Les réserves des ressources énergétiques non renouvelables diminuent au fur et à mesure que l'Homme les exploite, d'où la nécessité d'utiliser davantage de sources d'énergie qui, de plus, sont moins nocives pour l'environnement. L'électricité est un moyen de transporter de l'énergie. Malheureusement, tous les conducteurs parcourus par un courant électrique dissipent une partie de l'énergie électrique sous forme de chaleur par effet Joule, du fait de leur inévitable résistance électrique. Les générateurs électriques convertissent en énergie électrique une autre forme d'énergie, telle l'énergie chimique dans le cas des piles.
Les ressources énergétiques
Les ressources énergétiques renouvelables
Les ressources énergétiques renouvelables sont celles dont les réserves ne diminuent pas malgré leur exploitation par l'Homme. À l'échelle humaine, elles sont donc exploitables sans limite de durée.
| Ressource énergétique renouvelable | Énergie solaire | Énergie éolienne | Énergie hydraulique | Géothermie | Biomasse |
|---|---|---|---|---|---|
| Origine | Le Soleil | Le vent | L'eau en mouvement | Le sol | Le monde vivant, végétal ou animal |
Les ressources énergétiques non renouvelables
Les ressources énergétiques non renouvelables sont celles dont les réserves diminuent. L'Homme les consomme plus vite qu'elles ne se reconstituent.
| Ressource énergétique non renouvelable | Énergie chimique fossile | Énergie nucléaire |
|---|---|---|
| Origine | Fossilisation d'êtres vivants : pétrole, gaz, charbon | Noyaux d'uranium 235 |
L'utilisation de ces énergies présente un autre inconvénient : la production de polluants (dioxyde de carbone, autres oxydes de soufre, d'azote, etc.) ou de déchets radioactifs qu'il faut stocker sur des millions d'années...
Transport et stockage de l'énergie
Transport
Il existe deux façons de transporter l'énergie depuis les zones d'exploitation des ressources jusqu'aux lieux de consommation :
- Directement : les pétroliers, camions citernes, oléoducs ou gazoducs permettent de transporter les ressources fossiles, donc l'énergie chimique qu'ils contiennent.
- Sous forme d'énergie électrique : au moyen de lignes à haute tension afin de minimiser les pertes.
L'électricité apparaît donc comme un moyen de transport de l'énergie et pas comme une ressource énergétique.
Stockage
Il est possible de stocker certaines ressources énergétiques (les ressources fossiles, l'uranium, l'eau, la biomasse) mais pas l'électricité (sauf à petite échelle dans les piles et les batteries). Il est donc nécessaire d'adapter la production à la consommation.
Relation entre puissance et énergie
Puissance
La puissance caractérise la vitesse d'un transfert d'énergie :
P_{\left(W\right)} = \dfrac{E_{\left(J\right)} }{\Delta t_{\left(s\right)} }
Elle s'exprime en watt (W).
La puissance d'un système qui transfère une énergie de 100 J en 2,0 s est :
P = \dfrac{E }{\Delta t } = \dfrac{100}{2{,}0} = 50 W.
Chaîne énergétique
Représentation
Les transferts d'énergie ou de puissance entre différents systèmes ainsi que les formes d'énergies mises en jeu sont représentés à l'aide d'une chaîne énergétique.
Par convention, on représente :
- Les systèmes dans des ellipses
- Les réservoirs d'énergie dans des rectangles
- Les transferts d'énergie ou de puissance par des flèches, au-dessus desquelles on peut indiquer leur nature.
Chaîne énergétique
D'après le principe de conservation de l'énergie, la somme des énergies qui "entrent" dans le système est égale à la somme de celles qui en "sortent".
Rendement
Rendement
Le rendement d'une conversion d'une chaîne énergétique 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 \eta :
\eta = \dfrac{E_{utile\left(J\right)}}{E_{absorbée\left(J\right)}} = \dfrac{P_{utile\left(W\right)}}{P_{absorbée\left(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.
La chaîne énergétique d'un moteur électrique est la suivante :
Chaîne énergétique d'un moteur électrique
Le rendement d'un moteur électrique qui consomme une puissance électrique de 200 W et fournit une puissance mécanique de 160 W est :
\eta = \dfrac{P_{mécanique}}{P_{électrique}} = \dfrac{160}{200} = 0{,}800 = 80{,}0 %
Les conversions dans un circuit électrique
Puissance et énergie électriques
Puissance électrique
La puissance électrique Pél reçue ou générée par un appareil électrique est égale au produit de la tension U entre ses bornes par l'intensité I du courant qui le traverse :
P_{él\left(W\right)} = U_{\left(V\right)} \times I_{\left(A\right)}
La puissance électrique Pél reçue par un dipôle soumis à une tension de 9,0 V et traversé par une intensité de 200 mA est :
P_{él} = U\times I = 9{,}0 \times 200 \times 10^{-3} = 1{,}8 W.
Énergie électrique
L'énergie électrique E reçue ou générée par un appareil électrique est égale au produit de sa puissance électrique P par la durée de fonctionnement \Delta t :
E_{\left(J\right)} = P_{él\left(W\right)} \times \Delta t_{\left(s\right)} = U_{\left(V\right)} \times I_{\left(A\right)} \times \Delta t_{\left(s\right)}
L'énergie électrique Eél reçue par un dipôle soumis à une tension de 9,0 V et traversé par une intensité de 200 mA pendant 10 s est :
E_{él} = U \times I \times \Delta t = 9{,}0 \times 200 \times 10^{-3} \times 10= 18 J.
La consommation d'énergie électrique domestique est généralement exprimée en kWh :
E_{\left(kWh\right)} = P_{él\left(kW\right)} \times \Delta t_{\left(h\right)}
1 kWh = 3{,}600 \times 10^{6} J = 3,600 MJ
L'énergie consommée par un appareil électrique de puissance 2,0 kW fonctionnant pendant 3,0 h est :
E = P \times \Delta t = 2{,}0 \times 3{,}0 = 6{,}0 kWh, soit : E = 6{,}0 \times 3{,}600 \times 10^{6} = 2{,}2 \times 10^{7} J
Les conventions récepteur et générateur
Les tensions et intensités électriques sont des grandeurs algébriques : elles peuvent donc être positives ou négatives. Il est possible de choisir leur sens arbitrairement et de le confirmer par un calcul ou une mesure : si on trouve une valeur négative, c'est que le sens "réel" est opposé à celui choisi. Il est quand même préférable d'adopter une convention qui dépend du rôle du dipôle électrique :
- Pour un récepteur, les flèches des tension et courant sont dirigées dans des sens opposés.
- Pour un générateur électrique, les flèches des tension et courant sont dirigées dans le même sens.
Conventions récepteur et générateur
Exemple d'un récepteur électrique : le conducteur ohmique
Expression de la tension en fonction de l'intensité
Récepteur électrique
Un récepteur électrique est un dipôle électrique qui reçoit de l'énergie électrique et la convertit en une autre forme d'énergie.
| Récepteur | Résistance | Moteur | Lampe |
|---|---|---|---|
| Convertit l'énergie électrique en énergie... | Thermique (chaleur) | Mécanique | Rayonnante (lumineuse) |
Un conducteur ohmique convertit l'énergie qu'il reçoit en énergie thermique (chaleur) par effet Joule.
Effet Joule
Un conducteur ohmique convertit l'énergie qu'il reçoit depuis un générateur électrique en énergie thermique. Cette énergie est dissipée vers le milieu extérieur.
L'effet Joule est souvent gênant car il provoque l'échauffement d'appareils électriques où il est néfaste : ordinateur, télévision, console de jeux vidéo, etc. Mais il peut être mis à profit dans d'autres appareils : radiateur électrique, bouilloire électrique, etc.
Une résistance électrique est un conducteur ohmique. Sa caractéristique permet de déterminer la relation qui lie la tension UAB entre ses bornes et l'intensité I qui la traverse.
Représentation d'une résistance électrique
Caractéristique d'un dipôle électrique
La caractéristique d'un dipôle électrique est le graphique représentant la tension entre ses bornes en fonction de l'intensité qui le traverse (ou inversement).
Caractéristique tension - intensité d'une résistance
La caractéristique tension - intensité d'une résistance électrique étant une droite qui passe par l'origine, on en déduit que ces deux grandeurs sont proportionnelles.
Loi d'Ohm
La tension UAB entre les bornes A et B d'un conducteur ohmique de résistance R et l'intensité I qui le traverse sont des grandeurs proportionnelles :
U_{AB\left(V\right)} = R_{\left(\Omega\right)} \times I_{\left(A\right)}
Une résistance de 120 \Omega est traversée par un courant d'intensité 200 mA, la tension entre ses bornes est :
U_{AB} = R \times I = 120 \times 200 \times 10^{-3} = 24{,}0 V.
Bilan énergétique
Un conducteur ohmique convertit intégralement la puissance électrique qu'il reçoit en puissance thermique :
Chaîne énergétique d'un conducteur ohmique
Puissance dissipée par effet Joule
La puissance PJ dissipée par effet Joule par un conducteur ohmique dépend de la valeur de sa résistance R et de l'intensité I qui le traverse :
P_{J\left(W\right)} = R_{\left(\Omega\right)} \times I_{\left(A\right)}^{2}
La puissance dissipée par effet Joule par une résistance de 120 \Omega traversée par un courant d'intensité 200 mA est :
P_{J} = R \times I^{2} = 120 \times \left(200 \times 10^{-3}\right)^{2} = 4{,}80 W.
Un conducteur ohmique convertit intégralement la puissance électrique qu'il reçoit en puissance thermique, d'où :
P_{J} = P_{él} = U_{AB} \times I
Or, d'après la loi d'Ohm : U_{AB} = R \times I, soit :
P_{J} = U_{AB} \times I = \left(R \times I\right) \times I = R \times I^{2}
Le générateur électrique : exemple d'une pile électrochimique
Expression de la tension en fonction de l'intensité
Générateur électrique
Un générateur électrique est un dipôle électrique qui convertit une forme d'énergie (appelée "énergie d'entrée") en énergie électrique.
L'énergie d'entrée des piles ou batteries est l'énergie chimique, qu'elles convertissent en énergie électrique par le biais d'une réaction d'oxydoréduction.
Représentation d'un générateur électrique
La caractéristique tension - intensité d'un générateur électrique est une droite décroissante dont l'équation lie la tension UPN entre ses bornes et l'intensité I qui la traverse :
Tension aux bornes d'un générateur
L'expression de la tension UPN entre les bornes d'un générateur est :
U_{PN\left(V\right)} = E_{\left(V\right)} - r_{\left(\Omega\right)} \times I_{\left(A\right)}, où :
- E est la force électromotrice du générateur. C'est la tension entre ses bornes lorsqu'il ne délivre pas d'intensité.
- r est la résistance interne du générateur.
Lorsqu'elle délivre une intensité de 60 mA, la tension aux bornes d'une pile de force électromotrice de 4,5 V et de résistance interne 5,0 \Omega est :
U_{PN} = E - r \times I = 4{,}5 - 5{,}0 \times 60 \times 10^{-3} = 4{,}2 V.
Bilan énergétique
Un générateur électrique fournit de la puissance électrique au circuit mais dissipe aussi une partie de sa puissance sous forme thermique par effet Joule.
Chaîne énergétique d'un générateur électrique
Puissance chimique d'un générateur électrochimique
La puissance Pchimique que puise le générateur afin de la convertir en puissance électrique est :
P_{chimique\left(W\right)} = E_{\left(V\right)} \times I_{\left(A\right)}
La puissance chimique que puise une pile électrochimique de 4,5 V lorsqu'elle délivre une intensité de 60 mA est :
P_{chimique} = E \times I = 4{,}5 \times 60 \times 10^{-3} = 0{,}27 W.
De par sa résistance interne, inévitable, le générateur électrique dissipe une partie de son énergie par effet Joule. La puissance dissipée a pour expression :
P_{J\left(W\right)} = r_{\left(\Omega\right)} \times I^{2}_{\left(A\right)}
La puissance qu'une pile dissipe par effet Joule du fait de sa résistance interne de 5,0 \Omega lorsqu'elle délivre une intensité de 60 mA est :
P_{J} = r \times I^{2} = 5{,}0 \times \left(60 \times 10^{-3}\right)^{2} = 1{,}8 \times 10^{-2} W.
La puissance que le générateur fournit au circuit est :
P_{él} = U_{PN} \times I
Or, la tension aux bornes du générateur est : U_{PN} = E - r \times I, soit :
P_{él} = U_{PN} \times I = \left(E - r \times I\right) \times I = E \times I - r \times I^{2}, ou encore :
E \times I = P_{él} + r \times I^{2}.
Dans cette dernière équation, on reconnaît la puissance dissipée par effet Joule : P_{J} = r \times I^{2}. Le terme E \times I apparaît alors comme la puissance d'entrée, ici une puissance chimique, que le générateur convertit en puissance électrique (qu'il transmet au circuit) et dont il dissipe une partie par effet Joule :
Pchimique = Pél + PJ , avec P_{chimique} = E \times I et P_{J} = r \times I^{2}
L'énergie, et donc la puissance, étant conservée, la puissance chimique d'une pile est intégralement convertie en puissance électrique et en puissance thermique :
Pchimique = Pél + PJ
Le rendement du générateur électrochimique est donc :
\eta = \dfrac{P_{él \left(W\right)}}{P_{chimique \left(W\right)}} = \dfrac{U_{PN\left(V\right)}}{E_{\left(V\right)}}
Le rendement d'une pile électrochimique de force électromotrice E = 4,5 V lorsque la tension entre ses bornes est UPN = 4,2 V est :
\eta = \dfrac{U_{PN}}{E} = \dfrac{4{,}2}{4{,}5} = 0{,}93 = 93 %.
Sachant que la pile délivre alors une intensité de 60 mA, on peut aussi calculer son rendement à partir des puissances :
- Puissance électrique : P_{él} = U_{PN} \times I = 4{,}2 \times 60 \times 10^{-3} = 0{,}252 W.
- Puissance chimique : P_{chimique} = E \times I = 4{,}5 \times 60 \times 10^{-3} = 0{,}27 W.
D'où : \eta = \dfrac{P_{él}}{P_{chimique}} = \dfrac{0{,}252}{0{,}27} = 0{,}93 = 93 %