2.3 Énergie, développement et futur climatique
Production et consommation d’énergie
- Utiliser les différentes unités d’énergie (Tonne Équivalent Pétrole (TEP), kWh…).
- Exploiter des données de production et d’utilisation d’énergie à différentes échelles (mondiale, nationale, individuelle…).
- Comparer quelques ordres de grandeur d’énergie et de puissance : corps humain, objets du quotidien, moteurs, centrale électrique, flux radiatif solaire…
L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent.
Unités d’énergie
- Joule (J) : unité SI
- Watt-heure (W·h) : 1 W·h = 3,6 kJ
- tonne d’équivalent pétrole (TEP) : 41,9 GJ
Leur consommation est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus.
Consommation par habitant de différents pays
Le tableau ci-dessous donne la consommation énergétique de quelques pays en 2022, leur population, et la quantité d’équivalent CO2 produite en mégatonnes (109 kg). Source : Agence Internationale de l’Énergie
| Pays | Consommation (TW·h) | Population (×106) | Émission (Mt éq. CO2) |
|---|---|---|---|
| Inde | 12067 | 1425 | 2757 |
| Chine | 44091 | 1420 | 11393 |
| États-Unis | 25272 | 333 | 5102 |
| Indonésie | 3034 | 279 | 740 |
| Russie | 9396 | 144 | 2117 |
| France | 2455 | 68 | 291 |
| Royaume-Uni | 1779 | 68 | 320 |
| Canada | 3456 | 39 | 599 |
| Arabie Saoudite | 2818 | 32 | 611 |
| Islande | 69 | 0,38 | 1,6 |
1. Quels sont les pays dont les habitants consomment individuellement le plus d’énergie ?
2. Quels sont les pays dont les habitants sont individuellement le plus responsable du changement climatique ?
3. Quels sont les pays qui produisent leur énergie le plus proprement ? Comment cela pourrait-il s’expliquer ?
Correction
1. et 2. Voir tableau ci-dessous.
| Pays | Consommation (MW·h/hab) | Émission (t éq. CO2/hab) |
|---|---|---|
| Inde | 8,5 | 1,9 |
| Chine | 31,1 | 8,0 |
| États-Unis | 75,9 | 15,3 |
| Indonésie | 10,9 | 2,7 |
| Russie | 65,3 | 14,7 |
| France | 36,1 | 4,3 |
| Royaume-Uni | 26,2 | 4,7 |
| Canada | 88,6 | 15,4 |
| Arabie Saoudite | 88,1 | 19,1 |
| Islande | 181,6 | 4,2 |
3. L’Islande, en dépit de la consommation individuelle d’énergie très élevée, n’émet que peu de CO2 par personne. Ceci est dû au fait que l’Islande peut exploiter facilement des ressources géothermiques.
Certains pays, États-Unis en tête, joue un rôle historique d’obstruction lors des différentes COP. Cette attitude, relevant du crime contre l’Humanité, n’est malheureusement qu’assez peu relayée dans les média.
Selon un rapport de l’ONG Oxfam de 2024, Elon Musk émet autant de CO2 en une année qu’une personne moyenne en 834 ans. Bernard Arnault a une empreinte carbone liée à son patrimoine 200 000 fois plus élevée que celle d’un Français moyen. Lire l’article de capital.fr
Source : capital.fr
Mais, rassurez-vous, lorsque le monde s’effondrera, les multimilliardaires n’auront pas à faire face à leur responsabilité. Nombre d’entre eux se sont fait construire des bunkers survivalistes de luxe dans des régions reculées. Lire l’article de reporterre.net sur ce sujet.
La croissance de la consommation globale (doublement dans les 40 dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés.
En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.
Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (flux radiatif solaire, flux géothermique et des marées).
Réserves et flux d’énergies
La consommation mondiale d’énergie primaire s’élève à 172 821 TWh en 2022, en augmentation de 71 % depuis 1990.
Quelques données
- En 2022, les réserves conventionnelles prouvées de pétrole s’élevaient à 1493 milliards de barils. 1 baril = 159 L et correspond à 0,136 tep.
- En 2022, les réserves prouvées d’uranium exploitables sont de 7,8 millions de tonnes environ. À partir d’1 kg d’uranium naturel, on peut produire environ 1,5 TJ
- Le flux solaire annuel dans le sud de la France est de 1500 kW·h par an et par m². Le coût moyen d’une installation solaire est de 500 €/m².
- Une grande éolienne offshore a une puissance moyenne de production d’électricité de 3,6 MW et coût en moyenne environ 5 millions d’euros.
- La superficie de la France métropolitaine est d’environ 550.000 km².
- Le PIB mondial en 2024 est d’environ 111.000 milliards de dollars, ce qui est le même montant que la dette publique mondiale.
Pour chacune des sources d’énergie citées, calculer, en supposant à chaque fois que l’humanité utilise exclusivement cette source d’énergie :
- la durée restante du stock (pétrole et uranium)
- les caractéristiques des installations nécessaires dans le cas d’une énergie à flux (solaire, éolien)
Correction
On rappelle que 1 W·h = 3600 J et T (téra) = 1012.
Consommation mondiale annuelle : 172821·1012 W·h, soit 6,22·1020 J
Pétrole
Réserve énergétique : 1493·109×0,136 = 2,03·1011 tep, soit 8,51·1021 J
Durée correspondant à cette réserve : 8,51·1021÷6,22·1020 ≃ 13,7 années.
Uranium
Réserve énergétique : 7,8·106×103×1,5·1012 = 1,2·1022 J
Durée correspondant à cette réserve : 1,2·1022÷6,22·1020 ≃ 19 années.
Solaire
On considère qu’un panneau solaire a un rendement de 20 %.
Flux énergétique annuel : 300 kW·h/m² soit 1,1·109 J/m²
Surface nécessaire : 6,22·1020÷1,1·109 = 5,76·1011 m².
Cela représente 576 milles km², soit un peu plus que la surface de la France.
Coût : 288 000 milliards d’euro. Cela représente presque 3 années de PIB mondial.
Éolien
Production électrique annuelle d’une éolienne offshore : 3,6·106×3600×24×365 = 1,1·1014 J.
Nombre d’éoliennes nécessaires : 6,22·1020÷1,1·1014 ≃ 5,5·106.
Coût associé : 5,5·106×5·106 ≃ 27 000 milliards d’euros.
Cette somme représente environ 27 % du PIB mondial.
Dans le cas des énergies renouvelables, d’autres considérations sont à prendre en compte : disponibilité des matières premières pour la fabrication des panneaux solaires et des éoliennes, stockage de l’énergie produite, acheminement de l’électricité…
Le cycle du carbone
- Analyser un schéma représentant le cycle biogéochimique du carbone pour comparer les stocks des différents réservoirs et identifier les flux principaux de carbone d’origine anthropique ou non.
- Citer les ordres de grandeur des durées nécessaires aux transformations du carbone.
Le carbone est un élément de base des molécules organiques. Présent dans l’atmosphère sous la forme de dioxyde de carbone, il est absorbé et piégé par les végétaux lors de la photosynthèse. Sur de très longues périodes, il peut également circuler entre différents réservoirs.
Formation des combustibles fossiles
Cette animation montre les étapes successives de la formation du charbon par enfouissement de matière organique sur des milliers d’années. La matière organique enfouie subit une augmentation de la pression et de la température ainsi qu’un appauvrissement en dioxygène O2.
Cycle du carbone et durée des échanges
Réservoirs et flux dans les océans
Le CO2 provenant de l’atmosphère et dissous dans les océans de surface forme des espèces chimiques inorganiques contenant du carbone, qui peuvent être entraînées dans les profondeurs grâce aux courants océaniques. Certains organismes planctoniques ingèrent ces espèces chimiques. À leur mort, ils coulent et se déposent sur les fonds marins, participant ainsi à la sédimentation.
Seulement 2 % de tout le carbone contenu dans le CO2 dissous à la surface des océans finit par être enfoui dans les sédiments. Le reste est rejeté vers l’atmosphère.
Réservoirs et échanges du carbone
Le cycle du carbone
1. Proposer une définition au terme de « réservoir » et identifier les principaux réservoirs de carbone sur Terre.
2. Proposer une définition au terme de « flux » et identifier la nature des flux de carbone mis en jeu dans les océans (chimique ou biologique).
3. Évaluer la masse de carbone d’origine anthropique rejetée dans l’atmosphère chaque année.
4. Comparer cette masse d’origine anthropique avec la masse de carbone d’origine naturelle reçue par l’atmosphère chaque année. Commenter.
Correction
Combustion des combustibles fossiles
- Ajuster l’équation d’une réaction chimique d’oxydation par le dioxygène.
- Comparer la masse de dioxyde de carbone produite par unité d’énergie dégagée pour différents combustibles.
- Distinguer ozone stratosphérique et troposphérique.
- À partir de documents épidémiologiques, identifier et expliquer les conséquences sur la santé de certains polluants atmosphériques, telles les particules fines résultant de combustions.
Les réactions de combustion sont utilisées depuis la Préhistoire pour produire chaleur et lumière. À partir du XVIIIe siècle, elles ont permis de produire de l’énergie mécanique nécessaire aux révolutions industrielles à travers le monde.
Équations-bilans de combustion
Les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont essentiellement constitué de carbone (C) pour le charbon, et d’hydrocarbure (CxHy) pour le pétrole et le gaz.
La combustion est une réaction chimique exothermique, c’est-à-dire qu’elle libère de l’énergie. Elle met en jeu un combustible (ou carburant) et un comburant, généralement le dioxygène O2 provenant de l’air.
Cette réaction, lorsqu’elle est complète, produit essentiellement deux molécules : du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau dans le cas des hydrocarbure.
Équilibrer une équation-bilan de combustion
Proposer une équation-bilan pour les réactions de combustion ci-dessous :
| Combustible | Équation-bilan |
|---|---|
| charbon | …C + …O2 ⟶ … |
| méthane (gaz « naturel ») | …CH4 + …O2 ⟶ … … + … … |
| butane (bouteille de gaz) | …C4H10 + …O2 ⟶ … … + … … |
| octane (essence)* | …C8H18 + …O2 ⟶ … … + … … |
| dodécane (gasoil)* | …C12H26 + …O2 ⟶ … … + … … |
| éthanol | …C2H6O + …O2 ⟶ … … + … … |
* Le gasoil et l’essence sont des mélanges complexes d’hydrocarbures. Les molécules indiquées ici sont des « moyennes » des molécules présentes dans ces carburants.
Correction
Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique d’un combustible est l’énergie thermique dégagée lors de sa combustion, par kilogramme de combustible. Tous les combustibles ne se valent pas sur ce plan ; certains renferment plus d’énergie par kilogramme que d’autres.
| Combustible | Pouvoir calorifique (MJ·kg-1) |
|---|---|
| charbon | 32,5 |
| méthane | 50,0 |
| butane | 45,8 |
| essence | 41,0 |
| gasoil | 43,4 |
| éthanol | 28,9 |
Il est intéressant de rapporter ces valeurs à la masse de CO2 émis lors de la combustion d’un kilogramme de ces différents carburants. Ainsi, on peut apprécier l’efficacité de ces différents carburants rapportée à ses émissions de CO2
Énergie thermique et production de CO2
Les deux premières colonnes du tableau ci-dessous donne la masse de CO2 émise lors de la combustion d’un kilogramme de différents combustibles.
| Combustible | CO2 (kg/kg de carburant) | CO2 (kg/MJ) |
|---|---|---|
| charbon | 3,7 | |
| méthane | 2,8 | |
| butane | 3,0 | |
| essence | 3,1 | |
| gasoil | 3,1 | |
| éthanol | 1,9 |
Compléter la troisième colonne, indiquant la masse de CO2 produite par MJ d’énergie thermique dégagée. Quel est le carburant le moins émetteur de CO2 ?
Correction
Pollution générée par les combustions
Les combustibles fossiles contiennent toujours une petite quantité d’impuretés, contenant notamment du soufre (S). Cet élément chimie se retouvera sous forme de dioxyde de soufre SO2 après la combustion. Le SO2 est un gaz irritant et se transforme, aucontact de l’air et de l’eau, en acide sulfurique.
De plus, lors d’une combustion, les conditions générales de la réaction entraîne la formation d’autres substances chimique que l’eau et le CO2 :
- Oxydes d’azote (NO et NO2)
- Aérosols (microparticules solides – suie)
- Ozone (O3)
- Monoxyde de carbone (CO)
- Composés soufrés
- …
L’ozone est une molécule fortement oxydante, irritante pour les voies respiratoires. Sa présence dans la stratosphère est due à au dioxygène qui se transforme en ozone sous l’effet des rayonnements solaires. C’est une molécule capable d’absorber les ultraviolets. Elle joue donc un rôle très important dans la filtration du rayonnement solaire. Cependant, à basse altitude – là où il peut être respiré – sa présence est néfaste pour la santé.
Effets de la pollution de l’air sur la santé
Tous les documents ci-dessous sont tirés du livrescolaire.fr.
En Ontario, au Canada, une étude a mis en évidence une corrélation entre le nombre d’admissions quotidiennes dans 168 hôpitaux de la région et la quantité d’ozone O3 troposphérique mesurée.
Empreinte carbone
- À partir de documents, analyser l’empreinte carbone de différentes activités humaines et proposer des comportements pour la minimiser ou la compenser.
- Discuter des incidences de l’augmentation du CO2 sur le développement de la végétation.
- Analyser des extraits de documents du GIEC ou d’accords internationaux
À quoi correspond l’empreinte carbone et comment l’évaluer ?
L’empreinte carbone d’une activité́, d’un objet ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.
Cycle de vie et empreinte carbone
L’empreinte carbone correspond à la masse de dioxyde de carbone CO2 (ainsi que tous les autres gaz à effet de serre, rapportés à leur potentiel de réchauffement) produite par un objet, une activité ou une personne.
Dans le cas d’un objet, il faut considérer tout le cycle de vie afin d’évaluer l’impact de chaque étape.
Empreinte carbone d’un trajet
Les trajets quotidiens sont également une source importante d’émissions de gaz à effet de serre. Ces émissions dépendent de la distance parcourue et du moyen de transport utilisé.
Estimer l’empreinte carbone d’un trajet ici
Le pire moyen de transport est bien entendu l’avion.
Empreinte carbone globale
Manger, se déplacer, acquérir des objets, pratiquer des loisirs, etc. : toutes ces actions nécessitent de l’énergie que nous obtenons essentiellement grâce aux énergies fossiles, qui libèrent dans l’atmosphère des gaz à effet de serre.
Il est possible de diminuer notre impact sur l’environnement en estimant notre propre empreinte carbone. Cette empreinte peut être mesurée grâce à l’application Nos Gestes Climat, développée par l’ADEME.
Calculateur Nos Gestes Climat.
Il a été estimé que les Français émettent en moyenne 8,9 t de CO2 (ou équivalent) par an.
Exigences scientifiques et lâcheté politique
Les recommandations du GIEC
Le GIEC montrent que la fenêtre d’action se referme.
- L’échéance 2030 : pour espérer limiter le réchauffement à +1,5°C, nous devons réduire nos émissions mondiales de gaz à effet de serre de 43 % d’ici 2030 (par rapport à 2019).
- Le pic d’émissions : le pic mondial des émissions devait être atteint avant 2025. Or, les émissions continuent de stagner à des niveaux records.
- La neutralité carbone : elle doit être atteinte vers 2050 au niveau mondial. Cela implique une sortie quasi totale des combustibles fossiles non atténués (sans capture de carbone).
- Changement de régime alimentaire et de sobriété : le GIEC insiste lourdement sur la demande (réduction de la consommation, régimes moins carnés, mobilité douce) comme levier majeur.
Bilan de la COP30 à Belém (2025)
La « COP de la Vérité » devait être celle de la mise en œuvre concrète. Mais c’est un fiasco.
- Malgré le « Consensus de Dubaï » (COP28) qui mentionnait une « transition hors des énergies fossiles », le texte final de Belém a évité de fixer un calendrier contraignant de sortie, sous la pression des pays producteurs.
- Le Brésil a lancé le fonds Tropical Forest Forever Facility (9 milliards de dollars), mais les engagements restent volontaires et non contraignants. Il n’y a pas de mécanisme de sanction pour les États qui ne respectent pas leurs objectifs de protection des forêts.
- La COP30 devait voir un rehaussement massif des ambitions nationales. Mais plus de 70 pays n’ont pas déposé leurs nouvelles copies à temps ou ont présenté des objectifs insuffisants pour rester sous la barre des 2°C (on se dirige actuellement vers +2,8°C).
Tout au long de cette COP30, les mêmes dynamiques bloquantes ont dicté les négociations, sans flexibilité ni volonté politique nécessaire pour faire bouger les lignes, empêchant l’émergence de compromis solides. Les négociations ont une nouvelle fois buté sur la défense des intérêts économiques nationaux, au détriment de l’intérêt collectif de préservation de la planète. À cet égard, l’Union européenne s’est particulièrement illustrée : derrière un discours volontariste, elle a surtout défendu ses propres priorités économiques.
Votre empreinte carbone
1. Réaliser la simulation Nos Gestes Climat pour évaluer la masse de dioxyde de carbone CO2 que vous émettez chaque année.
2. Lister quelques pistes pour réduire votre empreinte carbone afin d’atteindre l’objectif de 2 t de CO2 émis par an et par habitant tel que formulé par l’Accord de Paris en 2015.
Correction
Futurs climatiques
- Analyser d’un point de vue global les impacts de choix énergétiques majeurs : exemple du nucléaire en France.
- Dans une étude de cas, analyser des choix énergétiques locaux selon les critères et les paramètres mentionnés.
Dans le domaine énergétique, le choix des mesures d’adaptation et d’atténuation doit tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, impacts (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales.
Les durées longues, liées à l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l’urgence de l’action.
La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique (recherche de diversification ou d’évolution des ressources, mix énergétique, etc.), et sur l’évolution des comportements individuels et collectifs (consommations, déplacements, etc).
Le nucléaire en France
Exercice tiré d’une activité du Livre Scolaire.
Aujourd’hui, environ 65 % de la production d’électricité française est d’origine nucléaire. Cependant, l’utilisation de cette forme d’énergie est souvent pointée du doigt : accidents de Tchernobyl en 1986 et de Fukushima en 2011, gestion et stockage des déchets radioactifs, démantèlement des centrales fermées, etc.
En 1945, à la fin de la Seconde Guerre mondiale, Charles de Gaulle crée le Commissariat à l’énergie atomique (CEA) dans le but d’utiliser l’énergie atomique dans les domaines de l’industrie, de la science et de la défense nationale. Dans les années 1970, le premier choc pétrolier et les tensions au Moyen-Orient poussent Valéry Giscard d’Estaing à une politique du « tout nucléaire » afin d’accroître l’indépendance énergétique de la France, qui devient ainsi le pays le plus nucléarisé au monde.
Sources de production d’énergie électrique en France et en Allemagne
Évolution des émission de CO2 en France et en Allemagne
Répartition des déchets nucléaires en France
Deux tiers des déchets radioactifs proviennent de l’industrie électronucléaire, le reste provenant d’un usage militaire, médical ou industriel tierce. Les déchets nucléaires français sont classés selon leur activité et leur durée de vie : haute activité (HA), faible et moyenne activité (FMA), très faible activité (TFA) et de vie longue (VL) à vie courte (VC). Les déchets à haute activité et vie longue sont stockés profondément sous la terre dans des couches géologiques stables, denses et imperméables afin d’éviter tout impact sur l’environnement.
Nouvelle génération de réacteurs nucléaires
L’EPR (Evolutionary Power Reactor) est un réacteur nucléaire de troisième génération. Il a été conçu pour améliorer la sûreté et la rentabilité des centrales. Mais les délais de construction de ces réacteurs sont longs et les investissements importants. Dans le monde, trois EPR sont déjà en fonctionnement. En France, l’EPR de Flamanville, dont les travaux ont démarré en 2007, a été mis en service le 21 décembre 2024 (alors que la mise en service était initialement prévue en 2012). Le coût global d’installation a été multiplié par quatre par rapport aux estimations initiales.
1. Expliquer pour quelle(s) raison(s) la France s’est tournée vers le nucléaire pour sa production d’électricité. Préciser quels auraient été les autres choix possibles.
2. Relever la part du nucléaire dans la production d’électricité en France. La comparer avec la part du nucléaire dans la production d’électricité en Allemagne et commenter au regard des émissions de dioxyde de carbone CO2.
3. Lister les avantages et les inconvénients d'une production d'électricité à partir de ressources en énergie nucléaire.
Correction
Centrale nucléaire au thorium
Visionnez la vidéo ci-dessous et répondez aux questions.
1. Citez les avantages de l’utilisation du thorium par rapport à l’uranium pour son utilisation comme source d’énergie
2. Pourquoi ce type de centrale n’a pas été développée ?
Les chinois disent avoir un réacteur au thorium opérationnel, voir cet article de France 24, daté de novembre 2025.
Correction
Révision & entraînement
L’hydroélectricité dans le monde
Données
- 1 téra (T) = 1012
- 1 W·h = 3600 J
En 2024, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1.443 GW, produisant 4.578 TWh. En 2024 toujours, la production d’énergie électrique à partir d’énergie fossile représentait 66 millions de TJ.
1.1. La « puissance installée » correspond-elle à la puissance réelle de production d’électricité ?
1.2 Que représente la part d’énergie électrique produite par les centrales hydroélectriques par rapport à l’énergie électrique produite à partir d’énergie fossile ? Exprimer cette part en pourcentage.
Le barrage des Trois-Gorges est un barrage sur le Yangzi Jiang, situé au centre de la Chine. Il a été mis en service par étapes de 2003 à 2012. Il s’agit de la plus grande centrale hydroélectrique au monde par sa puissance installée.
Selon la société exploitante, China Three Gorges Corporation, la production d’électricité de la centrale s’est élevée à 103,6 TWh en 2021. Officiellement, le coût de la construction est de 23 milliards d’euros.
2.1. Combien de centrales hydroélectrique du type de celle des Trois-Gorges seraient nécessaires pour remplacer toute l’énergie électrique produite à partir d’énergie fossile ?
2.2. Comparer ce coût au budget militaire mondial de l’année 2024, s’élevant à environ 2400 milliard d’euros.
Correction
1.1 Si la puissance installée était disponible 100 % du temps, en une année, on génèrerait :
$*E = P·\Delta t*$ = 1443·109×24×365 = 1,26·1016 W·h, soit 12.600 TW·h
Cette énergie est près de trois fois (2,75) supérieure à l’énergie électrique effectivement produite. Donc la puissance « réelle » est environ 3 fois plus faible que la puissance installée.
Remarque : vous pouvez aussi répondre à cette question en calculant la puissance réelle à partie de l’énergie réelle. Vous tomberez sur le même constat – la puissance effective est 2,75 fois plus faible que la puissance installée.
1.2. Pour pouvoir comparer ces deux grandeurs, il faut les exprimer dans la même unité. Ici, je choisis les joules :
4578 TWh = 4578·1012×3600 ≃ 16,5 millions de TJ.
La part de l’énergie d’origine hydroélectrique est de 16,5÷66×10 = 25 %.
2.1. Là encore, il faut comparer les énergies exprimées dans les mêmes unités. La production de la centrale de Trois-Gorges vaut :
$*E*$ = 103,6·1012×3600 = 3,73·1017 J
Donc, pour produire une énergie de 66 millions de TJ, soit 6,6·1019 J, il faudrait :
6,6·1019÷3,73·1017 = 177 centrales équivalentes
2.2. Le coût de ces 177 centrales seraient d’environ 4.000 milliards d’euros, ce qui ne représente même pas deux années de budget militaire mondial. Reste à savoir si des ressources hydrauliques suffisantes existent. Et compter sur le souci des dirigeants mondiaux pour l’avenir de l’Humanité – ce qui est encore plus improbable.
Stockage du surplus d’énergie
Cet exercice a été donné en devoir en 2020/2021. D’après un exercice du Livre scolaire.
Le développement des énergies renouvelables (EnR), incontournable à moyen terme, est encore freiné par des problèmes intrinsèques comme une production localisée et irrégulière dans le temps. L’acheminement de l’énergie doit se faire sur les zones de consommation et nécessite des dispositifs de stockage pour pallier la production intermittente.
Donnée : 1,25 L de pétrole possède une masse de 1,0 kg et sa combustion libère une énergie de 40 MJ soit 11 kW⋅h.
Besoins énergétiques
Aujourd’hui, chaque habitant en France consomme en moyenne une puissance de 5,1 kW en permanence. Le choix d’exploiter les ressources renouvelables d’énergie pour répondre à ces besoins implique de pouvoir calculer les apports de chacune de ces sources.
Pour cela, on détermine le flux d’énergie annuel moyen par unité de surface pour chaque source d’énergie : le solaire 25 W·m-2, l’éolien 2 à 3 W·m-2, la biomasse 0,5 W·m-2, la géothermie 0,06 W·m-2 et l’hydroélectrique 0,02 W·m-2.
En tenant compte de la variation de l’ensoleillement moyen suivant les saisons, on peut évaluer qu’il faudrait stocker pendant l’été 20 % de l’énergie totale pour pouvoir passer l’hiver.
La plateforme MYRTE : l’énergie solaire à la demande
La plateforme MYRTE (Mission hydrogène renouvelable pour l’intégration au réseau électrique) est un projet expérimental de stockage de dihydrogène installé depuis 2012 en Corse.
Il s’agit de la plus importante installation au monde de gestion d’énergie via le dihydrogène couplé à un champ photovoltaïque. Elle est constituée de 3 700 m2 de panneaux solaires. Elle envoie sur le réseau électrique l’énergie demandée, mais si cette énergie est inférieure à l’énergie produite, cette plateforme peut stocker l’énergie produite via un électrolyseur qui transforme l’eau en dihydrogène et dioxygène. Elle est ensuite utilisée au sein d’une pile à combustible de 100 kW pour restituer de l’énergie électrique.
Lors de pics de consommation, ce système fournit ainsi cette énergie stockée et peut également lisser la production de la centrale photovoltaïque. Le rendement global du système de stockage est de l’ordre de 40 %.
L’ENE-FARM au Japon, pile à combustible résidentielle
Les piles à hydrogène résidentielles sont une réalité au Japon depuis 2009. En effet, l’ENE-FARM est un système de cogénération de piles à combustible résidentielles. Cette installation transforme le méthane qui lui est fourni en dihydrogène. Elle capable de fournir de l’électricité et de la chaleur à partir de réactions chimiques décrites ci-dessous avec un rendement global de 94 %.
L’avantage de la pile à combustible résidentielle est qu’elle permet d’exploiter la chaleur produite par les réactions chimiques qui s’y déroulent, ce qui permet d’obtenir un rendement proche de 100 %.
Questions
1.a. En supposant que l’on utilise l’énergie solaire comme seule source pour satisfaire les besoins énergétiques de la France, calculer la surface de panneaux photovoltaïques nécessaire aux besoins d’un Français en se basant sur les valeurs moyennes annuelles.
1.b. Calculer la valeur de l’énergie solaire qu’un Français devrait stocker pendant l’été pour couvrir ses besoins en hiver.
1.c. En déduire le volume de pétrole qui contiendrait cette énergie stockée pendant l’hiver.
En supposant que la production des panneaux photovoltaïques de la plateforme MYRTE est de 700 MW⋅h sur un an, et qu’un tiers de cette production électrique passe par la chaîne de stockage à dihydrogène, calculer, sur un an :
2.a. l’énergie électrique délivrée au réseau par les panneaux photovoltaïques ;
2.b. l’énergie électrique fournie au réseau par les piles à combustible ;
2.c. l’énergie électrique totale fournie au réseau par la plateforme.
3. Quels sont les avantages d’une installation de type ENE-FARM par rapport à une installation classique électricité du réseau de distribution + alimentation en gaz pour la production de chaleur ?
Vous répondrez à cette question en expliquant l’affirmation « permet d’obtenir un rendement proche de 100 % » mais aussi en présentant au moins deux autres arguments non cités dans le document.
Correction
1.a. Un français nécessite 5,1 kW. Le solaire produit 25 W·m-2.
Il faut donc une surface de 5100÷25 = 204 m2.
1.b. Énergie totale annuelle : 5100×365×24×3600 = 161 GJ (ou 44,7 MW·h)
Il faut stocker pendant l’été 20 % de cette énergie, soit 32,2 GJ (ou 8,94 MW·h).
1.c. 1,25 L de pétrole produit 40 MJ. Quel volume pour 32,2 GJ ? Il s’agit d’une simple proportionnalité : $*V*$ = (32,2·109×1,25)÷(40·106) = 1005 L soit environ 1000 L.
2.a. Il s’agit des deux tiers restant, qui sont directement envoyés sur le réseau, sans être stocké (467 MW·h ou 1,68 TJ)
2.b. 233 MW·h ont été stockés avec un rendement de 40 %, donc les piles à combustible ont restitué 93 MW·h (ou 335 GJ).
2.c. Le total est donc de 467 + 93 = 560 MW·h
3. La chaleur produite par la pile et le dispositif de traitement est utilisée pour chauffer de l’eau et/ou la maison. C’est donc une énergie utile qui est comptée dans le rendement du dispositif. Ce très bon rendement permet donc de consommer moins d’énergie.
L’installation permet également d’être autonome par rapport au réseau électrique et d’éviter les pertes d’énergie lors du transport de l’électricité. Ça permet aussi de lisser la consommation de la maison lors des pics ou des creux de consommation, la part d’électricité consommée provenant du réseau électrique pouvant varier.