Puissance et énergie

Maintenir une puissance $P$ pendant un temps $t$ consomme l’énergie $E$ donnée par :

$E = P\times t$

Si $P$ est en watts (W) et $t$ en secondes (s),
alors $E$ est en joules (J). Mais le plus souvent,
$P$ est en kW et $t$ en h et donc $E$ en kWh.

$\pu{1 kWh} = \pu{3,6 MJ}$

Robert aurait produit $\pu{1 kWh}$
en maintenant son effort pendant 1h26 🥵

En moyenne, un français consomme à tout moment environ $\pu{1 kW}$ de puissance électrique.

Cela donne un peu moins de $\pu{9 MWh}$
d'énergie électrique consommée sur une année.

Comme on est seulement capable de maintenir en permanence environ $\pu{100 W}$ d'effort musculaire,
c'est comme si on était à tout moment
assisté par $10$ humains !

Les différents types
de centrales électriques

Parmi ces centrales, lesquelles produisent de l’électricité grâce à un turbo-alternateur ?

Toutes sauf la photovoltaïque !

Puissances typiques
des différentes centrales

1 réacteur produit environ $\pu{1 GW de puissance}$ et une centrale contient généralement plusieurs réacteurs.

La centrale de Civaux, dans la Vienne
produit $\pu{3 GW}$ de puissance et celle du Blayais,
en Gironde, fournit $\pu{3,6 GW}$. C'est théoriquement suffisant pour les 6 millions d'habitants
de la Nouvelle-Aquitaine.

La centrale électrique la plus puissante au monde est le barrage des Trois Gorges en Chine qui
peut produire jusqu’à $\pu{22,5 GW}$.

En France, la centrale hydroélectrique la plus puissante est celle de Grand'Maison, dans l'Isère,
qui peut fournir $\pu{1,8 GW}$.

Les centrales thermiques à flamme les plus puissantes (à gaz ou à charbon) peuvent fournir jusqu’à $\pu{5,5 GW}$, mais leur puissance est le plus souvent comprise
entre $0,5$ et $\pu{2 GW}$.

Une éolienne onshore peut fournir $2$-$\pu{3 MW}$,
ce qui pourrait théoriquement alimenté un village comme L’Houmeau (si elle tournait tout le temps).

La puissance typique d'une éolienne offshore est plus grande : de $10$ à $\pu{15 MW}$ pour les modernes.

Le plus grand parc éolien est en Chine.
Il peut produire jusqu'à $\pu{6 GW}$.

La plus grande centrale solaire photovoltaïque est en Inde et peut fournir jusqu’à $\pu{2,2 GW}$ alors que la plus grande centrale solaire thermique est au Maroc et la puissance installée du complexe est de $\pu{590 MW}$.

Le Soleil envoie environ $\pu{1 kW/m2}$ au niveau du sol
et les rendements des panneaux photovoltaïques sont d'environ 20%. Il faut donc au moins $\pu{5000000 m2}$,
soit $\pu{500 ha}$ pour produire $\pu{1 GW}$.

La plus grande centrale géothermique est en Californie et fournit jusqu’à $\pu{1,6 GW}$, mais la plupart des autres centrales ne fournissent qu’entre $1$ et $\pu{100 MW}$.

Facteur de charge

Si une centrale maintenait sa puissance nominale
(de $x$ $\pu{kW}$) toute l’année, elle produirait une énergie $E_{\text{max}}=x$ $\pu{kW}\times\pu{8766 h/an} = x\times \pu{8766 kWh/an}$.

Mais en pratique, l’énergie produite $E_{\text{réelle}}$ est toujours moindre et on appelle facteur de charge le rapport :

$$\frac{E_{\text{réelle}}}{E_{\text{max}}}$$

Plus l’énergie est intermittente,
plus le facteur de charge est faible :

  • $\approx 80\%$ pour une centrale nucléaire ou à flamme,
  • $40$-$60\%$ pour une centrale hydroélectrique,
  • $20$-$40\%$ pour un champ éolien
    (jusqu'à $50\%$ pour un champ offshore),
  • $10$-$25\%$ pour une centrale solaire photovoltaïque
    (jusqu'à $40\%$ pour une solaire thermique).

Mix France et Monde

Évolution du mix et données par pays

Le prix du kWh

$\ce{CO2}$

40% des émissions de $\ce{CO2}$ mondiales
proviennent de la production d’électricité.

Avantages/Inconvénients
des différentes centrales

Avantages :

  • Production d'électricité constante et fiable.
  • Faibles émissions de gaz à effet de serre.
  • Besoin de peu de combustible pour produire une grande quantité d'énergie.
  • Longue durée de vie des centrales.

Inconvénients :

  • Risques associés aux accidents nucléaires.
  • Problèmes de gestion des déchets radioactifs.
  • Coûts élevés de construction et de démantèlement.
  • Risques de prolifération nucléaire.

Avantages :

  • Production d'électricité constante et fiable.
  • Technologie éprouvée et bien maîtrisée.
  • Coûts initiaux relativement faibles.
  • Facilement pilotable pour ajuster l'offre à la demande (en particulier pour le gaz).

Inconvénients :

  • Fortes émissions de gaz à effet de serre.
  • Pollution atmosphérique (particules, $\ce{SO2}$, $\ce{NO_x}$).
  • Exploitation des ressources fossiles non renouvelables.
  • Impact environnemental de l'extraction du charbon.

Avantages :

  • Production d'électricité renouvelable.
  • Capacité de stockage d'énergie
    ($\rightarrow$ régulation du réseau).
  • Longue durée de vie des installations.
  • Faibles émissions de gaz à effet de serre.

Inconvénients :

  • Impact sur les écosystèmes aquatiques.
  • Déplacement des populations locales.
  • Risques d'inondation en aval.
  • Coûts initiaux élevés.

Avantages :

  • Énergie renouvelable.
  • Faibles émissions de gaz à effet de serre.
  • Coûts opérationnels faibles.

Inconvénients :

  • Production intermittente.
  • Importante consommation de métaux
    par kWh produit.
  • Impact visuel et sonore.
  • Besoin de grands espaces pour les installations.

Avantages :

  • Énergie renouvelable.
  • Faibles émissions de gaz à effet de serre.
  • Peu d'entretien nécessaire.
  • Modularité et adaptabilité.

Inconvénients :

  • Production intermittente.
  • Importante consommation de matériaux
    par kWh produit.
  • Besoin de beaucoup de surface.

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