Deux siècles d'énergie électrique : exercices de Terminale

En 1786, Luigi Galvani constate qu'une cuisse de grenouille se met à se contracter dès qu'elle touche des métaux. Le 17 mars 1800, Alessandro Volta invente la première pile à colonne.⁴

Combien d'années séparent l'observation de Galvani de l'invention de Volta ?

Une pile électrique et un alternateur produisent tous deux de l'électricité.

1. Pour chacun, indique la forme d'énergie reçue et la forme d'énergie fournie.
2. Lequel des deux met en jeu une réaction d'oxydoréduction ?
3. Peut-on dire qu'une pile « crée » de l'énergie ? Justifie.

Volta invente sa pile le 17 mars 1800. Le 2 mai 1800, deux chimistes britanniques, William Nicholson et Anthony Carlisle, s'en servent pour accomplir la première électrolyse artificielle, celle de l'eau.⁴

Combien de jours séparent ces deux dates ? (On ne compte pas le jour de départ.)

En 1881, Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs construisent l'un des premiers transformateurs, ce qui rend possible le transport en courant alternatif. En 1914, on compte déjà 55 systèmes de transmission qui travaillent chacun sous plus de 70 000 V.³

1. Combien d'années séparent ces deux repères ?
2. En 1882, la production se faisait en courant continu. Pourquoi cela limitait-il la distance entre la centrale et les consommateurs ?

Une centrale envoie une puissance $P = 10\ \text{MW}$ vers un poste électrique par une ligne dont la résistance totale est $R = 2\ \Omega$. On rappelle que l'intensité est $I = \dfrac{P}{U}$ et que la puissance perdue par effet Joule est $P_{perte} = R \times I^2$.

La ligne fonctionne sous $U = 20\ \text{kV}$. Calcule la puissance perdue dans la ligne, en watts.

On reprend la ligne précédente ($P = 10\ \text{MW}$, $R = 2\ \Omega$), mais l'électricité est maintenant transmise sous $U = 200\ \text{kV}$, soit plus que les 115 kV à partir desquels on parle de haute tension de transport.³

Par quel facteur les pertes sont-elles divisées par rapport à la situation à 20 kV ?

Le réseau de transport ne comporte pas de stockage d'énergie électrique : à chaque instant, la production doit suivre exactement la consommation.³

Sur un réseau, la consommation vaut 52 GW à 8 h et 61 GW à 19 h. On suppose qu'aucun stockage n'intervient.

1. De combien la production doit-elle augmenter entre 8 h et 19 h, en GW ?
2. Que se passerait-il si la production restait à 52 GW à 19 h ?

Un alternateur convertit de l'énergie mécanique en énergie électrique.¹ Il est entraîné par une turbine qui lui fournit une puissance mécanique de $2{,}0\ \text{MW}$. On suppose que son rendement est de $0{,}95$ (95 % de la puissance mécanique est convertie en puissance électrique) et qu'il fonctionne sans interruption pendant 24 h.

Calcule l'énergie électrique fournie en une journée, en MWh.

Les lignes de transport sont en grande majorité en courant alternatif triphasé, sous haute ou très haute tension. Le courant continu à haute tension (CCHT) est préféré dans certains cas : les très longues distances (souvent plusieurs centaines de kilomètres), où il est plus efficace ; les câbles sous-marins, en général au-delà de 50 km ; et les échanges de puissance entre réseaux non synchronisés.³

Pour chaque situation, choisis la technologie la plus adaptée et justifie :

• a. une liaison sous-marine de 80 km ;
• b. une ligne aérienne de 30 km entre une centrale et un poste électrique ;
• c. un échange de puissance entre deux réseaux qui ne sont pas synchronisés.

Une commune hésite entre une ligne aérienne et un câble souterrain pour un nouveau raccordement. À partir des informations suivantes, rédige un court argumentaire (5 à 8 lignes) avec au moins deux avantages et deux inconvénients du câble souterrain.

Un câble enterré prend moins de place au sol qu'une ligne aérienne, se remarque moins et souffre moins du mauvais temps. En revanche, le câble isolé et les travaux de creusement coûtent beaucoup plus cher. Localiser et réparer une panne dans une ligne enterrée demande plus de temps, et sa capacité thermique la limite.³ Le souterrain est parfois choisi en zone urbaine ou dans des lieux écologiquement sensibles.³