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Depuis deux siècles, l'humanité convertit massivement l'énergie en électricité : l'alternateur (induction électromagnétique) transforme l'énergie mécanique avec un rendement proche de 1, et les capteurs photovoltaïques (semi-conducteurs) convertissent une partie de l'énergie radiative. On obtient ainsi de l'électricité sans combustion par trois voies (mécanique, photovoltaïque, électrochimique), que le réseau transporte sous haute tension pour limiter les pertes par effet Joule. Mais l'essentiel de l'énergie consommée provient encore de stocks fossiles non renouvelables, dont la combustion injecte du CO₂ dans le cycle du carbone : ce thème de terminale (programme du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019, Thème 2) outille le citoyen pour comparer des chaînes de conversion, calculer une empreinte carbone et analyser les scénarios de transition écologique vers un futur climatique soutenable.
5sectionsca. 30min de lecture4compétencesNiveauStandard 2 · Approfondissement 3Vérifié · 06/2026
niveau de base
Maîtrisez d'abord les automatismes : l'alternateur convertit le mécanique en électrique avec un rendement ≈ 1 et f = p·n ; les pertes par effet Joule valent P_J = R·I², donc à puissance fixée on monte la tension pour baisser l'intensité ; une combustion s'écrit « combustible + O₂ → CO₂ + H₂O » à équilibrer ; sachez convertir kWh ↔ J ↔ tep.
niveau approfondi
Pour aller plus loin (Grand oral, esprit critique) : reliez quantitativement le rendement global d'une chaîne au produit des rendements d'étapes, comparez la masse de CO₂ par kWh des combustibles, lisez un schéma du cycle du carbone (stocks vs flux anthropiques) et confrontez plusieurs scénarios de transition selon des critères explicites (ressources, effets environnementaux, vulnérabilités, faisabilité, conséquences économiques et sociales) en mobilisant des extraits du GIEC.
Lesetiefe: Approfondi
Schriftgröße: Standard
Schéma d'un alternateur : rotor, stator et relation f = p·n
Fréquence d'un alternateur
f est la fréquence du courant (Hz), n la vitesse de rotation du rotor (tours par seconde) et p le nombre de paires de pôles. Pour f = 50 Hz et p = 1, on a n = 50 tr·s⁻¹ = 3000 tr·min⁻¹.
Rendement d'un alternateur
Le rendement est le rapport de la puissance électrique utile sur la puissance mécanique reçue ; il est sans unité, compris entre 0 et 1, et proche de 1 pour un alternateur (pertes par frottement et effet Joule faibles).
Condition d'absorption d'un semi-conducteur
Un photon n'est absorbé (et ne libère un porteur de charge) que si son énergie dépasse l'énergie seuil (le « gap »), c'est-à-dire si sa longueur d'onde est inférieure à une longueur d'onde maximale λ_max. Pour le silicium, λ_max ≈ 1100 nm.
Spectre solaire et seuil d'absorption du silicium
Un alternateur de centrale possède p = 2 paires de pôles et doit alimenter le réseau français à f = 50 Hz. (a) Calculer la vitesse de rotation n du rotor en tr·s⁻¹ puis en tr·min⁻¹. (b) Cet alternateur reçoit une puissance mécanique de 1100 MW et délivre 1078 MW électriques : calculer son rendement. (c) Expliquer pourquoi ce rendement ne peut jamais valoir exactement 1.
On a f = p × n, donc n = f / p. Avec f = 50 Hz et p = 2 : n = 50 / 2 = 25 tr·s⁻¹.
Une minute compte 60 secondes : on multiplie par 60. n = 25 × 60 = 1500 tr·min⁻¹.
Le rendement est le rapport de la puissance électrique utile sur la puissance mécanique reçue.
Une partie de l'énergie mécanique est inévitablement dissipée par frottements mécaniques et par effet Joule dans les bobinages : ces pertes empêchent un rendement strictement égal à 1, mais elles restent faibles d'où η ≈ 0,98.
Résultat : (a) n = 25 tr·s⁻¹ = 1500 tr·min⁻¹. (b) η = 1078 / 1100 ≈ 0,98, soit 98 %. (c) Le rendement reste inférieur à 1 à cause des pertes par frottement et par effet Joule (ici 22 MW), même si elles sont faibles pour un alternateur.
Erreurs fréquentes
Révision active
Un alternateur de centrale possède p = 2 paires de pôles et doit alimenter le réseau français à f = 50 Hz. (a) Calculer la vitesse de rotation n du rotor en tr·s⁻¹ puis en tr·min⁻¹. (b) Cet alternateur reçoit une puissance mécanique de 1100 MW et délivre 1078 MW électriques : calculer son rendement. (c) Expliquer pourquoi ce rendement ne peut jamais valoir exactement 1.
Rappel actif
Rappelle-toi les points clés — puis révèle.
Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.1 Deux siècles d'énergie électrique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)
Diagramme de Sankey d'une chaîne de conversion thermique
Rendement global d'une chaîne
Le rendement d'une chaîne de conversion est le produit des rendements de chaque étage. Comme chaque ηᵢ < 1, le rendement global est inférieur au plus petit des rendements d'étage.
Puissance utile en sortie de chaîne
La puissance utile en sortie est la puissance d'entrée multipliée par le rendement global ; le reste, (1 − η_global)×P_entrée, est dissipé (surtout en chaleur).
Définition du rendement
Rapport (sans unité, entre 0 et 1) de l'énergie ou de la puissance utile sur l'énergie ou la puissance reçue. On l'exprime souvent en pourcentage.
Les trois voies de production d'électricité sans combustion
Une centrale solaire thermodynamique reçoit une puissance solaire de 50 MW. Les miroirs concentrent le rayonnement avec un rendement de 60 %, la chaudière-turbine convertit la chaleur en énergie mécanique avec un rendement de 38 %, et l'alternateur a un rendement de 98 %. (a) Calculer le rendement global de la chaîne. (b) En déduire la puissance électrique produite. (c) Indiquer l'étage le plus pénalisant et expliquer pourquoi.
On convertit les pourcentages en nombres décimaux : η₁ = 0,60 (miroirs), η₂ = 0,38 (turbine), η₃ = 0,98 (alternateur).
Le rendement global est le PRODUIT des rendements d'étage (jamais leur somme).
On multiplie la puissance solaire reçue par le rendement global.
L'étage chaleur → mécanique (turbine, η = 0,38) est le plus pénalisant : la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique est physiquement très limitée, contrairement à l'alternateur (η = 0,98). C'est lui qui plafonne le rendement global.
Résultat : (a) η_global = 0,60 × 0,38 × 0,98 ≈ 0,22 (22 %). (b) P_élec ≈ 0,22 × 50 ≈ 11 MW. (c) L'étage limitant est la conversion chaleur → mécanique (η = 0,38), car cette transformation thermique est physiquement bornée ; améliorer l'alternateur (déjà à 98 %) ne changerait presque rien.
Erreurs fréquentes
Révision active
Une centrale solaire thermodynamique reçoit une puissance solaire de 50 MW. Les miroirs concentrent le rayonnement avec un rendement de 60 %, la chaudière-turbine convertit la chaleur en énergie mécanique avec un rendement de 38 %, et l'alternateur a un rendement de 98 %. (a) Calculer le rendement global de la chaîne. (b) En déduire la puissance électrique produite. (c) Indiquer l'étage le plus pénalisant et expliquer pourquoi.
Rappel actif
Rappelle-toi les points clés — puis révèle.
Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.2 Conversion et transport de l'énergie électrique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)
Pertes par effet Joule en fonction de la tension de transport (P fixée)
Pertes par effet Joule
Puissance thermique dissipée dans un conducteur de résistance R parcouru par un courant d'intensité I. Sur une ligne, c'est une perte ; elle croît comme le carré de l'intensité.
Puissance transportée
La puissance transportée est le produit de la tension par l'intensité. À puissance fixée, augmenter U diminue I.
Pertes en fonction de la tension (P fixée)
En remplaçant I = P/U dans P_J = R·I², on voit que les pertes sont inversement proportionnelles au carré de la tension : multiplier U par k divise les pertes par k². C'est l'argument de la haute tension.
Du producteur au consommateur : élever puis transporter à haute tension
On transporte une puissance électrique P = 200 MW sur une ligne de résistance R = 5,0 Ω. (a) Calculer l'intensité I puis la puissance perdue par effet Joule P_J pour une tension de transport U₁ = 90 kV. (b) Recommencer pour U₂ = 400 kV. (c) Comparer les pertes (en % de la puissance transportée) et conclure sur l'intérêt de la haute tension.
On utilise I = P/U avec P = 200 × 10⁶ W et U₁ = 90 × 10³ V.
On reporte dans P_J = R·I² avec R = 5,0 Ω.
Même méthode avec U₂ = 400 × 10³ V : I₂ = 200×10⁶ / 400×10³ = 500 A, puis P_J,2 = 5,0×(500)².
On rapporte les pertes à la puissance transportée (200 MW). À 90 kV : 24,7/200 ≈ 12 % ; à 400 kV : 1,25/200 ≈ 0,6 %. Le rapport des pertes est (400/90)² ≈ 20 : multiplier la tension par ≈ 4,4 divise les pertes par ≈ 20.
Résultat : (a) À 90 kV : I ≈ 2,2 kA, pertes ≈ 24,7 MW (≈ 12 %). (b) À 400 kV : I = 500 A, pertes = 1,25 MW (≈ 0,6 %). (c) Élever la tension réduit l'intensité, donc l'effet Joule (en 1/U²) : passer de 90 à 400 kV divise les pertes par environ 20. La haute tension est donc indispensable pour transporter l'électricité sur de longues distances avec peu de pertes.
Transporter l'électricité, c'est faire circuler un courant dans de longues lignes. Or tout conducteur résiste : il s'échauffe et dissipe de l'énergie. C'est l'effet Joule.
Cette puissance perdue croît comme le carré de l'intensité. Pour la réduire, l'idée géniale est de jouer sur la tension.
À puissance transportée fixée, augmenter la tension diminue l'intensité. En remplaçant, les pertes deviennent inversement proportionnelles au carré de la tension.
Concrètement : multiplier la tension par dix divise les pertes par cent. Voilà pourquoi on transporte l'électricité à 400 000 volts, puis on abaisse la tension près des villes.
Les pertes par effet Joule chutent en 1/U²
Erreurs fréquentes
Révision active
On transporte une puissance électrique P = 200 MW sur une ligne de résistance R = 5,0 Ω. (a) Calculer l'intensité I puis la puissance perdue par effet Joule P_J pour une tension de transport U₁ = 90 kV. (b) Recommencer pour U₂ = 400 kV. (c) Comparer les pertes (en % de la puissance transportée) et conclure sur l'intérêt de la haute tension.
Rappel actif
Rappelle-toi les points clés — puis révèle.
Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.2 Transport et stockage de l'électricité (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)
Schéma simplifié du cycle du carbone : réservoirs et flux
Combustion du carbone
Combustion complète du carbone (modèle du charbon) : 12 g de carbone produisent 44 g de CO₂. Équation déjà équilibrée.
Combustion du méthane (équilibrée)
On équilibre d'abord le carbone (1 CO₂) et l'hydrogène (2 H₂O), puis l'oxygène (2 O₂ fournissent les 4 atomes O nécessaires). 16 g de méthane produisent 44 g de CO₂.
Conversions d'unités d'énergie
Le kilowattheure et la tonne d'équivalent pétrole sont les unités usuelles des bilans énergétiques. 1 tep = 41,868 GJ ≈ 11 630 kWh.
Masse de CO₂ émise par kWh thermique selon le combustible
La combustion du méthane libère environ 802 kJ d'énergie par mole de méthane brûlé. On donne M(CH₄) = 16 g·mol⁻¹ et M(CO₂) = 44 g·mol⁻¹. (a) Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du méthane. (b) Calculer l'énergie libérée par 1 kWh (rappel : 1 kWh = 3,6 MJ) et en déduire la quantité de méthane correspondante. (c) En déduire la masse de CO₂ émise par kWh d'énergie thermique. Comparer qualitativement à la combustion du carbone (charbon).
On équilibre le carbone (1 CO₂), puis l'hydrogène (4 H → 2 H₂O), puis l'oxygène (2 O₂ fournissent 4 atomes O). Une mole de CH₄ produit une mole de CO₂.
1 kWh = 3,6 MJ = 3600 kJ. Chaque mole libère 802 kJ, donc le nombre de moles brûlées est n = 3600 / 802.
La combustion produit autant de moles de CO₂ que de moles de CH₄ (rapport 1:1).
On multiplie par la masse molaire du CO₂ (44 g·mol⁻¹).
Résultat : (a) CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. (b) 1 kWh = 3,6 MJ correspond à ≈ 4,49 mol de méthane brûlé. (c) On émet ≈ 198 g ≈ 0,20 kg de CO₂ par kWh thermique. Le carbone pur (modèle idéalisé du charbon, C + O₂ → CO₂, ≈ 393 kJ·mol⁻¹) émet davantage : n = 3600/393 ≈ 9,2 mol de CO₂ par kWh, soit ≈ 9,2 × 44 ≈ 400 g·kWh⁻¹. Le charbon réel émet un peu moins (≈ 350 g·kWh⁻¹, valeur du diagramme) car il contient un peu d'hydrogène et de cendres ; dans tous les cas, à énergie égale, le gaz émet environ deux fois moins de CO₂ que le charbon, parce que la combustion du méthane libère aussi l'énergie de son hydrogène (H₂O sans CO₂).
Erreurs fréquentes
Révision active
La combustion du méthane libère environ 802 kJ d'énergie par mole de méthane brûlé. On donne M(CH₄) = 16 g·mol⁻¹ et M(CO₂) = 44 g·mol⁻¹. (a) Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du méthane. (b) Calculer l'énergie libérée par 1 kWh (rappel : 1 kWh = 3,6 MJ) et en déduire la quantité de méthane correspondante. (c) En déduire la masse de CO₂ émise par kWh d'énergie thermique. Comparer qualitativement à la combustion du carbone (charbon).
Rappel actif
Rappelle-toi les points clés — puis révèle.
Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.3 Énergie, choix de développement et futur climatique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)
Faisceau de scénarios d'émissions de GES et futurs climatiques
Analyser un choix énergétique : une grille multi-critères
On dispose d'un document comparant, pour la France, deux options de production d'électricité : (A) une centrale nucléaire et (B) une centrale à gaz. À partir de critères explicites — émissions de CO₂ en fonctionnement, type de ressource (stock/flux), déchets et risques, pilotabilité — rédiger une analyse argumentée des avantages et inconvénients de chaque option, puis préciser quelles informations supplémentaires (coût, durée de vie, acceptabilité sociale) seraient nécessaires pour conclure.
Le nucléaire ne brûle rien : pas de CO₂ en fonctionnement (conversion thermique sans combustion). La centrale à gaz brûle du méthane (CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O) et émet donc du CO₂ (≈ 200 g par kWh thermique). Avantage net au nucléaire sur ce critère.
Les deux reposent sur des ressources de STOCK, donc non renouvelables : uranium pour le nucléaire, gaz fossile pour la centrale à gaz. Aucune des deux n'est une ressource de flux renouvelable ; la dépendance aux importations diffère selon le combustible.
Le nucléaire produit des déchets radioactifs à gérer sur le très long terme et présente un risque d'accident grave (faible probabilité, fortes conséquences). Le gaz émet du CO₂ et des polluants, avec des risques industriels classiques. Les natures de risque ne sont pas comparables sur la même échelle.
Les deux filières sont pilotables (production commandable, contrairement au solaire/éolien). La décision dépend du poids relatif donné à chaque critère : décarbonation (favorable au nucléaire) vs gestion des déchets et acceptabilité (en sa défaveur). Il n'existe pas de réponse unique.
Résultat : Le nucléaire l'emporte sur les émissions de CO₂ en fonctionnement et la pilotabilité, mais pose la question des déchets radioactifs, du risque d'accident et de la ressource (uranium, stock). Le gaz est plus simple et flexible mais émet du CO₂ et reste fossile. Pour conclure, il faudrait des données supplémentaires : coût complet du kWh, durée de vie et démantèlement, sécurité d'approvisionnement, empreinte carbone sur tout le cycle de vie et acceptabilité sociale. La réponse est un compromis argumenté, non un classement absolu — c'est précisément ce qu'attend l'analyse de type GIEC.
Erreurs fréquentes
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On dispose d'un document comparant, pour la France, deux options de production d'électricité : (A) une centrale nucléaire et (B) une centrale à gaz. À partir de critères explicites — émissions de CO₂ en fonctionnement, type de ressource (stock/flux), déchets et risques, pilotabilité — rédiger une analyse argumentée des avantages et inconvénients de chaque option, puis préciser quelles informations supplémentaires (coût, durée de vie, acceptabilité sociale) seraient nécessaires pour conclure.
Rappel actif
Rappelle-toi les points clés — puis révèle.
Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.3 Énergie, choix de développement et futur climatique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol) · GIEC — Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (rapports de synthèse) (IPCC / GIEC)
Références et sources
Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol