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Enseignement scientifique — Le futur des énergies

Les atouts de l'électricité

Énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique), cellule photovoltaïque, énergie éolienne, stockage (batteries, STEP), intermittence

Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub

Résumé

Les énergies renouvelables sont des sources d'énergie inépuisables à l'échelle humaine. L'énergie solaire peut être captée par des cellules photovoltaïques qui convertissent directement la lumière en électricité grâce à l'effet photoélectrique dans un semi-conducteur (silicium) : un photon d'énergie suffisante libère un électron, créant un courant continu. Le rendement des panneaux commerciaux est de $15$ à $22\,\%$. L'énergie éolienne utilise la force du vent pour faire tourner des pales reliées à un alternateur ; une éolienne terrestre de $3\ \mathrm{MW}$ peut alimenter environ $1\,500$ foyers. L'énergie hydraulique (barrages) est la première source d'électricité renouvelable au monde, avec un excellent rendement ($\approx 90\,\%$). Le principal défi des renouvelables est l'intermittence : le soleil ne brille pas la nuit, le vent ne souffle pas toujours. Le stockage est donc crucial : batteries au lithium-ion, STEP (stations de transfert d'énergie par pompage, qui pompent l'eau en altitude quand l'électricité est abondante et la turbinent quand la demande est forte) ou hydrogène vert.

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Questions fréquentes

Les points clés à retenir sur Les atouts de l'électricité, extraits du quiz de révision.

L'effet photoélectrique dans une cellule photovoltaïque utilise un :
Réponse :
Semi-conducteur (silicium)
Les cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de semi-conducteurs, principalement le silicium dopé. La jonction PN crée un champ électrique interne qui sépare les charges libérées par les photons, générant un courant continu.
Le rendement des panneaux solaires commerciaux est d'environ :
Réponse :
$15$–$22\,\%$
Les panneaux commerciaux ont un rendement de $15$ à $22\,\%$ selon la technologie : monocristallin ($18$–$22\,\%$), polycristallin ($15$–$18\,\%$), couche mince ($10$–$13\,\%$). En laboratoire, des cellules multi-jonctions dépassent $47\,\%$.
La puissance récupérable par une éolienne est proportionnelle à :
Réponse :
Le cube de la vitesse du vent
La puissance éolienne est proportionnelle au cube de la vitesse du vent : $P \propto v^{3}$. Si le vent double (de $5$ à $10\ \mathrm{m/s}$), la puissance est multipliée par $8$. C'est pourquoi le choix de l'emplacement est crucial pour la rentabilité d'une éolienne.
La limite de Betz fixe le rendement maximal théorique d'une éolienne à :
Réponse :
$59\,\%$
La limite de Betz (1919) montre qu'une éolienne ne peut théoriquement récupérer que $\dfrac{16}{27} \approx 59\,\%$ de l'énergie cinétique du vent. En pratique, les meilleures éoliennes atteignent $45$–$50\,\%$ de rendement aérodynamique.
Une STEP (station de pompage) fonctionne en :
Réponse :
Pompant l'eau vers le haut quand l'électricité est abondante
Une STEP pompe l'eau d'un bassin bas vers un bassin haut quand l'électricité est abondante et peu chère (nuit, excédent renouvelable), puis la turbine quand la demande est forte. C'est la principale technologie de stockage d'électricité à grande échelle (rendement $\approx 75$–$80\,\%$).
Le facteur de charge d'une éolienne terrestre est d'environ :
Réponse :
$25\,\%$
Le facteur de charge d'une éolienne terrestre est d'environ $25\,\%$ : elle produit en moyenne $25\,\%$ de sa puissance nominale. En offshore, il atteint $35$–$40\,\%$ grâce à des vents plus forts et réguliers.
L'énergie hydraulique représente environ quelle part de l'électricité mondiale ?
Réponse :
$16\,\%$
L'énergie hydraulique (barrages) fournit environ $16\,\%$ de l'électricité mondiale, ce qui en fait la première source d'électricité renouvelable. Elle est majeure au Brésil, en Norvège, au Canada et en Chine.
L'hydrogène vert est produit par :
Réponse :
Électrolyse de l'eau avec de l'électricité renouvelable
L'hydrogène vert est produit par électrolyse de l'eau ($2\,\mathrm{H_2O} \rightarrow 2\,\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2}$) en utilisant de l'électricité d'origine renouvelable. Il peut ensuite être reconverti en électricité via une pile à combustible. Le rendement global est d'environ $30$–$40\,\%$.
Un panneau photovoltaïque produit du courant :
Réponse :
Continu
Les cellules photovoltaïques produisent du courant continu (DC). Un onduleur est nécessaire pour le convertir en courant alternatif (AC) à $50\ \mathrm{Hz}$ compatible avec le réseau électrique français.
L'intermittence des renouvelables signifie que :
Réponse :
Leur production varie selon la météo
L'intermittence signifie que la production solaire et éolienne varie selon les conditions météorologiques (ensoleillement, vent), contrairement aux centrales nucléaires ou thermiques qui produisent en continu. C'est le principal défi de l'intégration massive des renouvelables.