Il existe trois méthodes de production d'énergie électrique sans combustion : la conversion d'énergie mécanique, d'énergie radiative et d'énergie chimique. Ces méthodes ont un impact sur l'environnement et la biodiversité. Le stockage de l'énergie est un enjeu majeur de la transition énergétique. Malgré ses nombreux atouts, l'électricité pose des difficultés technologiques en matière de stockage sous sa forme propre. L'énergie électrique requiert une transformation en une autre forme d'énergie. Cette énergie chimique, mécanique ou électromagnétique doit être stockée, puis restituée en électricité. Show
I Les méthodes de production d'énergie électrique sans combustionLes procédés de fabrication d'énergie sont représentés par des chaînes énergétiques. L'efficacité d'une conversion d'énergie est quantifiée par son rendement. Il existe trois méthodes de production d'énergie électrique sans combustion : la conversion d'énergie mécanique, directe ou indirecte, la conversion d'énergie radiative et la conversion d'énergie chimique. A Les chaînes énergétiques et le rendementLes chaînes énergétiques sont des schémas représentant l'ensemble des conversions d'énergie d'un système. Le rendement d'une conversion est égal au rapport entre l'énergie utile et l'énergie absorbée, ou entre la puissance utile et la puissance absorbée. Les conversions d'énergie réalisées par un système ont toutes le même bilan :
Une chaîne énergétique illustre ce bilan. Par convention, on représente :
RendementLe rendement d'une conversion est le rapport de l'énergie utile par celle absorbée ou aussi de la puissance utile par celle absorbée. C'est une grandeur sans unité, généralement notée η\eta : \eta = \dfrac{E_{\text{utile}\left(\text{J}\right)}}{E_{\text{absorbée}\left(\text{J}\right)}} = \dfrac{P_{\text{utile}\left(\text{W}\right)}}{P_{\text{absorbée}\left(\text{W}\right)}} À cause des pertes inévitables lors des conversions d'énergie, le rendement est compris entre 0 et 1. On l'exprime souvent par un pourcentage. L'expression
du rendement d'un moteur électrique est : Ainsi, le rendement d'un moteur qui consomme une puissance électrique de 200 W et fournit une puissance mécanique de 160 W est : Lorsque des conversions d'énergie s'enchaînent, le rendement global est égal au produit des rendements des différentes conversions. Le rendement global de la conversion de la puissance chimique en puissance mécanique est égal au produit des rendements de la pile et du moteur : \eta = \eta_{\text{pile}} \times \eta_{\text{moteur}} Une pile électrochimique alimente un moteur électrique. B La conversion d'énergie mécaniqueLa conversion d'énergie mécanique est dite directe si l'énergie électrique est produite seulement par la mise en mouvement d'un élément. Si cette mise en mouvement est précédée de la conversion d'une autre forme d'énergie en énergie thermique, on parle de conversion indirecte. 1 La conversion d'énergie mécanique directeLa conversion d'énergie mécanique directe en énergie électrique est réalisée par les éoliennes, les hydroliennes et les barrages. Plusieurs dispositifs permettent d'exploiter directement l'énergie mécanique que possède un élément mobile ou des fluides naturels pour produire de l'énergie électrique :
Dans ces dispositifs, c'est un alternateur qui produit l'énergie électrique. Lorsque l'énergie mécanique initiale provient d'un fluide, air ou eau, une turbine transmet son énergie mécanique à l'alternateur. Dans un barrage hydroélectrique, l'ouverture de la vanne libère la retenue d'eau qui transfère son énergie mécanique à la turbine. Dès que le débit de l'eau est supérieur à 40 % du débit maximal, le rendement de la turbine atteint la valeur de 90 % et le rendement d'un gros alternateur est d'environ 95 %. Dans ces conditions, le rendement global du barrage est donc : \eta_{\text{barrage}} = \eta_{T} \times \eta_{A} Ces installations requièrent des infrastructures conséquentes et ont un impact sur l'environnement et la biodiversité. La mise en eau des barrages provoque l'inondation de terres, de forêts et d'habitats. Pendant l'exploitation du barrage, l'équilibre des écosystèmes est mis à mal (sous-oxygénation en amont et suroxygénation en aval), entraînant une hausse de la mortalité de certaines espèces. Les barrages empêchent l'écoulement des sédiments, ce qui provoque l'envasement des cours d'eau. L'exploitation de ces énergies ne peut être qu'intermittente. Les éoliennes et les hydroliennes ne produisent de l'énergie électrique que si la vitesse du vent ou des courants marins atteignent une valeur seuil. 2 La conversion d'énergie mécanique indirecteLa conversion d'énergie mécanique indirecte en énergie électrique est réalisée dans les centrales nucléaires, solaires et géothermiques. L'énergie mécanique est obtenue à partir d'énergie thermique, qui peut elle-même provenir de la conversion d'une autre énergie. Certaines installations produisent de l'énergie électrique en convertissant une énergie primaire en énergie mécanique par l'intermédiaire de l'énergie thermique (ou chaleur).
Il ne faut pas confondre les centrales solaires thermiques, où l'énergie lumineuse est transférée à un liquide caloporteur pour augmenter sa température, et les centrales photovoltaïques qui exploitent des panneaux qui produisent directement de l'énergie électrique. Dans ces centrales, la conversion d'énergie mécanique est indirecte :
Une centrale géothermique récupère l'énergie thermique de l'eau en profondeur. Lorsque l'eau chaude arrive en surface, elle se transforme en vapeur et fait tourner une turbine. Celle-ci transmet de l'énergie mécanique à un alternateur qui produit alors de l'énergie électrique. Le rendement global de la conversion de la puissance nucléaire en puissance électrique est de l'ordre de 30 %. Pour produire 2,6 GW de puissance électrique, une centrale doit donc consommer une puissance nucléaire de 8,7 GW : D'où : Ces centrales ont un rendement de l'ordre de 30 %, qui reste sensiblement inférieur à celui d'une centrale thermique. Dans le cas des centrales nucléaires, des déchets radioactifs sont produits. Il faut les stocker pendant des millions d'années et les accidents ne sont pas inévitables. C La conversion d'énergie radiativeLa conversion d'énergie radiative dans les panneaux photovoltaïques produit de l'électricité à partir de l'énergie du rayonnement solaire. Le rendement des panneaux photovoltaïques est assez faible, de l'ordre de 20 %, et diminue d'environ 1 % par an. De plus, leur fabrication pose problème car elle nécessite des métaux rares comme l'indium et le gallium. Or, l'extraction de ces minerais s'avère généralement coûteuse, tant sur le plan financier qu'environnemental. D La conversion d'énergie chimiqueLa conversion d'énergie chimique en énergie électrique repose sur le transfert d'électrons entre les réactifs d'une oxydoréduction. Les différents types de piles sont le siège de réactions d'oxydoréduction. Les piles sont des dispositifs qui convertissent l'énergie chimique en énergie électrique : Dans une pile alcaline, les réactifs sont le zinc et le dioxyde de manganèse \text{Mn}\ce{O2}. Ils sont séparés par un corps isolant : Lorsque la pile est insérée dans un circuit électrique, ses bornes positive et négative sont liées par des conducteurs électriques. Les réactifs peuvent alors réagir ensemble. Les réactions qui se déroulent sont alors :
Les piles à combustibles, ou piles à hydrogène, se distinguent par :
Le rendement des piles est assez bon, jusqu'à 50 % pour les piles à combustible. Mais leur impact environnemental n'est pas neutre : leur fabrication nécessite des métaux rares (cobalt, lithium, etc.) et pour l'instant, leur recyclage pose question. II Le stockage de l'énergieLe stockage de l'énergie est nécessaire pour faire face aux variations de production et de consommation. L'énergie électrique ne pouvant pas être stockée, elle doit être convertie en une autre forme d'énergie avant d'être restituée pour son utilisation. Ainsi, l'énergie chimique peut être stockée dans des accumulateurs (ou batteries), l'énergie mécanique dans des stations de pompage – turbinage et l'énergie électromagnétique dans des super-capacités. A Le stockage de l'énergie chimiqueLes batteries, ou accumulateurs, et les piles à combustible stockent de l'énergie chimique qui peut ensuite être convertie en énergie électrique. Ces dispositifs fonctionnement comme des piles mais ont la particularité de pouvoir être rechargés. Les batteries, ou accumulateurs, ont deux modes d'utilisation :
Dans ce cas, la réaction d'oxydoréduction exploitée est réversible. Les batteries équipant les Smartphones actuels sont des batteries Li-ion (lithium–ion) qui exploitent une réaction d'oxydoréduction réversible : L'utilisation de dihydrogène couplée à une pile à combustible, est aussi un bon moyen de stocker l'énergie chimique car cette pile peut fonctionner dans les deux sens et le dihydrogène joue le rôle de réservoir d'énergie.
B Le stockage de l'énergie mécaniqueLes stations de pompage-turbinage sont un type particulier d'installations hydroélectriques permettant de stocker l'énergie mécanique. Une station de pompage-turbinage est composée de deux bassins situés à des altitudes différentes. En pompant l'eau du bassin inférieur vers le bassin supérieur lorsque la demande électrique est faible, elle permet de stocker de l'énergie mécanique. Lorsque la demande électrique augmente, elle restitue de l'énergie électrique sur le réseau en turbinant l'eau du bassin supérieur. C Le stockage de l'énergie électromagnétiqueEn accumulant des charges électriques, les super-capacités permettent de stocker l'énergie électromagnétique et de la convertir ensuite en énergie électrique. Le principe des super-capacités repose sur l'accumulation de charges électriques à l'interface entre une solution ionique (électrolyte) et deux électrodes, séparées par une interface qui joue le rôle d'isolant.
Caractéristiques comparées des différents types de stockage de l'énergie
Quels sont les inconvénients de l'énergie renouvelable ?Le principal défaut des sources d'énergie renouvelables : la nécessité d'un investissement initial assez conséquent pour des rendements qui peuvent être assez fluctuant en fonction de la zone d'installation, de la saison voire des aléas climatiques.
Quels sont les avantages et les inconvénients des énergies renouvelables ?Même si les énergies renouvelables produisent moins de pollution que les énergies fossiles, elles sont encore loin d'être propres. Par exemple, les panneaux solaires produisent 10 fois moins de CO2 que le gaz et 20 fois moins que le charbon ou le pétrole et ses dérivés.
Comment les énergies renouvelables peuvent préserver l'environnement ?Par exemple, l'électricité produite à partir de sources de production d'énergie renouvelable émet très peu de CO2 notamment lorsqu'on la compare aux énergies fossiles comme le charbon. Pour cette raison, les EnR sont notamment un vecteur privilégié de la lutte contre le réchauffement climatique.
Quelle est la principale faiblesse des énergies renouvelables ?Quelle est la principale faiblesse des énergies renouvelables ? Concrètement, la principale faiblesse ou l'inconvénient le plus important de ces énergies reste leur intermittence et leur dépendance aux aléas climatiques de la nature.
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