par Planté) Il est
constitué de deux plaques de plomb (électrodes)
plongée dans une solution d'acide sulfurique
(2H  SO42-). Lorsqu'il a été chargé au
préalable par un générateur entre ces deux
électrodes il existe comme pour une pile une fém.
Pendant la décharge on a une oxydation du
plomb à l'anode libérant ainsi des électrons
(l'électrode diminue de volume). Ceux-ci arrivent
à la cathode où il y a une réduction de l'oxyde
de plomb qui se transforme en ions Pb2
(diminution de la couche d'oxyde de
Plomb). Pendant la charge Un générateur est
branché aux bornes de l'accumulateur. On observe
là aussi une oxydation à l'anode (qui permet de
reformer une couche d'oxyde de plomb, et une
réduction à la cathode qui permet de reformer
l'électrode de plomb.
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• ? Grandeurs caractéristiques
• Suivant la technologie utilisée on aura des
  tensions plus ou moins grandes. Mais un
  accumulateur est pour l'essentiel défini par
  trois grandeurs
• Sa densité d'énergie massique (ou volumique), en
  watt-heure par kilogramme, Wh/kg (ou en
  watt-heure par litre, Wh/l), correspond à la
  quantité d'énergie stockée par unité de masse (ou
  de volume) d'accumulateur.
• Sa densité de puissance massique, en watt par
  kilogramme (W/kg), représente la puissance
  (énergie électrique fournie par unité de temps)
  que peut délivrer l'unité de masse
  d'accumulateur.
• Sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycles,
  caractérise la durée de vie de l'accumulateur,
  c'est-à-dire le nombre de fois où il peut
  restituer le même niveau d'énergie après chaque
  nouvelle recharge.

36
Jusqu'à la fin des années 80, les deux
principales technologies répandues sur le marché
étaient les accumulateurs au plomb (pour le
démarrage de véhicules, l'alimentation de secours
de centraux téléphoniques...) et les
accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable,
jouets, éclairage de secours...). Les
inconvénients relevés sur la technologie au plomb
(poids, fragilité, utilisation d'un liquide
corrosif) ont conduit au développement
daccumulateur alcalins, de plus grande capacité
(quantité d'électricité restituée à la décharge)
mais développant une fém plus faible. Les
technologies au plomb, comme les accumulateurs
alcalins, se caractérisent par une grande
fiabilité, mais leurs densités d'énergie
massiques restent relativement faibles (30 Wh/kg
pour le plomb, 50 Wh/kg pour le
nickel-cadmium).Au début des années 90, avec la
croissance du marché des équipements portables,
deux filières technologiques nouvelles ont
émergées  les accumulateurs nickel-métal hydrure
et les accumulateurs au lithium.
? Différents types d'accumulateurs Evolution
Type Énergie massique Tension d'un élément Durée de vie(nombre de recharges) Temps de charge auto-déchargepar mois
Plomb 30-50 Wh/kg 2 V 200-300 8-16 h 5
Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 1 500 1 h 20
Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1,25 V 300-500 2-4 h 30
Li-ion 110-160 Wh/kg 3,7 V 500-1 000 2-4 h 10
Li-Po 100-130 Wh/kg 3,7 V 300-500 2-4 h 10
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c) Pile à combustible
Elles transforment aussi lénergie chimique en
énergie électrique et ceci grâce à des réactions
doxydoréduction.
? Principe de fonctionnement dune pile à
hydrogène Elle possède une cathode et une anode
séparées par un électrolyte qui assure entre
autre le passage du courant par transfert ionique
des charges. Comme une pile classique, elle
consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son
réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de
fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en
hydrogène et oxygène. Le réducteur peut aussi
être du méthanol ou du gaz naturel.
À l'anode H2 ? 2H  2e (oxydation) ?
production de 2 électrons par molécule de
dihydrogène. L'ion H passe de l'anode à la
cathode et provoque un courant électrique par
transfert des électrons dans le circuit
électrique. À la cathode O2  4H  4e ? 2H2O
(réduction) Les réactions sont rendues possibles
par la présence d'un catalyseur de dissociation
de la molécule de dihydrogène qui peut être une
fine couche de platine divisé sur un support
poreux qui constitue l'électrode à hydrogène.
38
? Intérêts Fonctionnement propre car elle ne
produit que de leau et consomme uniquement des
gaz. ? Difficultés Une des difficultés majeure
réside dans la synthèse et l'approvisionnement en
dihydrogène. Dans la nature, l'hydrogène n'existe
en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O),
au soufre (H2S) et au carbone (combustibles
fossiles de types gaz ou pétroles). La production
de dihydrogène nécessite donc soit de consommer
des combustibles fossiles, soit de disposer
d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour
l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau,
par voie thermique ou électrochimique. Ensuite,
le dihydrogène peut être comprimé dans des
bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou
700 bar), ou liquéfié ou combiné chimiquement
sous forme de méthanol ou de méthane qui seront
ensuite transformés pour libérer du dihydrogène.
Les rendements énergétiques cumulés des synthèses
du dihydrogène, de compression ou liquéfaction,
sont généralement assez faibles. ? Applications
et perspectives Dans le domaine spatial tout
dabord (années 1960) puis grâce à la baisse des
prix, son utilisation croît dans de nouveaux
domaines (notamment pour alimenter des prototypes
d'ordinateurs portables, de téléphone portable ou
d'appareil photos ou encore de véhicules propres).
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Travail de recherche documentaire proposé aux
élèves

• Recherche en amont du cours du principe de
  fonctionnement dune pile, dun accumulateur,
  dune pile à combustible .
• Recherche des dangers des métaux lourds utilisés
  dans les piles ou accumulateurs cadmium, plomb
  .

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Cours en lien avec

• Proposition dévaluation à partir dun bilan
• 1 TP de physique appliquée
• En essais de systèmes application au panneau
  solaire du système  couveuse 

41
Propositions dévaluations
42
1.Evaluation à partir de la production électrique
dorigine renouvelable en 2005 et en 2006.
Exploitations 1/ Que peut-on dire de
lévolution de la production globale
délectricité dorigine renouvelable sur les deux
années ? 2/ Calculer en la part de chacun des
domaines dans la production électrique. 3/ Quel
domaine est en plein essor ? Evaluer cette
progression.
Production électrique et thermique dorigine
renouvelable (source Observatoire de lénergie)
2.Evaluation sur le principe de fonctionnement
des centrales
Questions 1/ Expliquer le principe de
fonctionnement dune centrale nucléaire. Faire un
schéma pour illustrer. 2/ Expliquer pourquoi les
centrales nucléaires sont construites au bord de
leau. 3/ Que séchappe-t-il des réacteur des
centrales nucléaires ? 4/ Quelle(s)
différence(s) y a-t-il avec une centrale
thermique ?
43
3.Faire travailler les élèves à partir de bilans

à poursuivre ..
44
Compétences évaluées

• 1.Analyser un bilan
• ? extraire des informations
• ? analyser ces informations
• ? retranscrire cette analyse à lécrit .
  (pourquoi pas à loral)
• ? calculer des pourcentages (moyen de vérifier)
• 2.Expliquer le principe de fonctionnement dun
  système
• illustrer par un schéma simple
• restituer à lécrit ou oral le principe

45
TP de physique appliquée

• GENERATRICE
• ASYNCHRONE

46
Enoncé du TP
47
Mesures Caractéristiques
48
Essais de systèmes

• Panneau solaire de la couveuse

49
Enoncé
50
Difficultés rencontrées

• Définir lénergie .
• Difficultés pour calculer le rendement dun
  panneau solaire . Pour passer de grandeurs
  photométrique (éclairement) aux grandeurs
  énergétiques .