L’électricité présente de grands atouts : elle peut être produite sans combustion (hydraulique, éolien, photovoltaïque, nucléaire), elle se transporte facilement et se convertit efficacement en mouvement, chaleur ou lumière. Sa principale limite : elle se stocke mal en tant que telle, ce qui impose de la convertir sous une autre forme pour la conserver.
Une question sur ce cours ?
ULU, le tuteur d’ULUMINE, t’aide à partir de ce cours.
Objectifs
- Citer des modes de production d’électricité sans combustion
- Expliquer le principe d’une cellule photovoltaïque (semi-conducteur, énergie des photons)
- Exploiter la caractéristique courant-tension d’une cellule et calculer sa puissance et son rendement
- Décrire des solutions de stockage de l’énergie électrique
1. Produire sans combustion
| Source | Conversion principale | Émission directe de CO₂ |
|---|---|---|
| Hydraulique | Énergie mécanique de l’eau → alternateur | Non |
| Éolien | Énergie cinétique du vent → alternateur | Non |
| Nucléaire | Fission → chaleur → turbine → alternateur | Non |
| Photovoltaïque | Rayonnement → électricité (directement) | Non |
| Centrales à charbon ou à gaz | Combustion → chaleur → turbine → alternateur | Oui |
2. La cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est faite d’un matériau semi-conducteur, le plus souvent du silicium. La lumière est constituée de photons dont l’énergie dépend de la longueur d’onde.
E = h × ν =
Un photon n’est absorbé et ne libère un électron que si son énergie est supérieure ou égale à l’énergie de gap Eg du semi-conducteur (environ 1,1 eV pour le silicium). Les électrons libérés, mis en mouvement grâce à la structure de la cellule, créent un courant.
Longueur d’onde maximale absorbée par le silicium
Eg = 1,12 eV. On cherche λ telle que hc/λ = Eg.
- Eg = 1,12 × 1,60 × 10⁻¹⁹ ≈ 1,79 × 10⁻¹⁹ J
- λ = hc ÷ Eg = (6,63 × 10⁻³⁴ × 3,00 × 10⁸) ÷ 1,79 × 10⁻¹⁹
- λ ≈ 1,11 × 10⁻⁶ m
Le silicium absorbe les rayonnements de longueur d’onde inférieure à environ 1 110 nm (visible et proche infrarouge).
3. Caractéristique et puissance d’une cellule
La caractéristique I = f(U) d’une cellule éclairée montre que l’intensité est presque constante pour des tensions faibles puis chute brutalement jusqu’à s’annuler à la tension de circuit ouvert Uco. À U = 0, l’intensité vaut Icc (court-circuit).
P = U × I
η = avec Plumineuse = éclairement (W/m²) × surface (m²)
Rendement d’un panneau
Un panneau de 1,6 m² reçoit un éclairement de 1 000 W/m² et délivre 300 W au point de puissance maximale.
- P lumineuse = 1 000 × 1,6 = 1 600 W
- η = 300 ÷ 1 600 = 0,1875
Rendement : environ 19 %.
4. Stocker l’énergie électrique
Éolien et photovoltaïque sont intermittents : leur production dépend du vent et de l’ensoleillement, pas de la demande. Pour ajuster production et consommation, on convertit l’électricité sous une forme stockable.
| Technique | Forme de stockage | Usage typique |
|---|---|---|
| Batterie (accumulateur) | Énergie chimique | Véhicules, téléphones, stockage local |
| STEP (station de transfert d’énergie par pompage) | Énergie potentielle de pesanteur de l’eau | Grandes quantités, réseau national |
| Hydrogène (électrolyse puis pile à combustible) | Énergie chimique | Stockage longue durée, industrie, mobilité lourde |
| Condensateur | Énergie électrique (champ électrique) | Stockage très bref, puissances élevées |
Ep = m × g × h
Énergie stockée dans 1 m³ d’eau
1 m³ d’eau (1 000 kg) est remonté de 300 m.
- E = 1 000 × 9,81 × 300 = 2 943 000 J
- E ≈ 2,94 MJ ≈ 0,82 kWh
Il faut donc des millions de m³ d’eau pour stocker des GWh.
À retenir
- Hydraulique, éolien, nucléaire et photovoltaïque produisent de l’électricité sans combustion.
- Une cellule photovoltaïque absorbe les photons d’énergie E = hc/λ supérieure au gap du semi-conducteur.
- P = U × I ; la puissance d’une cellule est maximale en un point de sa caractéristique.
- Rendement d’un panneau = P électrique ÷ (éclairement × surface), de l’ordre de 15 à 22 %.
- L’électricité se stocke après conversion : chimique (batteries, hydrogène), potentielle (STEP)…, avec des pertes.
Et maintenant, à toi !
Vérifie que tu as compris avec les exercices, puis révise avec la fiche.