Production, transport, utilisation de l'énergie électrique - TL

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Terminale
 

I. Généralités sur l'énergie

1. Définition 

L'énergie désigne la capacité à modifier un état ou à produire un travail  ou générant un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. 
 
2. Quelques sources d'énergie 
 
Les énergies sont également parfois classées en fonction de leur source. On peut parler des énergies fossiles (tirées du charbon ou du pétrole, par exemple), de l'énergie nucléaire (qui provient de réactions nucléaires), ou encore des énergies renouvelables, qui sont naturellement régénérées comme l'énergie solaire ou l'énergie éolienne

3. Formes d'énergie

L'énergie peut se présenter sous des formes très diverses :
 
$-\ $l'énergie mécanique qui se présente sous deux formes : énergie cinétique et énergie potentielle
 
$-\ $l'énergie thermique ou calorifique
 
$-\ $l'énergie chimique
 
$-\ $l'énergie rayonnante ou lumineuse
 
$-\ $l'énergie nucléaire 
 
$-\ $l'énergie électrique
 
L'énergie peut passer, dans certains conditions, d'une forme à un autre et vice versa : on dit qu'il y a transformation ou conversion d'énergie

4. Unités d'énergie

Dans le système international, l'énergie s'exprime en joules $(J)$, mais dans le langage courant, elle s'exprime plus souvent en wattheure en kilowatt-heure $(kWh)$ ; la calorie $(Cal)$ ; la thermie $(Th)$
 
$1Wh=3600J$ 

$1kWh=106Wh$ 

$1Cal=4.18J$ 

$1Th=106J$

II. Production de l'énergie électrique 

1. Mise en évidence du phénomène d'induction électromagnétique

1.1. Observation 

Introduisons un aimant dans une bobine connectée à un galvanomètre (Ampèremètre sensible à cadre mobile, dont l'aiguille dévie soit vers la droite soit vers la gauche selon le sens du courant). 
 
On constate :
 
 
$-\ $un courant circule dans la bobine pendant la durée du mouvement de l'aimant. 
 
Retirons l'aimant, un courant circule dans le sens opposé. Maintenons l'aimant immobile dans la bobine ; rien ne se passe.  
 
Maintenons l'aimant fixe et approchons la bobine, un courant circule de la bobine. Maintenons l'aimant toujours immobile, et éloignons la bobine, un courant circule dans la bobine

1.2. Conclusion

Le phénomène observé s'appelle induction électromagnétique. Le courant observé s'appelle courant induit. Son intensité est généralement variable dans le temps.
 
La bobine dans laquelle le courant induit circule est l'induit ou circuit induit. L'aimant est l'inducteur ou circuit inducteur
 
De même que tout courant est dû à une tension, le courant induit est dû à une tension induite appelée force électromotrice induite ou $f.é.m.$ induite.

2. Les alternateurs

2.1. Principe de fonctionnement 

Le principe d'induction magnétique est généralement expérimenté en déplaçant un aimant permanent dans une bobine. Une tension ou un courant se crée aux bornes de la bobine. Un alternateur fonctionne selon ce 
 
principe : un électroaimant, alimenté par un courant d'excitation, est en rotation à l'intérieur d'une bobine : il produit ainsi une tension alternative ou un courant alternatif.

2.2. Constitution d'un alternateur

Un alternateur est constitué de deux parties :
 
$-\ $le rotor : c'est la partie mobile de l'alternateur. Il est, en général, constitué de plusieurs aimants.
 
 
$-\ $le stator : comme son nom l'indique, le stator constitue la partie fixe ou statique, de l'alternateur.
 
Il s'agit donc le plus souvent de l'induit.
 
Les enroulements du stator sont fabriqués en fils de cuivre. Chaque spire de fil est isolée des autres spires. Dans le cas des alternateurs monophasés, les enroulements sont reliés en série

2.3. Rôle d'un alternateur

Le rôle de l'alternateur est de convertir de l'énergie mécanique en énergie électrique. L'électricité ainsi produite est utilisée de différentes manières selon les conditions de conduite 

3. Les centrales électriques

Une centrale électrique est un site industriel destiné à la production d'électricité. Les centrales électriques alimentent en électricité, au moyen du réseau électrique, les consommateurs, particuliers ou industriels éloignés de la centrale

3.1. Principe de fonctionnement d'une centrale électrique

Le principe général d'une centrale de production électrique est de transformer une source d'énergie primaire en énergie électrique. On peut donc considérer qu'elle est un convertisseur d'énergie 
 
L'énergie primaire à l'origine de la transformation peut être :
 
$-\ $chimique : issue de la combustion de matériaux fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole) ou non-fossiles (biomasse, par exemple) ;
 
$-\ $mécanique : générée par la force du vent, de l'eau des rivières ou des marées, etc. ;
 
$-\ $nucléaire : issue de la fission d'atomes d'uranium ou de plutonium ;
 
$-\ $solaire.

3.2. Fonctionnement technique d'une centrale

Deux éléments sont essentiels au sein d'une centrale électrique : la turbine et l'alternateur.
 
La turbine a pour rôle de convertir l'énergie primaire en énergie mécanique. Il s'agit d'une roue munie de palettes ou aubes, qui tournent selon les cas, sous l'action :
 
$-\ $de l'eau (sous forme liquide ou sous forme de vapeur d'eau sous pression) ;
 
$-\ $du vent (cas spécifique de l'éolienne).
 
Selon l'énergie primaire utilisée, différentes technologies de turbines sont possibles :
 
$-\ $turbine hydraulique ;
 
$-\ $turbine à vapeur ;
 
$-\ $turbine à combustion (communément appelée turbine à gaz) ;
 
$-\ $éolienne.
 
La turbine est couplée à un alternateur (un grand aimant cerclé d'une bobine) en rotation : celui-ci a pour rôle de convertir l'énergie mécanique produite par la turbine en mouvement, en énergie électrique.

3.3. Les différents types de centrales électriques

3.3.1. Les centrales thermiques

 
Les centrales thermiques classiques, également appelées centrales thermiques conventionnelles, sont des centrales à flamme, qui peuvent être alimentées par :
 
$-\ $une énergie primaire fossile : charbon en fines particules, fioul liquide ou gaz ;
 
$-\ $une énergie primaire renouvelable, issue de la biomasse : biocarburant, méthane ou bois, par exemple
 
Fonctionnement
 
Dans une centrale thermique à flamme, du charbon, du pétrole, du gaz naturel ou une énergie biomasse sont brûlés : l'énergie chimique des combustibles est transformée en énergie thermique.
 
Cette énergie thermique issue de la combustion permet de chauffer de l'eau dans une chaudière, qui se transforme alors en vapeur d'eau. La vapeur d'eau sous pression et sous haute température met en mouvement la turbine qui entraîne l'alternateur, produisant de l'électricité.
 
Bilan énergétique
 
 

3.3.2. Les centrales nucléaires 

Les centrales nucléaires font partie de la famille des centrales thermiques. La principale différence avec les centrales à flamme réside dans la façon de produire la chaleur nécessaire pour chauffer l'eau : ici, ce n'est pas par combustion, mais par fission qu'est générée l'énergie thermique.
 
 
Fonctionnement
 
Après fission (éclatement) des noyaux des atomes d'uranium ou de plutonium dans le réacteur nucléaire, l'énergie nucléaire est convertie en énergie thermique.
 
L'énergie thermique obtenue permet de chauffer de l'eau liquide pour la transformer en vapeur. La vapeur d'eau sous pression et sous haute température met en mouvement la turbine qui entraîne l'alternateur, produisant ainsi de l'électricité.
 
Bilan énergétique
 
 

3.3.3. Les centrales hydroélectriques ou hydrauliques

Les centrales hydroélectriques, également appelées centrales hydrauliques, utilisent le mouvement de l'eau pour produire de l'électricité.
 
Fonctionnement
 
 
En effet, c'est la force motrice issue d'une retenue d'eau (barrage au niveau d'un fleuve ou d'une chute, par exemple) qui permet d'activer une turbine, laquelle déclenche la rotation de l'alternateur
 
Bilan énergétique
 
 

3.3.4. Les centrales éoliennes 

L'éolienne utilise l'énergie cinétique du vent pour produire de l'électricité
 
Fonctionnement
 
 
Le mouvement du rotor est transmis à l'arbre principal, qui est couplé à un alternateur par un multiplicateur permettant d'augmenter considérablement la vitesse de rotation.
 
Cet alternateur convertit ensuite l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique
 
Bilan énergétique
 
 

3.3.5. Les centrales solaires ou photovoltaïques

Une centrale solaire thermodynamique permet de transformer l'énergie thermique du rayonnement solaire en chaleur, afin de la convertir ensuite en énergie électrique. Elle est donc particulièrement appropriée aux régions et pays à fort ensoleillement.
 
Fonctionnement
 
 
Les rayonnements du soleil chauffent de l'eau, qui est ainsi transformée en vapeur. Cette vapeur fait tourner une turbine : l'énergie de la turbine est transformée en énergie électrique grâce à un alternateur
 
Bilan énergétique
 
 

III. Énergie et puissances électriques

1. Énergie électrique

1.1. Définition 

L'énergie électrique est une énergie disponible sous forme de courant d'électrons (électricité). Cette énergie est utilisée directement pour produire de la lumière ou de la chaleur.

1.2. Expression de l'énergie électrique

L'énergie électrique dans un dipôle, soumis à une tension $U$, parcouru par un courant d'intensité $I$ pendant une durée $\Delta t$ est donnée par la relation :
$$\boxed{E=UI\Delta t}$$

2. Puissance électrique

Pour quantifier cette énergie, on définit la puissance électrique. C'est l'énergie reçue ou cédée par un dipôle par unité de temps. Plus la puissance fournie à un dipôle récepteur est grande, plus le fonctionnement de ce dipôle est efficace.

2.1. Définition 

La puissance est une quantité d'énergie échangée (perdue ou gagnée) par unité de temps. Cela correspond à un débit d'énergie
$$\boxed{P=\dfrac{E}{\Delta t}}$$
 
L'unité S.I. de la puissance est le watt $(W).$  $1W=1J\cdot s^{-1}.$

Exemples

Une ampoule de $40W$ consomme $40J$ d'énergie électrique chaque seconde. Un moteur de $100kW$ fournit $100kJ$ d'énergie mécanique chaque seconde.
 
Quelques unités usuelles
 
Le wattheure (énergie)
 
Le wattheure est l'énergie échangée par un dispositif d'une puissance d'un watt pendant une heure. 
 
$1Wh=3600Ws=3600J$
 
Le kilowattheure : $1kWh=103Wh$
 
Puissances électriques de quelques récepteurs et générateurs
$$\begin{array}{|l|c|c|c|} \hline \text{Appareils}&\text{Puissance}&\text{Appareils}&\text{Puissance}\\ \hline \text{Calculatrice de poche}&0.4mW&\text{Fer à repasser}&1kW\\\hline \text{Phare de bicyclette}&2.4W&\text{Téléviseur en couleurs}&80W\\ \hline \text{Congélateur}&150W&\text{Cuisinière électrique}&6kW\\ \hline \text{Locomotive électrique}&3MW&\text{Pile solaire }1cm^{2}&5mW\\ \hline \text{Monocellule}&2W&\text{Dynamo de bicyclette}&3W\\ \hline \text{Générateur de centrale électrique}&300MW&\text{Moteur de TGV}&1MW\\ \hline \end{array}$$

2.2. Puissance moyenne

La présence de bobines dans des appareils entraîne un décalage entre la tension et l'intensité : L'intensité n'est pas maximale en même temps que la tension. Ce décalage intervient dans le calcul de la puissance.
 
La puissance moyenne aux bornes d'un dipôle s'exprime par la relation :
$$\boxed{P_{m}=KUI}$$
 
avec $P$ en watts $(W)$ ;  $U$ en volts $(V)$  ;  $I$ en ampères $A)$
 
$k$ est appelé le facteur de puissance, avec $k\leq1$ ; $k$ n'a pas d'unité.
 
Le facteur de puissance est une caractéristique d'un récepteur électrique qui rend compte de son efficacité pour consommer de la puissance lorsqu'il est traversé par un courant.

2.3. Puissance apparente

La puissance apparente est la puissance maximale qui est disponible pour faire fonctionner une installation électrique. 
 
La puissance apparente s'exprime par la relation : 
$$\boxed{P_{a}=UI}$$
 
$U$ en volts $(V)$  ;  $I$ en ampères $(A)$  ;  $P_{a}$ en voltampère $(VA)$
 
Relation entre la puissance moyenne et la puissance apparente
$$\boxed{P_{m}=KP_{a}}$$

IV. Les transformateurs 

1. Définition 

Un transformateur est un composant électrique qui a pour rôle de modifier les valeurs de l'intensité et de la tension appliquées à son entrée par une source alternative en un système de tension et d'intensité de valeurs efficaces différentes, mais de fréquence et de forme identique.
 
 
Il est constitué d'enroulements indépendants mais liés par un circuit magnétique (cas d'un transformateur statique)

2. Constitution du transformateur

Un transformateur est constitué de :
 
$-\ $deux enroulements nommés bobines,en fils de cuivre. 
 
Une bobine comportant $N_{1}$ spires appelé primaire, alimentée par un courant de type alternatif de tension $U_{1}$, et d'intensité $I_{1}$ et d'une autre bobine nommée secondaire comportant $N_{2}$ spires, qui fournit, sous la tension $U_{2}$, un courant $I_{2}$ au récepteur. 
 
 
$-\ $d'un circuit en tôle feuilletée assez fine, son rôle est permettre le transfert au secondaire de l'énergie magnétique crée par le primaire

3. Rapport de transformation

Le rapport de transformation d'un transformateur est le quotient de la valeur efficace de la tension au secondaire à vide par la valeur efficace de la tension au primaire   
$$\boxed{r=\dfrac{N_{2}}{N_{1}}=\dfrac{U_{2}}{U_{1}}=\dfrac{I_{1}}{I_{2}}}$$
 
Si $r>1$, le transformateur est élévateur, 
 
Si $r<1$, il est abaisseur 
 
Si $r=1$, l'appareil est un transformateur d'isolement. (Le transformateur est utilisé comme un isolateur)

Remarque :

Un transformateur est un appareil réversible car, il peut jouer le rôle d'élévateur et d'abaisseur de tension 

4. Rendement d'un transformateur

L'énergie ne se perd pas au cours d'une transformation. Elle se conserve. Un radiateur électrique transforme la totalité de l'énergie électrique qu'il reçoit en chaleur.
 
Un moteur électrique ne transforme pas la totalité de l'énergie qu'il consomme en énergie mécanique. Il produit également de la chaleur. L'énergie électrique consommée est égale à la somme de l'énergie utile et de l'énergie perdue.
$$\boxed{E_{reçu}=E_{utile}+E_{perdu}}$$
 
Le rendement énergétique est égal au rapport de l'énergie utile fournie et de l'énergie totale consommée.
$$\boxed{r=\dfrac{E_{utile}}{E_{reçu}}}$$
 
Le rendement s'exprime par la relation : 
 
$\boxed{r=\dfrac{P_{utile}}{P_{reçu}}}$  avec  $\boxed{P_{reçu}=P_{utile}=P_{perdu}}$

V. Les lignes électriques

L'énergie produite par les différents sites de production doit être acheminée sur tout le territoire. Cet acheminement est réalisé par des lignes aériennes ou souterraines

1. Les lignes de transport

1.1. Lignes de transport Très Haute Tension $(THT)$

Ce sont les lignes qui relient les centrales éloignées aux centres d'utilisation. On les place dans une catégorie distincte à cause de leurs propriétés spéciales. Ces lignes peuvent atteindre des longueurs de $1000km$ et elles fonctionnent à des tensions allant jusqu'à $765kV.$ Les lignes à courant continu à haute tension sont également incluses dans ce groupe. 

1.2. Lignes de transport Haute Tension $(HT)$

Ce sont les lignes reliant les postes de transformation principaux aux centrales de génération. 
                                                                                                   
Elles sont constituées de fils aériens ou de câbles souterrains. Dans cette catégorie, on trouve aussi les lignes servant à échanger de l'énergie entre deux grands réseaux et à augmenter la stabilité de l'ensemble

2. Les lignes de distribution

2.1. Lignes de distribution $MT$

Ce sont des lignes qui relient les clients aux postes de transformation principaux de la compagnie d'électricité

2.2. Lignes de distribution $BT$

Ce sont les lignes et la filerie installées à l'intérieur des édifices, usines et maisons pour alimenter les moteurs, cuisinières, lampes, etc. Dans certaines régions, on utilise un réseau comprenant une grille de câbles souterrains

3. Les pertes en lignes 

Le réseau électrique national s'étend sur des milliers de kilomètres de lignes électriques. Ces lignes sont constituées de câbles métalliques très longs qui sont des conducteurs électriques imparfaits. Ainsi, lorsque des courants électriques de forte intensité traversent ces câbles, une partie de l'énergie transportée est transformée en chaleur par effet joule et donc perdue.
 
Une partie de l'énergie électrique transportée se dissipe par effet joule dans la résistance de la ligne, les pertes en ligne sont données par la relation :
$$\boxed{P_{j}=RI^{2}}$$
 
$P_{j}$ est la puissance des pertes en ligne en watts $(W)$
 
$R$ est la résistance de la ligne en ohms $(\Omega)$
 
$I$ est l'intensité en ligne en ampère $(A).$
 
La puissance totale transportée :
$$\boxed{P_{T}=UI}$$
 
$U$ est la tension à transportée
 
$I$ est l'intensité en ligne
 
$\Rightarrow I=\dfrac{P_{T}}{U}\Rightarrow P_{J}=\left(\dfrac{P_{T}}{U}\right)^{2}.$
$$\Rightarrow\boxed{P_{J}=R\dfrac{P_{T}^{2}}{U^{2}}}$$
 
Pour une puissance transportée donnée, les pertes en ligne sont inversement proportionnelles au carré de la tension, ce qui explique l'intérêt de la haute tension. Si la tension est forte, la puissance des pertes en ligne $P_{J}$ sera faible. 
 
Afin de limiter ces pertes d'énergie, il est nécessaire de diminuer l'intensité du courant donc d'augmenter la tension aux bornes de la ligne

VI. Utilisation de l'énergie électrique

1. Réseau électrique

Le réseau électrique est l'infrastructure mettant en relation la production d'électricité et les usages finaux. Il a pour but d'acheminer l'électricité d'un réseau de transport ou de répartition jusqu'aux consommateurs
 
 

2. Utilisation domestique

2.1. Installation domestique

L'électricité sert pour l'éclairage, le chauffage ou la climatisation. Elle fait tourner les moteurs électriques, le téléphone, la radiodiffusion, la télévision, la sonorisation, l'informatique, les automates, les communications numériques (internet, réseaux) ont besoin d'électricité.
 
L'installation électrique doit assurer la protection des personnes et des biens contre les risques électrique.
 
 

2.2. Les composants d'une installation électrique

2.2.1. Le compteur électrique

Le compteur électrique sert à mesurer la consommation électrique en $kWh.$ Grâce à lui, les fournisseurs peuvent calculer l'énergie consommée et ensuite établir la facture d'électricité. Selon l'offre tarifaire choisie, le compteur peut indiquer un ou deux index (compteur bi-horaire avec tarif de jour et tarif de nuit).

2.2.2. Le disjoncteur de général

Le disjoncteur général (ou disjoncteur de branchement) protège l'installation électrique et les personnes, c'est lui qui assure la coupure d'urgence en cas de surcharge électrique. Cependant, il ne peut suffire seul à la protection de l'installation électrique.

2.2.3. Le disjoncteur différentiel

Placé dans le tableau électrique, en amont d'un circuit ou d'un groupe de circuits, le disjoncteur différentiel joue le même rôle que le disjoncteur général mais à un second niveau. Il permet ainsi de couper l'alimentation électrique en cas de surtension dans une partie seulement de l'installation.
 
Le disjoncteur différentiel protège mais également les personnes des risques de décharges.

2.2.4. Le disjoncteur divisionnaire

Le rôle d'un disjoncteur divisionnaire est plus spécifique que celui des autres types de disjoncteurs. Il ne sert qu'à protéger individuellement le circuit qu'il protège contre une surcharge ou un court-circuit. Il n'est pas en mesure de détecter les fuites de courant et d'empêcher une électrisation. C'est pourquoi il doit toujours être secondé par un interrupteur ou un disjoncteur différentiel.

2.2.5. Les fusibles

Les coupe-circuits à fusibles, communément appelés par leur abréviation fusibles, sont des appareils de connexion qui servent à ouvrir le circuit dans lequel ils sont installés et d'interrompre le courant lorsque ce dernier est en surintensité pendant un laps de temps donné. Ces organes de sécurité dont le rôle est d'ouvrir un circuit électrique quand le courant y atteint une valeur d'intensité dangereuse, ramenant ainsi l'intensité à zéro. 
 
Il permet ainsi d'éviter des accidents tels que les départs d'incendie, une défaillance des isolants ou encore la surchauffe d'un appareil électrique.
 
Les fusibles ne sont pas réarmables comme les disjoncteurs. Si l'un d'eux saute, on coupe le courant du disjoncteur général, ensuite on enlève le fusible défectueux du tableau électrique et on le remplace par un fusible neuf du même ampérage. Par mesure de sécurité, il faut débrancher les appareils de l'habitation pour éviter que le nouveau fusible ne saute au moment de remettre le courant.

2.3. Facturation

Le mode de facturation de l'électricité pour une entreprise correspond au mode de calcul utilisé par le fournisseur pour établir la facture. En cela, il diffère du mode de paiement (carte bleu, chèque, prélèvement bancaire, etc.). 
 
Il existe deux modes de facturation :
 
$-\ $l'un se basant sur la consommation estimée ;
 
$-\ $l'autre sur la consommation réelle.

2.3.1. Facture sur la consommation estimée 

Une facture dite « estimée » est établie sur la base d'une estimation annuelle de votre consommation. En quelque sorte, l'électricité payée n'est pas celle mesurée par votre compteur électrique.
 
Pour estimer la consommation de l'entreprise sur l'année, il est possible de prendre en compte :
 
$-\ $les consommations des années précédentes ;
 
$-\ $la somme des kilowatts $(kWh)$ consommés par les équipements nécessaires au bon fonctionnement de votre société. Entre également dans le calcul d'autres paramètres, comme l'évolution des prix de l'électricité (production, acheminement et taxes).

2.3.2. Facturation sur la consommation réelle

La facturation au réel permet à l'entreprise de payer tous les mois ou tous les deux mois l'électricité réellement consommée par ses équipes et locaux professionnels. L'usager doit donc relever régulièrement son compteur et transmettre les chiffres à son fournisseur d'électricité. La relève est même facilitée pour les entreprises bénéficiant d'un compteur qui envoie directement les informations à votre opérateur.

3. Les dangers électriques 

Tout accident dû à l'électricité est une électrisation. Les risques corporels: causés par un contact direct (avec un conducteur sous tension) ou indirect (avec une masse métallique d'un équipement sous tension).
 
$-\ $L'électrocution: c'est une électrisation mortelle. Elle fait suite à trop d'électricité passé dans le corps.
 
$-\ $Contact direct: c'est le contact d'une personne avec des parties normalement sous tension ou avec des
 
Les risques d'incendie: causés par un court-circuit, une surcharge, un défaut de connexion dans les appareillages et un arc électrique.
 
Les risques de surtension: causés par une élévation brutale de la tension appliquée aux bornes des appareils utilisés
 

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