Physique & Chimie au lycée

Cours de physique-chimie pour les classes de 1ère et Terminale

Sommaire
SP-1 ES-1
SP-T ES-T
3e SNT
Divers Annales

2.2 Production et stockage de l’électricité

Production d’électricité sans combustion

  • Décrire des exemples de chaînes de transformations énergétiques permettant d’obtenir de l’énergie électrique à partir de différentes ressources primaires d’énergie.
  • Calculer le rendement global d’un système de conversion d’énergie.

La majeure partie de l’électricité produite dans le monde implique une combustion de ressources fossiles (charbon, pétrole, gaz), génératrice de $*\ce{CO2}*$. Le $*\ce{CO2}*$ est le principal gaz responsable du changement climatique. Il faut donc trouver d’autres moyens de produire de l’électricité.

Quelle sont les modes de production de l’électricité qui n’implique pas de combustion ?

Conversion d’énergie mécanique

On l’a vu au chapitre précédent, la conversion d’énergie mécanique en énergie électrique implique un alternateur.

Les sources d’énergie mécanique dans la Nature sont le vent (utilisé par les éoliennes) et le mouvement de l’eau (utilisé par les barrages hydroélectriques, les hydroliennes et les usines marémotrices).

Barrage hydroélectrique
Centrale maremotrice

Conversion d’énergie thermique

Ces dispositifs fonctionnent à partir d’une source de chaleur intense qui permet de former de la vapeur d’eau sous pression. Cette vapeur d’eau entraîne une turbine reliée à un alternateur qui produit du courant électrique.

Le principe est absolument le même que pour les centrales à combustion. Seule la source de chaleur change : elle n’est pas due à la combustion de combustible fossile.

  • Centrale nucléaire : la chaleur est produite par la fission nucléaire d’uranium 235.
  • Centrale solaire thermique : la chaleur est produite par une concentration des rayons solaires à l’aide de grands miroirs paraboliques.
  • Centrale géothermique : la source de chaleur est géologique. Il faut donc se trouver dans une région ayant une activité volcanique.

Conversion d’énergie radiative

Il s’agit des panneaux photovoltaïques, dont nous avons déjà largement parlé dans le chapitre précédent.

Conversion d’énergie chimique

C’est historiquement, la première forme de production de l’énergie électrique (milieu du XIXe siècle). Dans une pile, deux réactifs échangent des électrons au cours d’une réaction chimique qui se déroule à l’intérieur de la pile.

Pile Daniell (1836)

Exposés production d’électricité

Par groupes de 2 au maximum

Présenter un mode de production d’énergie électrique (autre que par l’utilisation de combustibles fossiles, par les panneaux photovoltaïques et par la fission de l’uranium).

  • Comment l’énergie électrique est produite (principes physiques)
  • Avantages / Inconvénients
  • Quelques chiffres sur la production d’électricité par ce moyen

5 minutes d’exposé par groupe + 2 diapos ou images ou PDF

Stockage de l’énergie

À moins de produire de l’énergie au moment même où on en a besoin, et dans la quantité exacte dont on a besoin, le stockage de l’énergie est un aspect majeur de son utilisation, au même titre que sa production

Le pétrole a cet avantage très important de pouvoir être stocké facilement. Il suffit d’un réservoir étanche. Mais stocker de l’énergie électrique produite par des sources intermittentes n’est pas un problème facile à résoudre. Il existe néanmoins plusieurs solutions dont bien-sûr aucune n’est parfaite. 😊

Accumulateurs

Les accumulateurs sont des piles rechargeables. Lorsqu’ils se déchargent, l’énergie chimique des réactifs est transformée en énergie électrique grâce à une réaction chimique. Mais il est possible d’inverser cette réaction chimique en apportant de l’énergie électrique. C’est ce qu’on appelle « recharger » une pile ou un batterie. Il s’agit ici d’un stockage d’énergie sous forme chimique.

Stockage d’énergie potentielle

L’énergie potentielle de pesanteur $*E_{pp}*$ est l’énergie d’une masse liée à son altitude.

$µ E_{pp} = mgz µ$ $*m*$ : masse (kg)
$*g*$ : intensité du champ de pesanteur (N·kg-1)
$*z*$ : altitude (m)

Si vous élevez une masse de 1 kg d’une hauteur de 1 m, vous lui communiquez une énergie de 1×9,8×1 = 9,8 J. Qu’elle gardera tant qu’elle se trouve à sa nouvelle altitude.
9,8 J, ce n’est pas beaucoup… Mais si vous élevez des milliers de tonnes d’eau de plusieurs dizaines de mètres, ça peut faire beaucoup d’énergie. Et c’est justement ce qui est fait au niveau de certains barrages électriques.
Des pompes amènent l’eau située dans le bassin inférieur vers le bassin supérieur. Ces pompes fonctionnent lorsque la quantité d’énergie produite est supérieure à la demande. L’énergie ainsi stockée peut être récupérée plus tard, en faisant passer cette eau par une turbine, comme dans un barrage hydroélectrique classique.

Supercondensateurs

Les condensateurs et supercondensateurs peuvent accumuler des charges et donc stocker de l’énergie sous forme électromagnétique. Par rapport aux accumulateurs, ils sont capables de se charger et de se décharger extrêmement vite, mais ne peuvent stocker qu’une quantité d’énergie modeste. Ils sont de plus en plus utilisés dans les véhicules électriques pour stocker l’énergie cinétique perdue lors d’un freinage afin de pouvoir la restituer rapidement lors d’une accélération.

Pile à hydrogène

Dans une pile à combustible fonctionnant à l’hydrogène (souvent appelée « pile à hydrogène »), un réservoir de dihydrogène $*\ce{H2}*$ alimente la pile. Il s’agit d’un des deux réactifs nécessaires, l’autre étant le dioxygène $*\ce{O2}*$ directement pris dans l’air.

Schéma d’une pile à hydrogène

Une pile à hydrogène peut atteindre 55 % de rendement électrique. C’est-à-dire qu’elle peut convertir 55 % de l’énergie chimique qu’elle reçoit de ses réactifs en énergie électrique.

Mais le dihydrogène n’existe pas à l’état naturel. Il faut le former par électrolyse de l’eau, ce qui nécessite un apport d’énergie électrique. Le rendement de cette transformation est d’environ 70 %.

Enfin, pour être stocké en quantité raisonnable, le dihydrogène mis sous haute pression. Cela nécessite une consommation d’énergie correspondant à environ 20 % de l’énergie chimique qui peut être libérée par la combustion du $*\ce{H2}*$.

1. Écrire l’équation-bilan de la réaction se déroulant au sein de la pile

2. Calculer le rendement global de la chaîne « électricité → dihydrogène → électricité ». Comparer ce rendement au rendement d’un cycle de charge et décharge d’une batterie au lithium, de l’ordre de 90 %.

La pile à hydrogène semble être la nouvelle solution « à la mode » pour faire face au défi énergétique.

3. Proposer au moins un argument en faveur de ce choix et au moins un autre contre ce choix. Vous pouvez vous documenter sur Internet.

4. Justifier que l’hydrogène n’est pas une source d’énergie, mais un moyen de stockage de l’énergie.

Correction

1. $*\ce{H2 + 1/2 O2 \rightarrow H2O}*$

2. Si on par de 100 J d’énergie électrique, on obtient 70 J d’énergie chimique. Cette énergie chimique peut produire 70×0,55 = 38,5 J d’énergie électrique par la pile à hydrogène. Enfin, l’énergie pour compresser le dihydrogène consomme 70×0,20 = 14 J. Donc le bilan global est de 38,5 – 14 = 24,5 J récupérer pour 100 J au départ, soit un rendement global de 24,5 %. C’est très faible comparé à une batterie au lithium.

3. En faveur de la pile à hydrogène : sa « recharge est très rapide ». Contre la pile à hydrogène : faible rendement.

Une tour de blocs de béton pour stocker l’électricité

La start-up suisse Energy Vault a conçu un système de stockage d’électricité exploitant l’énergie potentielle de pesanteur d’énormes blocs de béton.

Une grue à six branches de 120 mètres de hauteur hisse des blocs de béton de 8 m3 pesant près de 35 tonnes au sommet d’une tour (les blocs sont empilés les uns sur les autres) lorsque de l’électricité excédentaire sur le réseau doit être stockée et sont redescendus pour restituer de l’électricité lors des périodes de forte demande.

1. Calculer l’énergie potentielle de pesanteur d’un bloc de béton (prendre $*g*$ = 10 N·kg-1) situé à 100 m de hauteur.

Le rendement des meilleurs moteurs électriques et des meilleurs alternateurs vaut 90 %.

2.a. Calculer l’énergie électrique produite par la descente d’un bloc de béton de 100 m de hauteur jusqu’au sol.

2.b. Calculer l’énergie nécessaire pour hisser un bloc de béton du sol jusqu’à 100 m de hauteur.

2.c. Quel est le rendement global de ce système de stockage ?

Le rendement des tours de béton avoisinerait 85 % selon Energy Vault.

3. Cette valeur vous paraît-elle plausible ? Commentez-la, en la comparant avec le rendement d’un cycle de charge-décharge d’une batterie au lithium qui est d’environ 90 %.

4. Comparez l’énergie électrique produite par la descente d’un bloc de béton d’une altitude de 100 m à la consommation domestique quotidienne « moyenne » d’énergie électrique pour une personne, qui est d’environ 4 kW·h.

5. Une batterie au lithium capable de stocker 1 kW·h coûte environ 400 €. D’après la société Energy Vault, une tour est capable de stocker 20 MW·h. Une telle association coûte environ 2,7 millions d’euros. Est-ce une solution de stockage économiquement intéressante ?

Impacts écologiques & autres contraintes

  • Comparer différents dispositifs de stockage d’énergie selon différents critères (masses mises en jeu, capacité et durée de stockage, impact écologique).
  • Analyser des documents présentant les conséquences de l’utilisation de ressources géologiques (métaux rares, etc.).

Si les différentes méthodes de production d’énergie électrique sans combustion et de stockage d’énergie citées dans ce cours ne sont pas émettrices de $*\ce{CO2}*$ lors de leur fonctionnement, elles ne sont cependant pas sans impact sur l’Environnement, ni sans contraintes d’utilisation.

Il faut en effet prendre en compte différentes contraintes autres que l’émission de $*\ce{CO2}*$ :

  • le coût d’installation
  • l’énergie nécessaire à la fabrication
  • le caractère intermittent de la source d’énergie
  • les contraintes environnementales nécessaires à l’utilisation du dispositif (climat ensoleillé, présence de vent, de la mer, de montagne…)
  • la durée de vie du système
  • les déchets générés par le dispositif en fin de vie
  • l’exploitation de ressources rares
  • le rapport « espace occupé » sur « énergie produite »
  • l’impact esthétique

Contraintes du stockage d’énergie par les tours de béton

Pour chaque point mentionnés dans le paragraphe du cours, analysez le cas des tours de béton d’Energy Vault.