Partie A — Produire de l’électricité en limitant le bilan carbone

L’électricité peut être produite à partir de plusieurs ressources. Aujourd’hui, on cherche à développer des méthodes qui évitent la combustion, car la combustion des combustibles fossiles libère du dioxyde de carbone CO₂, principal gaz à effet de serre émis par les activités énergétiques humaines.

Le programme demande de connaître trois méthodes permettant d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter de combustion.

Le cas important : la centrale nucléaire

Dans une centrale nucléaire, l’électricité n’est pas produite directement par la fission. La fission libère d’abord de l’énergie thermique. Cette chaleur transforme de l’eau en vapeur. La vapeur met en mouvement une turbine. La turbine entraîne un alternateur, qui produit de l’énergie électrique.

À retenir : le nucléaire est un exemple de conversion indirecte : on passe par une étape thermique avant d’obtenir un mouvement mécanique, puis de l’électricité.

Rendement d’une chaîne de conversion

Lors d’une conversion d’énergie, toute l’énergie reçue n’est pas convertie en énergie utile. Une partie est perdue, souvent sous forme de chaleur.

Le rendement global d’une chaîne de conversion est le produit des rendements des différentes étapes.

Partie B — Transporter l’électricité en limitant les pertes

Une fois produite, l’électricité doit être transportée depuis les lieux de production jusqu’aux lieux de consommation. Le problème est que les lignes électriques ne sont pas parfaites : elles possèdent une résistance.

Quand un courant électrique circule dans un câble, une partie de l’énergie électrique est transformée en chaleur. Cette perte d’énergie s’appelle l’effet Joule.

P_J est la puissance dissipée par effet Joule, en watt ; R est la résistance du câble, en ohm ; I est l’intensité du courant, en ampère.

Phrase clé : les pertes par effet Joule augmentent avec le carré de l’intensité. Si l’intensité est multipliée par 10, les pertes sont multipliées par 100.

Première idée : diminuer la résistance du câble

La résistance d’un câble dépend de sa longueur, du matériau utilisé et de sa section. Pour diminuer les pertes, on peut utiliser un matériau très conducteur et augmenter le diamètre du câble.

Mais cette solution a des limites : des câbles très gros sont lourds, chers, difficiles à installer et nécessitent beaucoup de matière première.

Deuxième idée : diminuer l’intensité grâce à la haute tension

Pour transporter une même puissance électrique, on utilise la relation :

Si la puissance transportée est fixée, alors augmenter la tension U permet de diminuer l’intensité I.

Or les pertes par effet Joule dépendent de I². Donc diminuer l’intensité permet de diminuer très fortement les pertes.

Conclusion essentielle : on transporte l’électricité à très haute tension pour diminuer l’intensité du courant et donc limiter les pertes par effet Joule.

Le rôle du transformateur

Un transformateur permet de modifier la tension du courant alternatif. À la sortie d’une centrale, on élève la tension pour transporter l’électricité avec peu de pertes. Près des utilisateurs, on abaisse la tension pour la rendre utilisable et moins dangereuse.

Réseau électrique, équilibre offre-demande et stockage

Le réseau électrique relie les lieux de production et les lieux de consommation. À chaque instant, la production doit être presque égale à la consommation. Si cet équilibre n’est pas respecté, le réseau peut devenir instable.

Le développement de certaines productions renouvelables pose une difficulté : elles sont intermittentes. Une éolienne dépend du vent ; un panneau photovoltaïque dépend de l’ensoleillement ; la consommation, elle, varie selon les heures et les usages.

Pour faire face à l’intermittence, il faut pouvoir stocker l’énergie, adapter la consommation, mobiliser d’autres moyens de production ou échanger de l’électricité avec d’autres territoires.

Comparer des dispositifs de stockage

Le programme demande de comparer les dispositifs de stockage selon plusieurs critères : capacité, durée de stockage, masse, rendement, coût, impact écologique et rapidité de restitution.