Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3183 et n°ENSSCI3182
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L’île de Samsø est une petite île danoise située à une centaine de kilomètres à l’ouest de Copenhague, dans le détroit de Kattegat. Presque quatre mille habitants y vivent. En 1997, cette île est devenue la première île à énergie durable du Danemark et a atteint l’autosuffisance énergétique en dix ans. Des parcs terrestres d’éoliennes et une ferme marine ont été créés. Le stockage de l’énergie est basé sur des batteries au lithium ce qui permet de répondre à la demande. Dès 2007, l’empreinte carbone de l’île, vitrine de la transition énergétique du Danemark, était négative.
Cette île peut-elle être un modèle pour la transition énergétique en France ?
Document 1 – Samsø, une île laboratoire
Les premières mesures ont été d’assurer une production électrique par 11 éoliennes terrestres réparties en trois parcs puis 10 grandes éoliennes off-shore situées à 3 km des côtes. Un relais électrique collecte la production de chaque parc et la répartit à la fois vers les habitations de l’île, jusqu’à satisfaction des besoins, et vers le réseau national danois. La balance est très nettement en faveur des exportations : trois quarts des 105 000 MWh annuels vont approvisionner le réseau national.
Source : Extrait d’un article de Planètes Énergies, 21 février 2018
Document 2 – Caractéristiques d’une éolienne
Le physicien allemand Albert Betz (1885-1968), pionnier des technologies éoliennes affirmait que 60 % seulement de l’énergie cinétique du vent intercepté par une éolienne est transformée en énergie mécanique par les pâles d’une éolienne.
- Énergie cinétique annuelle moyenne du vent intercepté par une éolienne sur l’île de Samsø en un an : 17 630 MWh
- Valeurs des énergies moyennes estimées par an pour une éolienne implantée sur l’île de Samsø:
- Énergie moyenne produite sous forme électrique : 4 200 MWh
- Énergie mécanique fournie par les pâles : 10 578 MWh
- Dimension d’une éolienne de sur l’île de Samsø :
- Diamètre du rotor : 110 m
- Hauteur totale : 150 m
Source : inspiré de https://fr.wikipedia.org/wiki/Limite_de_Betz
1- Schématiser la chaîne énergétique d’une éolienne. Nommer le phénomène physique exploité par l’alternateur dans les éoliennes.
Schéma de la chaîne de transformations énergétiques de l’éolienne.
Le phénomène physique exploité par l’alternateur dans les éoliennes est l’induction électromagnétique.
2- Calculer, en pourcentage, le rendement d’une éolienne présente sur l’île de Samsø.
Calculons le rendement d’une éolienne présente sur l’île de Samsø
$R=E_{(produite )}/E_{recue}$
$R=(4\ 200 )/(17\ 630 )$
$R=0,238$
$R=23,8 \%$
3- Justifier par un calcul l’affirmation de Albert Betz.
Calculons le pourcentage de l’énergie cinétique du vent intercepté par une éolienne est transformée en énergie mécanique
$R=\frac{E_{(mécanique ) }} {E_{recue}}$
$R=\frac{10\ 578 } {17\ 630 }$
$R=0,6$
$R=60 \%$
Ainsi, 60 % seulement de l’énergie cinétique du vent intercepté par une éolienne est transformée en énergie mécanique par les pâles d’une éolienne.
L’affirmation de Albert Betz est vraie.
Document 3 – Transport de l’énergie électrique produite
L’énergie électrique produite sur l’île de Samsø est transportée grâce à des lignes hautes sur l’île mais également sur le territoire Danois. L’utilisation de lignes électriques à haute tension limite les pertes énergétiques par effet Joule. Les lignes électriques sont constituées de matériaux conducteurs qui sont caractérisées par une faible résistance.
Nous rappelons les relations suivantes :
- La relation entre la puissance électrique 𝑃 consommé par un récepteur, la tension électrique à ses bornes 𝑈 et l’intensité 𝐼 traversant le récepteur s’écrit : 𝑃 = 𝑈 × 𝐼.
- La relation entre la tension électrique 𝑈 aux bornes d’un conducteur ohmique de résistance 𝑅 et l’intensité 𝐼 le traversant s’écrit : 𝑈 = 𝑅 × 𝐼.
4- Après avoir rappelé ce qu’est l’effet Joule, justifier l’utilisation des lignes à haute tension pour le transport d’une puissance électrique donnée en s’appuyant sur les relations fournies dans le document 3.
L’effet Joule est le réchauffement d’un conducteur traversé par un courant électrique. Cette énergie est une énergie perdue.
$P=U\times I$
Or
$U=R\times I$
Ainsi,
$P_{Joule}=R\times I\times I$
$P_{Joule}=R\times I^2$
Exprimons la puissance par effet joules en fonction de la puissance transportée :
$P_{transportée}=U\times I$
$U\times I=P_{transportée}$
$I=\frac{P_{transportée}}{U}$
Ainsi,
$P_{Joule}=R\times\left(\frac{P_{transportée}}{U}\right)^2$
La puissance perdue par effet joule est inversement proportionnelle au carré de la tension.
C’est pourquoi on transporte l’énergie électrique à haute tension : cela limite les pertes énergétiques lors du transport sur de longues distances.
Document 4 – Besoin énergétique en France
Le besoin énergétique total de la France varie chaque année en fonction de plusieurs facteurs, notamment la demande des secteurs résidentiels, industriels et tertiaires. En moyenne, la consommation d’énergie primaire en France s’élève à environ 1 500 TWh* (térawattheures) par an, toutes énergies confondues (électricité, gaz, pétrole, charbon, énergies renouvelables, etc.) :
- Électricité : environ 450 TWh par an (en 2022), avec une part importante provenant du nucléaire (environ 60-70 %), suivie des énergies renouvelables (hydroélectrique, éolien, solaire), notamment la France possède déjà 8000 éoliennes sur son sol et des combustibles fossiles.
- Gaz naturel : environ 460 TWh.
- Produits pétroliers : environ 630 TWh, principalement pour les transports et le chauffage
*1 TWh = 106 MWh
Source : d’après le site développement-durable.gouv.fr
5- Montrer, par le calcul, qu’il faudrait plus de 100 000 éoliennes de mêmes caractéristiques que celles de l’île de Samsø pour pallier les besoins énergétiques en France. Commenter le résultat.
| une éolienne | 4 200 MWh |
| N éoliennes | 1 500 TWh (Besoin énergétique total de la France) |
$$
N=\frac{1500\times10^{6}\times1}{4\ 200}
$$
$$
N=357\ 000\ \text{éoliennes}
$$
| une éolienne | 4 200 MWh |
| N éoliennes | 450 TWh (Besoin énergétique en électricité en France) |
$$
N=\frac{450\times10^{6}\times1}{4\ 200}
$$
$$
N=107\ 000\ \text{éoliennes}
$$
Ainsi, plus de 100 000 éoliennes de mêmes caractéristiques que celles de l’île de Samsø pour pallier les besoins énergétiques en France.
Document 5 – Échelle de niveau d’intensité sonore
Source : d’après Oberv’ER, BruitParif
6- En exploitant l’ensemble des documents de l’exercice et ses connaissances personnelles, discuter de la faisabilité de cette alternative « tout éolien » pour la France.
D’après les documents, il faudrait plus de 100 000 éoliennes pour couvrir les besoins annuels en électricité, ce qui représenterait une installation énorme et un cout grand.
Bien qu’une éolienne ne produise que peu de bruit (35 dB à 600 m, soit un niveau sonore faible) (coir Document 5), leur grand nombre poserait des problèmes d’occupation du territoire.
De plus, le vent est une source d’énergie intermittente : la production n’est pas constante. De plus, le transport de l’électricité sur de longues distances nécessite des lignes à haute tension.
Ainsi, l’idée d’un « tout éolien » en France semble difficilement réalisable.