Utilisation de l'énergie solaire

Qu'est-ce que l'énergie solaire ?

L’énergie solaire est une énergie renouvelable qui ne produit pas de dioxyde de carbone et donc ne produit pas de gaz à effet de serre. Ce sont les photons qui permettent aux panneaux solaires de fournir de l’énergie.

Qu’est-ce qu’un photon ?

Le mot « photon » provient du grec "phõs" qui signifie lumière. Il s’agit de la particule élémentaire de la lumière. Le photon n’a pas de masse et a une charge nulle. Les photons voyagent à la vitesse de la lumière.

Les filières de l'exploitation de l'énergie solaire

L’énergie solaire peut être exploitée de différentes façons :

  • Pour le solaire thermique : l’énergie solaire peut servir à créer une agitation thermique au niveau des capteurs. Cette agitation thermique va servir à chauffer un fluide qui va pouvoir transporter cette chaleur comme le ferait une chaudière domestique classique en chauffant l'eau qui circule dans les radiateurs d'une maison.
  • Pour le solaire thermodynamique : les capteurs solaires sont excités et génèrent une agitation thermique et donc de la chaleur. La chaleur va être transmise à un fluide thermodynamique qui va pouvoir produire une énergie mécanique et va actionner une turbine et un alternateur pour fabriquer de l’énergie électrique.
  • Pour le photovoltaïque : les capteurs solaires peuvent être isolants ou conducteurs. Les photons en arrivant sur les panneaux vont exciter les électrons des matériaux, ce qui va créer de l’électricité.

Comment produire de l'électricité avec des panneaux solaires ? L'instrument magique qui permet de capter l'énergie solaire !

L’énergie solaire peut donc être directement convertie en énergie électrique par les cellules photovoltaïques qui constituent les panneaux solaires.

Cette source d’énergie à l’avantage de pouvoir être utilisée dans des zones isolées mais présente les inconvénients de ne pas être utilisable la nuit (à moins d’être stockée dans des batteries) et d’avoir un rendement assez faible (seul quelques dizaines de % de l’énergie solaire est réellement convertie en électricité).

Utilisation de l'énergie chimique

L’énergie chimique peut être convertie en énergie électrique au sein de piles et de batteries mais ces dernières sont limitées en puissance et en durée d’utilisation.

Comment fonctionne une pile ?

Une pile est un dispositif électrochimique qui permet de convertir l’énergie chimique en énergie électrique grâce à des réactions d’oxydoréduction.

Observons le fonctionnement d’une pile classique, la pile de Daniell. La pile est composée de deux électrodes de nature différente le zinc et le cuivre, plongées dans un électrolyte. Quand la pile fonctionne, la masse d’une des électrodes diminue alors que l’autre augmente.

Le pôle positif, appelée l'anode, est constitué d’une électrode de cuivre. C’est le siège de la réduction. Les ions cuivre captent les électrons et transforment le cuivre en cuivre métal selon l équation suivante :

Cu^{2+}+2e^{-}\rightarrow Cu

Au pole négatif, c'est-à-dire à cathode, l’électrode est constituée de zinc. C’est le siège de l’oxydation. Les électrons quittent l’électrode zinc et l’électrode libère des ions Zn2+ dans la solution selon l’équation :

Zn^{2+}\rightarrow Zn + 2e^{-}

Dans le courant électrique, les électrons se déplacent de la borne négative (cathode) vers la borne positive (anode).

Une pile fonctionne donc grâce à une anode ou pole positif qui libère des électrons en subissant une réduction et une cathode qui est le pôle négatif qui subit une oxydation et qui reçoit les électrons ainsi qu’un électrolyte qui permet aux électrons de voyager entre les deux pôles..

A retenir : l’espèce qui cède des électrons est un réducteur et l’espèce qui capte des électrons est un oxydant.

Quels sont les différents types de pile existant ?

Le tableau ci-après regroupe quelques types de pile que l’on peut trouver dans le commerce :

Pile salineDélivre une tension de 1.5 V
Pile alcalineDélivre une tension de 1.5 V
Pile au lithiumDélivre une tension de 1.2 V à 3.5 V

Quelle est la différence entre la pile alcaline et la pile saline ? Les deux types de piles fonctionnent de la même manière seul l’électrolyte change. Dans la pile saline, l’électrolyte est du chlorure d’ammonium alors que dans la pile alcaline l’électrolyte est de la potasse).

Le saviez-vous ? La première pile a été inventée par le physicien italien Alessandro Volta en 1800. Ce dispositif comportait de nombreux éléments : chaque élément était constitué de petite rondelles de matériaux différents (cuivre, zinc…) séparées par un feutre imbibé d’une solution d’électrolyte (comme de l’eau salée).

Comme ces éléments étaient empilés on appela ce dispositif pile. Le terme pile désigne également toutes batteries monoblocs.

Utilisation d'énergie éolienne

L'utilisation de l'énergie éolienne, c'est-à-dire la transformation de l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique, est une technologie vieille de plus de 1000 ans. Les moulins à vents servaient à moudre les céréales ou à l'irrigation.

L'industrialisation et l'arrivée de l'électricité dans les campagnes ont mis un terme à l'utilisation de cette énergie au XXème siècle en la rendant caduque.

Et pourtant, c'est le besoin de produire de l'électricité grâce à une source renouvelable qui est à l'origine du retour en force de l'énergie éolienne aujourd'hui.

Comment fonctionne un moulin à vent ? Une éolienne

Les Éoliennes fonctionnent suivant le même procédé que les centrales hydroélectriques. Ici la turbine est appelée Rotor et entraîne un axe rotatif appelé arbre. Munie de pales qui captent l'énergie cinétique du vent, le rotor (couplé à un multiplicateur) alimente un alternateur pour produire de l'électricité.

L'électricité peut soit être stocké dans des batteries, utilisés directement ou injecté dans le réseau électrique. Un frein permet de stopper ou ralentir la rotation du rotor lorsque les vents sont trop violents pour éviter d'endommager le dispositif.

Le parc éolien français produit environ 4% de l'électricité totale du pays.

Utilisation de l'énergie nucléaire

L'énergie nucléaire permet de fabriquer de l'électricité grâce au phénomène de fission atomique.

Qu'est ce que la fission atomique ?

La fission est un phénomène par lequel un noyau lourd instable comme celui de l'uranium va se scinder en noyaux plus légers et des particules élémentaires. Quand ce phénomène se produit, cela dégage de la chaleur (et donc de l'énergie).

On utilise l'uranium 235 qui est un élément naturellement fissile. La fission est un phénomène qui peut dégager énormément d'énergie : 1 gramme d'uranium 235 libère autant d'énergie que la combustion plusieurs tonnes de charbon !

Comment fonctionne une centrale nucléaire?

Les centrales nucléaires sont généralement installées près de grands fleuves ou des cours d'eau à grand débit. Les bâtiments d'une centrale nucléaire abritent des chaudières dans lesquelles se trouve un réacteur nucléaire (contenant des barres d'uranium 235).

Dans ces bâtiments se trouvent aussi des turbines et des alternateurs (comme dans une centrale électrique classique).

Les centrales nucléaires sont également pourvues d'échangeurs de chaleur qui permettent de refroidir l'eau qui va être rejetée dans le fleuve.

Les réacteurs fonctionnent avec un triple circuit. La chaleur produite par la fission atomique fait augmenter la température de l'eau a 320°C.

  1. L'eau est alors maintenue sous pression pour l'empêcher de bouillir, c'est le premier circuit.
  2. Le deuxième circuit agit sur les turbines. Enfin, le troisième permet le refroidissement à l'aide de l'eau du fleuve.

Comment fonctionne une centrale à énergie nucléaire ? Une centrale nucléaire pour fabriquer de l'électricité

Le saviez-vous ? les centrales nucléaires n'émettent que très peu de gaz à effet de Serre mais polluent pas pour autant. L'eau de refroidissement rejetée à tendance à augmenter la température des cours d'eau avoisinants, ce qui perturbe l'écosystème et est à la base d'une pollution appelée pollution thermique. Les centrales nucléaires génèrent des déchets radioactifs qu'il est difficile de stocker. Enfin les accidents, heureusement très rares, peuvent provoquer de véritables catastrophes (Tchernobyl, Fukushima)

Les alternateurs

Pour produire de l’électricité à grande échelle, comme dans les centrales électriques, on utilise des alternateurs composés de bobines statiques qui produisent de l’énergie électrique lorsqu’elles sont exposées aux champs magnétiques générés par des électroaimants en rotation aussi appelés rotors.

Les alternateurs convertissent donc l’énergie mécanique fournie à leur rotor en énergie électrique.

Le saviez-vous ? Plus de 95% de l’énergie électrique est fournie par des alternateurs. Les alternateurs sont constitués de deux parties : une partie fixe appelée stator et une partie mobile appelée rotor.

Bon à savoir, les voitures disposent toutes d'un alternateur permettant de recharger la batterie nécessaire au démarrage et à l'utilisation de tous les dispositifs électriques du véhicule. L'alternateur est alimenté directement par le moteur ce qui permet de recharger la batterie en roulant.

Sans ce dispositif, quelques démarrages suffiraient à vider entièrement la batterie.

Utilisation d'alternateurs dans une centrale électrique

Dans une centrale électrique on cherche donc à transmettre de l’énergie mécanique aux alternateurs.

 

Qu'est ce que l'énergie hydroélectrique ? La fabrication d'énergie électrique grâce à l'eau

Cette énergie peut être transmise directement comme dans les centrales hydroélectriques dont les turbines sont mises en rotation par l’eau, mais dans la plupart des centrales, les turbines sont actionnées par la vapeur d’eau sous pression, ces centrales sont appelées centrales thermiques.

Cette vapeur d’eau est produite en chauffant de l’eau grâce à une source d’énergie thermique qui peut être la combustion de pétrole, de charbon, de gaz naturel, la fission nucléaire de l’uranium 235 ou encore la concentration de l’énergie solaire.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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