Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable L ENERGIE ELECTRIQUE

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1 Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable L ELECTRIQUE T le STI2D CI 9 : Amélioration de l efficacité énergétique dans les chaines d énergie Cours ET 1. L électricité L électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. Présente naturellement dans notre environnement, l homme a depuis longtemps cherché à la maîtriser. C'est au cours du XIX e siècle que les propriétés de l'électricité ont commencé à être comprises. La foudre fut la première manifestation visible de l'électricité pour les humains. 2. Production de l énergie électrique L électricité est la forme d énergie la plus consommée en France. L électricité est difficilement stockable en grande quantité, la production de l énergie électrique est directement liée à la consommation. Cette production est obtenue principalement par transformation d énergies primaires. Principales transformations d énergies primaires : Sources d énergie non renouvelables Charbon Gaz Fioul Uranium CHIMIQUE NUCLEAIRE THERMIQUE Biomasse BIO- MECANIQUE Sources d énergie renouvelables Eau : - cours d eau - barrages - marées - vagues - courants marins Géothermie HYDRAULIQUE THERMIQUE ELECTRIQUE Vent EOLIENNE Soleil RAYONNANTE CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 1/8

2 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours 3. Mix énergétique Le mix électrique exprime la répartition de l ensemble des modes de production d électricité d un pays. Il sert, par exemple, à calculer les impacts environnementaux dus à la consommation d électricité dans un pays. Répartition des modes de production de l électricité en France en 2010 : Nucléaire 74,1 % Thermique à combustible fossile 10,8 % Autres renouvelables 2,7 % Hydraulique 12,4 % Gaz 52,6 % Charbon 33,5 % Photovoltaïque 4,0 % Fioul 13,9 % Eolien 64,0 % Biomasse 28,0 % Géothermie 0,7 % Energies marines 3,3 % Ce mix permet de déterminer l impact carbone d 1 kwh produit dans le pays. Par exemple : 83 g de CO 2 en France 498 g de CO 2 en Italie CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 2/8

3 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours 4. Transport et distribution de l énergie électrique L énergie électrique produite par les différentes centrales est transportée en haute tension, ce qui permet d acheminer de fortes puissances. Cette tension est ensuite abaissée pour la distribution à un niveau plus ou moins élevé selon la puissance demandée par le consommateur final. L énergie électrique est produite, transportée et distribué en régime alternatif (signal sinusoïdal) à une fréquence de 50 Hz (50 variations par secondes) Production et transport La production et le transport de l énergie électrique se font en régime alternatif triphasé. L énergie circule sur 3 conducteurs appelés phases (ou conducteurs de ligne). Dans ce cas, la tension entre chacune des phases est appelée tension composée, notée U. Ph1 Transport Ph2 U 12 U 31 Production Ph3 U 23 Distribution CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 3/8

4 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours 4.2. Distribution La distribution, quant à elle, se fait en régime alternatif triphasé ou monophasé : Les réseaux triphasés distribuent l énergie sur 4 conducteurs : Ä 3 phases (ou conducteurs de lignes) Ä 1 neutre Dans ce cas, deux tensions sont disponibles : Ä la tension entre chacune des phases appelée tension composée, notée U. Ä la tension entre une phase et le neutre appelée tension simple, notée V. Ph1 Distribution triphasée Ph2 U 12 U 31 V 1 Transport Ph3 U 23 V2 Consommation N V 3 Les réseaux monophasés distribuent l énergie sur 2 conducteurs : Ä 1 phase (ou conducteur de ligne) Ä 1 neutre Dans ce cas, la tension entre la phase et le neutre est appelée tension simple, notée V. Ph Distribution monophasée Transport V Consommation N Remarque : Il existe également des réseaux biphasés qui distribuent l énergie sur 2 phases. Dans ce cas, la tension entre ces deux phases est appelée tension composée, notée U Relation On peut exprimer la tension composée U en fonction de la tension simple V selon la relation : Ä U=! V Exemples : Réseaux 130 / 230 V ou 230 / 400 V ou 400 / 690 V... CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 4/8

5 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours 5. Les grandeurs électriques Afin d être correctement maîtrisée, l énergie électrique doit être quantifiée. Pour cela, les principales grandeurs électriques couramment utilisées sont : La tension ou différence de potentiel (exprimée en Volt V, d après Alessandro Volta [ ]). Le courant (exprimé en Ampère A, d après André- Marie Ampère [ ]). La puissance active (exprimée en Watt W, d après James Watt [ ]). Les relations liant ces grandeurs varient selon la nature de l énergie électrique utilisée (régime) et le type de récepteur Le régime continu (DC Direct Current) En régime continu, la tension (notée U ou V) et le courant (notée I) sont stables dans le temps. Les récepteurs utilisés dans ce régime sont principalement résistifs ou assimilables à une résistance R (exprimée en Ohm - Ω, d après Georg Ohm [ ]). Exemple de montage : Allure de la tension et du courant : U + I Récepteur U I - t La loi de base dans ce régime est la loi d Ohm : Ä U=R I Elle permet de lier directement la valeur de la tension et du courant en fonction de la résistance du récepteur. La puissance est le produit direct du courant par la tension : Ä P=U I Ou encore à partir de la loi d Ohm : Ä P=R I² Ä P= U² R CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 5/8

6 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours 5.2. Le régime alternatif (AC Alternative current) Tension et courant Les grandeurs étudiées en régime alternatif varient en permanence. On parle de grandeurs instantanées (notées par des lettres minuscules). Elles ne sont généralement pas exploitables directement à cause de leur perpétuelle variation. Exemple d allure de la tension et du courant : i(t) v(t) t La durée d une variation est appelée période, notée T, et dépend directement de la fréquence. Dans le cas de l énergie électrique, la fréquence est f = 50 Hz, soit une période T = 1(s)/f = 1/50 = 20 ms T Pour caractériser la tension et le courant, les quantifier et effectuer des calculs, nous avons recours à trois types de valeurs constantes : La valeur maximale (notée V ou Vˆ pour une tension simple), MAX La valeur moyenne (notée V MOY ou V pour une tension simple), La valeur efficace (notée V ou V pour une tension simple). EFF La valeur efficace traduit la quantité réellement utilisée de la grandeur considérée. Cas d une tension simple (monophasée) : V MAX V EFF V MOY t - V MAX CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 6/8

7 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours La relation liant la valeur efficace de la tension à la valeur maximale est : Ä Veff= Vmax 2 On peut appliquer la même relation pour une tension composée (triphasée) et un courant : Ä Ueff= Umax 2 et Ieff= Imax 2 Dans tous les cas, quelle que soit la grandeur considérée, cette relation n est valable que et uniquement que pour un signal purement sinusoïdal (valeur moyenne nulle) Déphasage Les récepteurs utilisés dans ce régime ne sont pas toujours purement résistif, contrairement au régime continu, et engendre parfois un décalage temporel entre le courant et la tension appelé déphasage. Ce sont des récepteurs dits inductifs (moteurs électriques ) ou capacitifs (condensateurs ) qui provoquent des déphasages. Il est donc parfois difficile de lier directement la valeur de la tension à celle du courant. Exemple de tension et de courant déphasés : v(t) i(t) Remarque : La période des deux grandeurs n est pas modifiée par le déphasage. t tj Le déphasage se mesure en seconde mais il est plus généralement exprimé sous la forme d un angle noté ϕ. La conversion s effectue en supposant qu un période du signal correspond à 360 (ou 2π rad). Dans le cas de la tension du réseau, si le décalage temporel mesuré est tϕ = 2 ms, cela correspond à un déphasage ϕ = (2 360) / 20 = 36 ou = (2 2π ) / 20 = 0,628 rad CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 7/8

8 T le STI2D L ELECTRIQUE Cours Puissance monophasée La puissance moyenne en monophasé, s écrit : Ä P = V I cos ϕ Avec : V : valeur efficace de v(t) I : valeur efficace de i(t) ϕ : angle de déphasage entre v(t) et i(t) Remarque : Dans le cas d une utilisation sur charge purement résistive (convecteur, plaques chauffantes, cafetière, lampe à incandescence ), le déphasage entre v(t) et i(t) est nul (ϕ = 0), donc cos ϕ = 1, soit P = V I Puissance triphasée En triphasé, à condition que le courant qui circule dans chacune des phases soit le même (utilisation équilibrée), la puissance moyenne totale est égale à trois fois la puissance moyenne sur une phase : Ä P = 3 V I cos ϕ Cette puissance est plus généralement exprimée en fonction de la tension composée, soit : Ä P = 3 U I cos ϕ CI9_2_cours_energie_electrique.docx Lycée Jules Ferry Versailles 8/8