Fiche de révision : Énergie et défis énergétiques

📋 Plan du Cours

1. Définition et mesure de l’énergie
2. Conservation et transformations énergétiques
3. Puissance et unités énergétiques
4. Ordres de grandeur et consommations
5. Chaleur et moteurs thermiques
6. Production électrique et intermittence
7. Stockage et équilibre du réseau
8. Scénario renouvelable et infrastructures
9. Défis énergétiques du XXIe siècle
10. Technologies de stockage électrique

📖 1. Définition et mesure de l’énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie : Grandeur mesurable associée à tout système, qui dépend de paramètres tels que la position, la vitesse, la température, la pression et les interactions.

★ À maîtriser

• L’unité de l’énergie dans le système international est le joule (J).

Compléments

• Jean Bernouilli introduit l’énergie dans le vocabulaire scientifique en 1717 comme le produit d’une force par un déplacement, notion aujourd’hui appelée travail mécanique.

📖 2. Conservation et transformations énergétiques

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie cinétique d’un corps de masse $m$ et de vitesse $V$ vaut $E_{cinétique}=\frac{1}{2}mV^2$.

📐 Formule - L’énergie potentielle gravitationnelle à la hauteur $h$ vaut $E_{potentielle}=mgh$.

📌 Lors d’une transformation, l’énergie totale se conserve : elle ne peut être ni créée ni détruite, mais sa forme peut changer. - Max Planck, 1887

Compléments

• Lors d’une chute, l’énergie potentielle gravitationnelle se transforme en énergie cinétique.

• Les formes d’énergie citées comprennent :

  • l’énergie mécanique
  • l’énergie potentielle
  • l’énergie cinétique
  • l’énergie chimique
  • l’énergie nucléaire
  • l’énergie thermique
  • l’énergie électrique
  • l’énergie de radiation

💡 Astuce mémo

Transformation → échange d’énergie, sans création ni destruction.

📖 3. Puissance et unités énergétiques

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance est l’énergie transférée par unité de temps : $P=\frac{E}{t}$.

• Un watt (W) équivaut à un joule par seconde (J/s).

📐 Formule - Un kilowattheure vaut $1\text{ kWh}=3{,}6\text{ MJ}$.

Compléments

📐 Formule - L’énergie transférée pendant une durée $t$ par une puissance $P$ vaut $E=Pt$.

• Les multiples énergétiques indiqués sont le kilowattheure, le mégawattheure, le gigawattheure et le térawattheure, chaque préfixe successif multipliant la valeur par 1 000.

📖 4. Ordres de grandeur et consommations

★ À maîtriser

• Une tonne équivalent pétrole (tep) vaut 11 600 kWh, soit 11,6 MWh.

• La consommation finale énergétique de la France est donnée comme 144 Mtep, soit environ 1 700 TWh par an.

Compléments

• La consommation énergétique annuelle moyenne indiquée est d’environ 25 000 kWh par habitant en France.

• Une puissance constante de $1\text{ GW}$ pendant un an produit $8{,}76\text{ TWh}$.

• Chauffer 200 litres d’eau de 10 °C à 60 °C nécessite environ 11,6 kWh selon le calcul présenté.

• Le pouvoir calorifique inférieur de l’essence est indiqué à environ 32 MJ par litre, soit 11 kWh par kilogramme.

📖 5. Chaleur et moteurs thermiques

★ À maîtriser

📐 Formule - Dans un gaz monoatomique, l’énergie cinétique moyenne d’une particule vérifie $\frac{1}{2}m\langle u^2\rangle=\frac{3}{2}k_BT$, où $k_B=1{,}38\times10^{-23}\text{ J/K}$ est la constante de Boltzmann.

📐 Formule - Pour un moteur thermique, le travail fourni est $W=Q_1-Q_2$, où $Q_1$ est la chaleur reçue de la source chaude et $Q_2$ la chaleur rejetée vers la source froide.

📐 Formule - Le rendement d’un moteur thermique est $R=\frac{W}{Q_1}\leq1-\frac{T_2}{T_1}$, avec les températures exprimées en kelvins.

Compléments

📐 Formule - La température en kelvins se calcule par $T(\mathrm K)=T(°\mathrm C)+273$.

• Le cours indique des rendements d’environ 25 à 35 % pour les moteurs thermiques et d’environ 30 à 40 % pour la conversion de chaleur en électricité.

• La cogénération peut atteindre un rendement d’environ 85 % en valorisant conjointement travail et chaleur.

💡 Astuce mémo

La chaleur Q₁ entre par la source chaude ; le travail W sort du moteur.

📖 6. Production électrique et intermittence

★ À maîtriser

• Le facteur de charge éolien en France est de 23,2 % en 2021, pour une puissance moyenne annuelle indiquée de 4,21 GW.

• Le facteur de charge photovoltaïque en France est de 13,9 % en 2021, pour une puissance moyenne annuelle indiquée de 1,60 GW.

Compléments

• En France en 2019, l’électricité représente 23 % de l’énergie indiquée dans le bilan présenté.

• La puissance éolienne installée indiquée pour la France en 2021 est de 18,9 GWc.

• La puissance photovoltaïque installée indiquée pour la France en 2021 est de 13,5 GWc.

• La consommation électrique nette française en 2021 est donnée comme 468 TWh.

📖 7. Stockage et équilibre du réseau

★ À maîtriser

• Pour le scénario de production 100 % renouvelable étudié à partir de 2021, le volume de stockage nécessaire est estimé à environ 30 TWh.

📐 Formule - Le rendement du stockage électrique est le rapport entre l’énergie restituée et l’énergie excédentaire stockée : $R=\frac{E_{restituée}}{E_{excédentaire}}$.

Compléments

• Dans ce scénario, les pointes de surproduction et de sous-production atteignent respectivement environ 100 GW et 60 GW.

• Le mix éolien-solaire associé au minimum de stockage est estimé à environ 80 % d’éolien et 20 % de solaire.

• La capacité de stockage des STEP françaises en 2018 est indiquée à 0,184 TWh, soit environ 0,6 % du besoin estimé à 30 TWh.

📖 8. Scénario renouvelable et infrastructures

★ À maîtriser

• Le scénario 100 % renouvelable présenté associe 363 TWh d’éolien et 91 TWh de photovoltaïque.

Compléments

• La production éolienne terrestre prévue dans le scénario correspond à environ 55 000 éoliennes de 3 MWc et à 21 000 km² de parc éolien.

• La surface de panneaux photovoltaïques envisagée dans le scénario est de 39 000 hectares.

• Le potentiel français indiqué pour l’éolien en mer est de 30 GWc, correspondant à environ 100 TWh.

• Le potentiel supplémentaire de biomasse brute indiqué pour 2036 est d’environ 64 TWh, à répartir entre chaleur, biocarburants, biogaz et électricité. - www.strategie.gouv.fr

📖 9. Défis énergétiques du XXIe siècle

★ À maîtriser

• Le scénario de référence RTE prévoit 645 TWh d’électricité consommée en 2050, tandis que les scénarios RTE vont de 555 à 752 TWh.

• Les objectifs de sobriété présentés prévoient une réduction de 40 % de la consommation énergétique, malgré une hausse de la part électrique.

Compléments

• L’intermittence et le stockage de masse restent des défis majeurs pour l’approvisionnement électrique.

• Le maintien de sources pilotables est présenté comme un enjeu, avec le nucléaire cité pour la France et le fossile pour l’Allemagne.

• La transition énergétique est présentée comme exigeant un effort important d’infrastructure et suscitant des enjeux sociétaux liés à la sobriété et à son acceptabilité.

📖 10. Technologies de stockage électrique

★ À maîtriser

• En 2018, les STEP représentaient 97 % de l’énergie électrique stockée dans le monde, avec un rendement indiqué d’environ 80 %.

Compléments

• La puissance installée des STEP en France est d’environ 7 GW en 2018, avec 1 à 2 GW supplémentaires envisagés pour 2030.

• Le stockage par batteries est donné avec un rendement d’environ 75 à 80 %, tandis que sa cyclabilité est indiquée à 50 h.

• Pour le stockage d’électricité par air comprimé adiabatique avancé (AA-CAES), le rendement de turbine dépasse 70 % et le rendement du cycle complet est d’environ 56 %.

📊 Tableaux de synthèse

Facteurs de charge en France en 2021