Sciences de l'ingénieur1ère

Énergies renouvelables en SI
Exercices corrigés

Maîtrisez les énergies renouvelables en sciences de l'ingénieur : éolienne, solaire, hydroélectrique, biomasse et géothermie avec rendements et bilans énergétiques grâce à ces 5 exercices détaillés avec méthodes, formules et exemples.

Sources d'Énergie Renouvelable
Éolienne
\(P = \frac{1}{2} \rho S v^3 C_p\)
Puissance Éolienne
ρ
Densité air (kg/m³)
S
Surface (m²)
v
Vitesse (m/s)
C_p
Coefficient de puissance
💨
⚡
💡
Solaire
\(P = \eta \cdot G \cdot S\)
Puissance Solaire
η
Rendement (%)
G
Irradiance (W/m²)
S
Surface (m²)
P
Puissance (W)
☀️
⚡
💡
Hydroélectrique
\(P = \rho g Q H \eta\)
Puissance Hydraulique
ρ
Densité eau (kg/m³)
H
Hauteur (m)
Q
Débit (m³/s)
η
Rendement (%)
Exercice 1
Turbine éolienne : puissance, rendement et production
Exercice 2
Panneau solaire : irradiation, rendement et bilan énergétique
Exercice 3
Centrale hydroélectrique : puissance et efficacité
Exercice 4
Biomasse : conversion énergétique et rendement
Exercice 5
Géothermie : extraction et conversion énergétique
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Turbine éolienne
Définitions :

Puissance éolienne : \( P = \frac{1}{2} \rho S v^3 C_p \)

Loi de Betz : Rendement maximal = 59.3%

Surface balayée : \( S = \pi R^2 \) où R est le rayon du rotor

Méthode de calcul :
  1. Calculer la surface balayée par les pales
  2. Appliquer la formule de la puissance éolienne
  3. Prendre en compte le coefficient de puissance
  4. Calculer la production annuelle
Étape 1 : Données de la turbine

Diamètre du rotor : D = 120 m → Rayon R = 60 m

Surface balayée : S = π × R² = π × 60² = 11,310 m²

Vitesse du vent : v = 12 m/s

Densité de l'air : ρ = 1.225 kg/m³

Coefficient de puissance : Cp = 0.45 (45%)

Étape 2 : Calcul de la puissance éolienne disponible

Puissance disponible : \( P_{dispo} = \frac{1}{2} \rho S v^3 \)

\( P_{dispo} = \frac{1}{2} \times 1.225 \times 11,310 \times 12^3 \)

\( P_{dispo} = 0.5 \times 1.225 \times 11,310 \times 1,728 \)

\( P_{dispo} = 12,050,000 \text{ W} = 12.05 \text{ MW} \)

Étape 3 : Calcul de la puissance électrique produite

Puissance électrique : \( P_{elec} = P_{dispo} \times C_p \)

\( P_{elec} = 12.05 \text{ MW} \times 0.45 = 5.42 \text{ MW} \)

Étape 4 : Calcul de la production annuelle

Si la turbine fonctionne 2,500 heures/an à pleine puissance :

Énergie produite : \( E = P_{elec} \times t = 5.42 \text{ MW} \times 2,500 \text{ h} \)

\( E = 13,550 \text{ MWh/an} \)

Étape 5 : Analyse des résultats

La turbine peut produire 13,550 MWh/an

Cela suffit pour alimenter environ 4,500 foyers (3 MWh/foyer/an)

Le rendement de 45% est réaliste pour une turbine moderne

La production dépend fortement de la vitesse du vent (v³)

P_éolienne = 12.05 MW
P_électrique = 5.42 MW
E_annuelle = 13,550 MWh
Réponse finale :

La turbine éolienne de 120 m de diamètre peut produire 5.42 MW d'électricité à partir de 12.05 MW d'énergie cinétique du vent, avec un rendement de 45%. Elle produit 13,550 MWh/an, suffisant pour alimenter 4,500 foyers.

Règles appliquées :

• Cubique : La puissance varie avec le cube de la vitesse du vent

• Surface : Proportionnelle au carré du diamètre

• Rendement : Limité par la loi de Betz (59.3%)

2 Panneau solaire
Définition :

Puissance solaire : \( P = \eta \cdot G \cdot S \)

Irradiation : Énergie solaire reçue par unité de surface

Rendement : Ratio entre la puissance électrique produite et la puissance solaire reçue

Étape 1 : Données du panneau

Surface du panneau : S = 1.6 m²

Rendement du panneau : η = 18% = 0.18

Irradiance solaire : G = 1000 W/m² (condition standard)

Température ambiante : 25°C

Étape 2 : Calcul de la puissance produite

Puissance électrique : \( P = \eta \cdot G \cdot S \)

\( P = 0.18 \times 1000 \times 1.6 = 288 \text{ W} \)

Étape 3 : Calcul de la production journalière

Heures d'ensoleillement équivalentes : 4 h/jour

Production journalière : \( E_{jour} = P \times t = 288 \text{ W} \times 4 \text{ h} \)

\( E_{jour} = 1,152 \text{ Wh/jour} = 1.15 \text{ kWh/jour} \)

Étape 4 : Calcul de la production annuelle

Production annuelle : \( E_{an} = 1.15 \text{ kWh/jour} \times 365 \text{ jours} \)

\( E_{an} = 420 \text{ kWh/an} \)

Étape 5 : Rendement par rapport à la surface

Surface utile : 1.6 m²

Production par m² : \( \frac{420}{1.6} = 262.5 \text{ kWh/m²/an} \)

Étape 6 : Analyse des facteurs influençant le rendement

• Orientation : Sud idéal en France

• Inclinaison : Proche de la latitude (45° en France)

• Température : Rendement diminue avec la température

• Ombres : Réduction significative de la production

P = 288 W
E_jour = 1.15 kWh
E_an = 420 kWh
Réponse finale :

Le panneau solaire de 1.6 m² avec un rendement de 18% produit 288 W de puissance maximale. Il génère 1.15 kWh/jour ou 420 kWh/an, ce qui correspond à environ 10% de la consommation électrique d'un foyer moyen.

Règles appliquées :

• Proportionnalité : La puissance est proportionnelle à la surface et à l'irradiance

• Rendement : Dépend de la technologie et des conditions d'exploitation

• Heures équivalentes : Moyenne des heures d'ensoleillement pour évaluation

3 Centrale hydroélectrique
Définitions :

Puissance hydraulique : \( P = \rho g Q H \eta \)

Hauteur de chute : Différence de niveau entre le barrage et la turbine

Débit : Volume d'eau écoulé par unité de temps

Étape 1 : Données de la centrale

Hauteur de chute : H = 150 m

Débit nominal : Q = 100 m³/s

Densité de l'eau : ρ = 1000 kg/m³

Accélération de la pesanteur : g = 9.81 m/s²

Rendement global (turbine + alternateur) : η = 85% = 0.85

Étape 2 : Calcul de la puissance hydraulique disponible

Puissance disponible : \( P_{dispo} = \rho g Q H \)

\( P_{dispo} = 1000 \times 9.81 \times 100 \times 150 \)

\( P_{dispo} = 147,150,000 \text{ W} = 147.15 \text{ MW} \)

Étape 3 : Calcul de la puissance électrique produite

Puissance électrique : \( P_{elec} = P_{dispo} \times \eta \)

\( P_{elec} = 147.15 \text{ MW} \times 0.85 = 125.08 \text{ MW} \)

Étape 4 : Calcul de la production annuelle

Si la centrale fonctionne 8,000 heures/an :

Énergie produite : \( E = P_{elec} \times t = 125.08 \text{ MW} \times 8,000 \text{ h} \)

\( E = 1,000,640 \text{ MWh/an} = 1.00 \text{ TWh/an} \)

Étape 5 : Comparaison avec la consommation

Consommation moyenne d'un foyer : 4,500 kWh/an

Nombre de foyers alimentés : \( \frac{1,000,640,000}{4,500} = 222,364 \text{ foyers} \)

Étape 6 : Analyse des pertes

Pertes hydrauliques (frottements) : ~5%

Pertes mécaniques (turbine) : ~5%

Pertes électriques (alternateur) : ~5%

Pertes totales : ~15% → Rendement global : 85%

P_disponible = 147.15 MW
P_électrique = 125.08 MW
E_annuelle = 1.00 TWh
Réponse finale :

La centrale hydroélectrique peut produire 125.08 MW d'électricité à partir de 147.15 MW d'énergie hydraulique disponible, avec un rendement global de 85%. Elle produit 1.00 TWh/an, suffisant pour alimenter plus de 220,000 foyers.

Règles appliquées :

• Proportionnalité : La puissance est proportionnelle à la hauteur et au débit

• Rendement : Les centrales hydroélectriques ont des rendements élevés

• Stockage : Possibilité de stocker l'énergie en amont du barrage

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Biomasse
Définitions :

Pouvoir calorifique : Énergie libérée par la combustion d'une unité de matière

Conversion biomasse : Combustion → Énergie thermique → Énergie mécanique → Électricité

Rendement global : \( \eta_{total} = \eta_{combustion} \times \eta_{thermique} \times \eta_{mécanique} \times \eta_{électrique} \)

Étape 1 : Données de la centrale biomasse

Type de biomasse : Bois de chauffage

Pouvoir calorifique : Hc = 15 MJ/kg = 15×10⁶ J/kg

Consommation : 20 tonnes/h = 20,000 kg/h

Rendement de combustion : η_comb = 85% = 0.85

Rendement thermique (cycle Rankine) : η_therm = 30% = 0.30

Rendement mécanique : η_meca = 95% = 0.95

Rendement électrique : η_elec = 98% = 0.98

Étape 2 : Calcul de l'énergie chimique fournie

Énergie fournie par heure : \( E_{chim} = m \times H_c \)

\( E_{chim} = 20,000 \text{ kg/h} \times 15×10^6 \text{ J/kg} \)

\( E_{chim} = 300,000,000,000 \text{ J/h} = 300 \text{ GJ/h} \)

\( E_{chim} = 83.33 \text{ MWh/h} \)

Étape 3 : Calcul du rendement global

Rendement total : \( \eta_{total} = \eta_{comb} \times \eta_{therm} \times \eta_{meca} \times \eta_{elec} \)

\( \eta_{total} = 0.85 \times 0.30 \times 0.95 \times 0.98 = 0.236 = 23.6\% \)

Étape 4 : Calcul de la puissance électrique produite

Puissance électrique : \( P_{elec} = E_{chim} \times \eta_{total} \)

\( P_{elec} = 83.33 \text{ MWh/h} \times 0.236 = 19.67 \text{ MW} \)

Étape 5 : Calcul de la production annuelle

Si la centrale fonctionne 7,000 heures/an :

Énergie produite : \( E_{an} = 19.67 \text{ MW} \times 7,000 \text{ h} \)

\( E_{an} = 137,690 \text{ MWh/an} \)

Étape 6 : Analyse environnementale

• Carbone neutre : La biomasse émet du CO₂ mais est compensée par la photosynthèse

• Approvisionnement : Nécessite une gestion durable des ressources

• Flexibilité : Peut fonctionner en base ou en pointe

• Rendement : Inférieur aux autres sources renouvelables (20-25%)

E_chimique = 83.33 MWh/h
P_électrique = 19.67 MW
η_total = 23.6%
Conclusion :

La centrale biomasse convertit 23.6% de l'énergie chimique de la biomasse en électricité, produisant 19.67 MW. Elle peut produire 137,690 MWh/an, suffisant pour alimenter environ 30,000 foyers. Bien que le rendement soit modeste, elle offre une source d'énergie renouvelable et flexible.

Règles appliquées :

• Multi-étape : Conversion chimique → thermique → mécanique → électrique

• Rendement : Produit des rendements successifs

• Carbone neutre : Cycle fermé du carbone

5 Géothermie
Définitions :

Énergie géothermique : Chaleur provenant de l'intérieur de la Terre

Pompe à chaleur géothermique : \( COP = \frac{Q_{utile}}{W_{consommé}} \)

Centrale géothermique : Conversion de la chaleur en électricité

Étape 1 : Données de la centrale géothermique

Température du fluide géothermal : T_source = 180°C = 453 K

Température ambiante : T_sink = 20°C = 293 K

Température de vaporisation : T_vapor = 150°C = 423 K

Température de condensation : T_cond = 50°C = 323 K

Flux thermique : Q = 50 MW

Rendement du cycle thermique : η_cycle = 15% = 0.15

Étape 2 : Calcul du rendement de Carnot

Rendement de Carnot : \( \eta_{Carnot} = 1 - \frac{T_{cond}}{T_{vapor}} \)

\( \eta_{Carnot} = 1 - \frac{323}{423} = 1 - 0.764 = 0.236 = 23.6\% \)

Étape 3 : Calcul de la puissance électrique produite

Puissance électrique : \( P_{elec} = Q \times \eta_{cycle} \)

\( P_{elec} = 50 \text{ MW} \times 0.15 = 7.5 \text{ MW} \)

Étape 4 : Calcul de la production annuelle

Si la centrale fonctionne 8,000 heures/an :

Énergie produite : \( E_{an} = 7.5 \text{ MW} \times 8,000 \text{ h} \)

\( E_{an} = 60,000 \text{ MWh/an} \)

Étape 5 : Analyse des caractéristiques

• Disponibilité : 24h/24, 7j/7 (base load)

• Emplacement : Zones volcaniques ou avec gradient thermique élevé

• Rendement : Faible mais constant (10-20%)

• Investissement : Coût élevé mais exploitation faible

Étape 6 : Pompe à chaleur géothermique résidentielle

Pour un usage résidentiel, la géothermie est plus souvent utilisée avec des pompes à chaleur

COP typique : 3-5 (pour 1 kWh électrique consommé, on obtient 3-5 kWh thermiques)

Température du sol : constante à ~12°C à 100m de profondeur

η_Carnot = 23.6%
P_électrique = 7.5 MW
E_annuelle = 60,000 MWh
Réponse finale :

La centrale géothermique peut produire 7.5 MW d'électricité à partir de 50 MW de chaleur géothermique, avec un rendement de 15% (inférieur au rendement de Carnot de 23.6%). Elle produit 60,000 MWh/an, suffisant pour alimenter environ 13,000 foyers de manière constante.

Règles appliquées :

• Constant : Disponibilité 24h/24, indépendante des conditions climatiques

• Thermodynamique : Limitée par les lois de Carnot

• Localisation : Nécessite des sites avec gradient thermique favorable

Cours bien détaillé
Éolienne
\(P = \frac{1}{2} \rho S v^3 C_p\)
Puissance Éolienne
💨
Source : Mouvement de l'air causé par les différences de température.
📊
Rendement : 35-50% selon la technologie (maximal de 59.3% selon Betz).
🔄
Conversion : Cinétique → Mécanique → Électrique.
⚡
Production : Intermittente, dépendante des conditions météorologiques.
Solaire
\(P = \eta \cdot G \cdot S\)
Puissance Solaire
☀️
Source : Énergie rayonnée par le Soleil.
📊
Rendement : 15-22% pour les panneaux photovoltaïques, 20-25% pour les thermiques.
🔄
Conversion : Lumineuse → Électrique (photovoltaïque) ou Thermique → Mécanique → Électrique.
⚡
Production : Variable selon l'heure, la saison et la météo.
Hydroélectrique
\(P = \rho g Q H \eta\)
Puissance Hydraulique
💧
Source : Énergie potentielle de l'eau stockée en altitude.
📊
Rendement : 80-90%, très élevé parmi les sources renouvelables.
🔄
Conversion : Potentielle → Cinétique → Mécanique → Électrique.
⚡
Production : Flexible, possibilité de stockage et de modulation.
Biomasse
\(E = m \cdot H_c\)
Énergie de Combustion
🌱
Source : Matière organique (bois, déchets, biogaz).
📊
Rendement : 20-25% pour la production d'électricité.
🔄
Conversion : Chimique → Thermique → Mécanique → Électrique.
⚡
Production : Contrôlable, stockage possible du combustible.
Géothermie
\(\eta = 1 - \frac{T_{cond}}{T_{vapor}}\)
Rendement de Carnot
🌋
Source : Chaleur interne de la Terre.
📊
Rendement : 10-20%, limité par les températures accessibles.
🔄
Conversion : Thermique → Mécanique → Électrique.
⚡
Production : Continue et fiable, indépendante des conditions extérieures.
💡
Conseil : Combiner différentes sources pour compenser les intermittences
🔍
Attention : Le rendement dépend fortement des conditions locales
⚡
Astuce : L'hydroélectrique permet le stockage d'énergie par pompage
📋
Méthode : Évaluer le potentiel local avant installation
✅
Vérification : Comparer les rendements pour optimiser le mix énergétique
Évaluation du potentiel :
  • Éolien : Cartographie du potentiel éolien (vitesse moyenne, fréquence)
  • Solaire : Irradiation solaire annuelle et orientation possible
  • Hydro : Débits disponibles et dénivelé possible
  • Biomasse : Disponibilité locale de la ressource
  • Géothermie : Gradient thermique et accès au sous-sol
Règles importantes :
  • Les énergies renouvelables sont inépuisables à l'échelle humaine
  • Chaque source a des caractéristiques spécifiques de rendement et de disponibilité
  • L'intermittence est un défi pour certaines sources (éolien, solaire)
  • Les rendements sont limités par les lois de la thermodynamique
  • La combinaison de sources permet d'assurer la continuité de l'approvisionnement
Énergies renouvelables en SI Énergies et sources