Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3187 et n°ENSSCI3188
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La Guyane est une collectivité territoriale unique française située en Amérique du Sud. Couverte presque entièrement d’une vaste forêt tropicale humide, elle abrite environ la moitié de la biodiversité française.
La programmation pluriannuelle de l’énergie planifie la stratégie énergétique du territoire avec des objectifs d’autonomie énergétique et d’augmentation de la part des énergies renouvelables. Elle est co-élaborée par l’État et la Collectivité Territoriale de Guyane. Dans un cadre de besoins croissants en électricité et lors du débat public entourant la rédaction de cette programmation, il a été abordé l’opportunité de construire un second grand barrage hydroélectrique. Le premier grand barrage hydroélectrique étant celui de Petit Saut mis en service en 1994 sur le fleuve Sinnamary. La discussion de cette opportunité a fait naitre un débat autour de la question « Peut-on considérer un grand barrage hydroélectrique en forêt tropicale humide comme une source d’énergie électrique verte ? ». Une source d’énergie électrique verte étant ici entendue comme étantsans impact environnemental.
Dans le sujet ci-après, on étudie les apports que peut offrir la Science à ce type de questionnement. L’analyse se base sur une partie des données acquises lors de la construction et du fonctionnement du barrage de Petit Saut. Par la suite une étude technique du fonctionnement de ce moyen de production sera faite.
Document 1 – La construction de la centrale hydroélectrique de Petit-Saut
Le barrage de Petit-Saut mesure 740 m de long et 47 m de haut. Il stocke 3,5 milliards de m3 d’eau. Il est composé de 4 turbines Kaplan pour une puissance installée de 116 MW et une production annuelle moyenne de 560 GWh (1 Giga équivaut à 106 unités).
Source : d’après fr.wikipedia.org/wiki/Barrage_de_Petit-Saut
Document 2 – La consommation électrique moyenne d’un habitant en France métropolitaine et Outre-mer de 2016 à 2020
La consommation électrique annuelle dans toute la France est évaluée à environ 473 TWh. Influencée par les besoins résidentiels, industriels et commerciaux, cette consommation est inégalement répartie selon les saisons et les périodes de l’année.
La baisse occasionnelle des consommations électrique en 2020 est justifiée par la crise sanitaire.
En Guyane, la consommation moyenne annuelle est de 2761 KWh/an/habitant selon l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Énergie).
Source : d’après RTE
Document 3 – Intensité carbone de différents moyens de production électrique
L’intensité en carbone est le rapport des émissions de gaz à effet de serre mesurées par leur équivalent en CO2 à la production énergétique de l’entreprise.
Dans le tableau ci-dessous, les intensités carbones indiquées sont les valeurs médianes pour les moyens de production indiqués.
| Moyen de production | Intensité carbone en gramme de CO2 par kWh |
| Biomasse | 230 |
| Charbon | 820 |
| Énergie éolienne | 12 |
| Pétrole (fioul) | 600 |
| Gaz naturel | 490 |
| Hydraulique | 24 |
| Nucléaire | 12 |
| Solaire photovoltaïque | 48 |
Source : d’après GIEC, 2018
Document 4 – Les conséquences du barrage sur les écosystèmes forestiers et aquatiques
Figure – Schéma des émissions de gaz à effet de serre du barrage de Petit-Saut
La fabrication du barrage et la création du réservoir ont entraîné l’inondation de près de 310 km2 de forêt tropicale, modifiant ainsi les écosystèmes.
La matière organique immergée sous l’eau meurt et se dégrade en émettant deux gaz à effet de serre : du CO2 et du CH4. Ces composés peuvent ensuite être émis par différentes voies vers l’atmosphère : ébullition, diffusion ou dégazage.
La somme de toutes les voies d’émissions de gaz à effet de serre (GES), que l’on appelle l’émission brute, diminue continuellement à Petit Saut depuis la mise en eau.
L’inondation de la forêt a eu des répercussions directes sur la faune locale. Le programme « Faune sauvage » avait alors comme objectif la récupération avant submersion du plus grand nombre possible d’individus menacés par la montée des eaux, pour les déplacer vers une zone voisine mais non inondée.
Source : d’après EDF, l’empreinte environnementale du barrage de Petit-Saut.
1- D’après le rapport de l’INSEE, au 1er janvier 2021, le nombre de personnes résidantes en Guyane était de 286 618. Calculer la consommation annuelle des habitants.
D’après le document 2 : « En Guyane, la consommation moyenne annuelle est de 2761 KWh/an/habitant selon l’ADEME (Agence de l’Environnement et de la Maitrise de l’Énergie). »
Nombre de personnes résidantes en Guyane 286 618.
| 1 habitant | 2761 KWh |
| 286 618 habitants | consommation annuelle des habitants |
$$Consommation\ annuelle\ des\ habitants=\frac{286\ 618\times 2761\times {10}^3}{1}$$
$$Consommation\ annuelle\ des\ habitants=7,9\times {10}^{11}\ Wh$$
2- Démontrer que la centrale hydroélectrique du barrage de Petit-Saut fournit en moyenne environ 70 % de l’énergie électrique utilisée en Guyane.
La centrale hydroélectrique du barrage de Petit-Saut produit annuellement en moyenne 560 GWh.
Calculons le pourcentage que cette production représente :
$$P=\frac{E_{barrage}}{E_{consommé\ annuellement}}\times 100$$
$$P=\frac{560\times {10}^9}{7,9\times {10}^{11}}\times 100$$
$$P=70,9\%$$
La centrale hydroélectrique du barrage de Petit-Saut fournit en moyenne environ 70 % de l’énergie électrique utilisée en Guyane.
3- En Guyane, la production d’énergie électrique est principalement portée par un mixte composé d’hydraulique, de biomasse, de photovoltaïque et de thermique au fioul. En vous appuyant sur le document 3 et le document 4, discuter de l’intérêt du barrage de Petit Saut en termes d’émission de gaz à effet de serre lors de son fonctionnement comparativement aux autres moyens de production.
La production d’énergie électrique est principalement portée par un mixte composé d’hydraulique, de biomasse, de photovoltaïque et de thermique au fioul.
D’après le Document 3, l’intensité carbone (émissions de CO₂ par kWh produit) varie selon la source d’énergie :
– Fioul (thermique) : 600 g de CO₂/kWh
– Biomasse : 230 g de CO₂/kWh
– Photovoltaïque : 48 g de CO₂/kWh
– Hydraulique : 24 g de CO₂/kWh
Le barrage de Petit-Saut, a une intensité carbone (24 g de CO₂/kWh), bien inférieure à celle des centrales thermiques au fioul et à la biomasse.
Cependant, comme l’indique le Document 4, le barrage a entraîné l’inondation de 310 km² de forêt tropicale, ce qui a causé la décomposition de la matière organique et l’émission de CO₂ et de CH₄ (méthane) qui sont des gaz à effet de serre.
Cependant, ces émissions diminuent progressivement depuis la mise en eau du barrage, ce qui signifie que son impact carbone devient de plus en plus faible avec le temps.
Ainsi, malgré un impact environnemental initial lié à l’inondation de la forêt et gaz à effet de serre, le barrage de Petit-Saut est une source d’énergie intensité carbone et avec des émissions de gaz à effet de serre qui diminuent avec le temps.
4- À partir des documents fournis, indiquer deux impacts liés à la construction du barrage sur la biodiversité.
D’après le document 3, deux impacts majeurs de la construction du barrage de Petit-Saut sur la biodiversité sont :
- La submersion de 310 km² de forêt tropicale qui a entraîné la destruction d’un écosystème, provoquant la disparition d’habitats naturels pour de nombreuses espèces animales et végétales.
- Le déplacement et la mortalité de la faune locale
5- En utilisant les réponses aux questions 2,3 et 4, proposer une synthèse permettant de contribuer au débat autour de la question « Peut-on considérer un grand barrage hydroélectrique en forêt tropicale humide comme une source d’énergie électrique verte ? ».
Un grand barrage hydroélectrique en forêt tropicale humide présente des avantages énergétiques mais aussi des impacts environnementaux négatifs.
Avec une faible intensité carbone (24 g de CO₂/kWh), il couvre 70 % de la consommation électrique en Guyane.
Cependant, la destruction de 310 km² de forêt, la perte d’habitats et l’émission de CO₂ et CH₄ (dues à la décomposition des matières organiques) nuisent à la biodiversité.
Il faut mettre en balance les bénéfices énergétiques et pertes écologiques.
Étude technique du fonctionnement d’un alternateur du barrage de Petit Saut.
6- Construire le diagramme énergétique décrivant la conversion d’énergie effectuée par le barrage de Petit-Saut.
7- Indiquer le phénomène physique exploité par l’alternateur et le siècle de sa découverte.
L’alternateur exploite le phénomène d’induction électromagnétique, découvert par Michael Faraday au XIXᵉ siècle (1831).
8- Indiquer le paramètre qui influence la fréquence du courant électrique produit.
La vitesse de rotation du rotor de l’alternateur influence la fréquence du courant électrique produit.