Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3212
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Depuis 2022, en Guyane, la centrale Sable Blanc combine une centrale solaire et le complexe de stockage de Toco, c’est-à-dire le plus grand complexe de stockage par batteries lithium-ion en France. Cette centrale mixte permet de produire le jour grâce à un excellent ensoleillement et d’injecter cette production sur le réseau électrique guyanais de 19 heures à 21 heures, après le coucher du soleil.
Dans cet exercice, on cherche à augmenter l’efficacité des panneaux photovoltaïques et à trouver une alternative à l’utilisation de batteries.
Document 1 – Coefficient d’absorption des matériaux semi-conducteurs en fonction de la longueur d’onde de la lumière
GaAs : arséniure de gallium ; Si : silicium ; InP : phosphure d’indium ; CdTe : tellurure de cadmium ; CdS : sulfure de Cadmium.
Source : d’après https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01529748/document
1- À partir du document 1, indiquer pourquoi il est possible d’utiliser le matériau semi-conducteur tellurure de cadmium (CdTe) en remplacement du silicium (Si) que l’on trouve communément dans les modules photovoltaïques.
D’après le document 1 : le semi-conducteur tellurure de cadmium (Cd/Te) a un coefficient d’absorption plus élevé que le silicium (Si). Il est donc plus performant.
C’est pourquoi il est possible d’utiliser le matériau semi-conducteur tellurure de cadmium (Cd/Te) en remplacement du silicium (Si) que l’on trouve communément dans les modules photovoltaïques.
La centrale solaire est constituée d’une surface de 22 200 m² de modules photovoltaïques au tellurure de cadmium (Cd/Te) qui reçoivent annuellement une énergie solaire de 1,875 MWh/m² pour une production électrique de 5 400 MWh. On rappelle que 1 kWh est l’énergie associée à une puissance de 1 kW transférée ou stockée pendant une heure.
2- Calculer le rendement énergétique de la centrale solaire. Toute démarche entreprise pour répondre à la question sera valorisée.
Calculons l’énergie solaire reçue annuellement :
| 1,875 MWh | 1 m² |
| $E_Solaire$ | 22 200 m² |
$$E_{Solaire}=(22\ 200 \times 1,875)/1$$
$$E_{Solaire}=41\ 625\ MWh$$
Calculons le rendement énergétique de la centrale solaire :
$$\eta=E_{electrique\ produite}/E_{Solaire}$$
$$\eta=(5\ 400)/(41\ 625)$$
$$\eta=0,130=13,0\ %$$
Le rendement énergétique de la centrale solaire a pour valeur 13%.
Document 2 – La découverte du volant de stockage solaire VOSS
Savez-vous que l’énergie la moins chère est l’énergie solaire ? Grâce à la baisse spectaculaire du prix des panneaux photovoltaïques, […] l’énergie solaire est deux fois moins chère que les énergies classiques et polluantes. (…) elle est aussi extrêmement abondante. […]
Si l’énergie solaire est si peu chère et si abondante, pourquoi n’est-elle pas notre énergie principale ? Parce qu’il y a un problème : l’intermittence […] le jour, il y a du soleil et la nuit, il n’y en a pas ! […]
Il est absolument nécessaire de stocker le surplus d’énergie solaire en milieu de journée pour pouvoir l’utiliser le soir et la nuit.[…]. Les batteries, comme celles de votre téléphone, fonctionnent selon une réaction chimique. A chaque cycle de charge et de décharge, elle s’use, elle perd de sa capacité et il faut la changer au bout de quelques années. Le coût du stockage est donc très élevé […] si bien que l’énergie solaire, une fois stockée dans les batteries, n’est plus du tout intéressante […] elle a besoin de subventions pour se développer.
Il y a quelques années, une entreprise innovante a proposé de remplacer les batteries par des volants […] un cylindre ou un disque qui tourne à très grande vitesse pour stocker de l’énergie sous forme d’énergie cinétique […] Le très gros avantage des volants par rapport aux batteries, c’est qu’ils ont une durée de vie beaucoup plus grande […]. Avec mon équipe, nous avons fait des volants en acier, puis en fonte, […] mais ces matériaux classiques sont trop chers […]. J’ai alors testé le béton […] : il permet de stocker pour dix fois moins chers que les autres matériaux. Ce volant de stockage solaire, nous l’avons appelé VOSS.
L’association du volant en béton avec les panneaux photovoltaïque conduit à une énergie renouvelable nuit et jour à un coût inférieure aux énergies polluantes.
Notre grand projet est de créer des grandes centrales photovoltaïques dans des endroits très ensoleillés, comme les déserts, et d’alimenter le réseau mondial avec une énergie propre et bon marché. […]
Source : d’après TEDxParisSalon, 2015, extraits de la présentation d’A. Gennesseaux, fondateur de Energiestro
3- À partir du document 2, citer un avantage et un inconvénient de l’énergie solaire.
Un avantage de l’énergie solaire est qu’elle est très abondante et deux fois moins chère que les énergies classiques et polluantes.
Un inconvénient est son intermittence : elle ne produit de l’énergie que lorsqu’il y a du soleil, ce qui rend nécessaire le stockage de l’électricité pour l’utiliser la nuit.
4- Les batteries couplées à la centrale solaire ont une capacité de stockage de 2,9 MWh et une puissance de 2,6 MW. Calculer la durée d’autonomie électrique de ces batteries.
$$E=P \times \Delta t$$
$$P \times \Delta t=E$$
$$\Delta t=E/P$$
$$\Delta t=2,9/2,6$$
$$\Delta t=1,1\ h$$
$$\Delta t=1,1 \times 60=66\ min$$
Ces batteries ont une durée d’autonomie électrique de 66 min.
Document 3 – Quelques données sur le volant de stockage solaire VOSS
Un VOSS est constitué d’une masse en béton (mélange de sable et de ciment) précontraint (1) entraînée par un moteur électrique. L’apport d’énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (environ 6000 tours/min) et une fois lancée, elle continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente. L’énergie électrique est alors stockée dans le volant sous forme d’énergie cinétique, elle pourra ensuite être restituée instantanément en utilisant l’alternateur (3), entraînant la baisse de la vitesse de rotation de la masse.
Le VOSS est expérimenté au sein du complexe de Toco : « Pour une masse de 4-5 tonnes incluant l’équipement autour, le volant aura une capacité de stockage énergétique de 10 kWh, et l’ensemble moteur/alternateur une puissance nominale de 10 kW. Ainsi, le système disposera d’une autonomie d’une heure en utilisation maximum ».
Comparatif des dimensions et des masses des deux dispositifs de stockage concurrents pour une capacité de stockage identique :
| Puissance | Hauteur | Largeur | Masse totale | |
| Volant solaire VOSS | 10 kW | 1 m | 1,5 m | 3 000 kg |
| Batterie lithium-ion | 10 kW | 0,9 m | 0,60 m | 180 kg |
Exemple : pour pouvoir stocker dans un ou plusieurs volants solaires la moitié de la production (60 MW) qui couvre les besoins d’une ville de 55 000 habitants, la masse totale du dispositif de stockage devrait atteindre 17 250 tonnes, soit l’équivalent de 345 avions de ligne.
Source : d’après https://www.choisir.com/energie/articles/117094/quest-ce-que-le-volant-de-stockage-solaire-voss
5- Recopier et compléter sur votre copie le schéma de la chaîne de transformation énergétique d’un VOSS lorsqu’il est en phase de restitution de l’énergie stockée.
6- Donner le nom du phénomène physique exploité par les alternateurs électriques et le décrire brièvement.
Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique.
L’énergie mécanique est à l’origine de la mise en rotation de l’aimant ou de l’électroaimant ; cette partie en rotation est nommée rotor.
Ces sources de champ magnétique sont alors en mouvement à l’intérieur d’un ou plusieurs circuits électriques fixes (le stator) de l’alternateur.
Ces circuits électriques sont alors le siège d’un phénomène d’induction, et peuvent être parcourus par un courant électrique lorsqu’ils sont reliés à une charge électrique. L’énergie électrique correspondante est la grandeur de sortie du convertisseur.
7- La commercialisation du VOSS, qui devait officiellement débuter en 2018, puis en 2020, demeure encore aujourd’hui au stade de prototype. En vous appuyant sur le document 3 et sur vos connaissances en lien avec l’empreinte carbone du béton, proposer des arguments pour expliquer ce retard alors que cette innovation semble prometteuse.
Le VOSS présente plusieurs limites qui peuvent expliquer son retard de commercialisation. D’abord, sa masse très importante (3000 kg pour seulement 10 kWh) rend son transport et son installation coûteux et difficile. Pour une ville de 55 000 habitants, il faudrait 17 250 tonnes de béton, ce qui pose aussi un problème d’espace occupé par le VOSS. De plus, la production du béton génère une forte empreinte carbone, ce qui est en opposition avec l’objectif écologique de l’innovation.