Énergies et environnement (EE) : production, stockage et gestion intelligente de l'énergie

Les notions à connaître

Réseau de transport et de distribution d'énergie

Structure maillée ou en étoile (noeuds, branches, flux, supervision) acheminant l'énergie électrique alternative des sites de production vers les usages, avec des pertes ; le maillage et la distribution sur le territoire assurent le mix énergétique et la continuité de service. Exemple : le réseau très haute tension français transporte à $400\,\text{kV}$ pour limiter les pertes Joule, puis des transformateurs abaissent la tension vers les réseaux de distribution.

Production décentralisée et cogénération

Multiplication de petites unités proches des usages (photovoltaïque en toiture, éolien, méthanisation), coordonnées avec le réseau ; la cogénération valorise simultanément électricité et chaleur d'une même source. Exemple : l'unité de méthanisation d'une ferme produit de l'électricité vendue au réseau et chauffe les bâtiments avec la chaleur du moteur, portant le rendement global au-delà de $80\,\%$.

Réseaux électriques spécifiques et micro-énergies

Réseaux continus ou dédiés (tramways, véhicules électriques autonomes, réseaux de chaleur, air comprimé, eau glacée) et récupération de l'énergie ambiante (energy harvesting) pour auto-alimenter capteurs et objets connectés. Exemple : un capteur de vibration industriel s'auto-alimente par un récupérateur piézoélectrique, supprimant pile et maintenance.

Convertisseur, modulateur, adaptateur de puissance

Le convertisseur change la nature de l'énergie (moteur, pompe, panneau solaire, module Peltier) ; le modulateur, commandé, dose le transfert (variateur, interface de puissance) ; l'adaptateur, non commandé, ajuste les grandeurs $effort/flux$ à rapport fixe (transformateur, réducteur, échangeur). Exemple : dans une éolienne, la génératrice convertit, l'électronique de puissance module pour se synchroniser au réseau, le multiplicateur adapte la vitesse lente du rotor.

Stockage d'énergie et diagramme de Ragone

Quatre familles : mécanique (volant d'inertie, barrage), chimique (piles, accumulateurs, carburants), électrostatique (condensateurs, supercondensateurs), thermique (ballon, module eutectique, mur trombe) ; on les compare par énergie massique, puissance massique, capacité maximale, constante de temps, état de charge et rendement sur le diagramme de Ragone. Exemple : le supercondensateur d'un bus urbain se recharge en $20\,\text{s}$ à chaque arrêt (forte puissance massique) mais stocke peu (faible énergie massique), à l'inverse d'une batterie lithium.

Efficacité énergétique passive et active

La performance d'un produit combine réduction des besoins (rendement des équipements, isolation), gestion intelligente des usages (pilotage automatisé) et récupération : réversibilité de la chaîne de puissance et revalorisation des pertes, jugées sur le cycle de vie et le retour sur investissement. Exemple : une ligne de métro récupère l'énergie de freinage des rames et la réinjecte pour les accélérations, économisant jusqu'à $30\,\%$ d'énergie de traction.

Gestion intelligente (smart grid)

Stratégies de pilotage des réseaux d'énergie fondées sur la mesure (compteurs communicants), la prévision et la commande : effacement des pointes, stockage tampon, adaptation de la production à la demande, à l'échelle d'un véhicule hybride, d'un bâtiment, d'un quartier ou d'une ville. Exemple : un gestionnaire d'énergie de maison décale la charge du véhicule électrique aux heures creuses et priorise l'autoconsommation photovoltaïque de midi.

Régulation et point de fonctionnement optimal

La boucle de régulation ou d'asservissement (consigne, mesure, correction) maintient la chaîne de puissance au plus près du point de fonctionnement de meilleur rendement malgré les variations de source et de charge. Exemple : le MPPT d'un onduleur photovoltaïque ajuste en permanence la tension du champ de panneaux pour rester au point de puissance maximale quand l'ensoleillement varie.

Les erreurs à éviter en ingénierie, innovation et développement durable

• ✗ Confondre kW et kWh.

  ✓ Le $\text{kW}$ mesure une puissance (débit d'énergie), le $\text{kWh}$ une énergie (quantité). Une batterie de $10\,\text{kWh}$ peut fournir $5\,\text{kW}$ pendant $2\,\text{h}$ : $E = P \times t$.

• ✗ Croire qu'un supercondensateur remplace une batterie.

  ✓ Le supercondensateur excelle en puissance massique $(charges/d$écharges brèves et intenses) mais stocke peu d'énergie. Batterie et supercondensateur sont complémentaires — c'est tout l'enseignement du diagramme de Ragone.

• ✗ Négliger le rendement du stockage dans un bilan.

  ✓ Chaque cycle $charge/d$écharge dissipe de l'énergie : une STEP restitue environ $75\,\%$, une batterie lithium $90\,\%$. L'énergie « stockée » n'est jamais intégralement « rendue ».

• ✗ Penser que doubler la section d'un câble double les pertes.

  ✓ C'est l'inverse : $R = \rho L / S$, doubler $S$ divise $R$ donc les pertes Joule par $2$. Et à puissance transportée égale, élever la tension divise le courant, donc les pertes en $I^2$.

• ✗ Oublier la profondeur de décharge et le rendement en dimensionnant une batterie.

  ✓ La capacité utile est réduite par la profondeur de décharge admissible (par exemple $80\,\%$) et par le rendement : $E_{\text{batterie}} = \dfrac{E_{\text{besoin}}}{DoD \times \eta}$, sinon la batterie vieillit prématurément ou l'autonomie n'est pas tenue.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Pourquoi transporte-t-on l'électricité à très haute tension ($400\,\text{kV}$) ?
2. Qu'est-ce que la cogénération ?
3. Quelle est la capacité énergétique d'une batterie $48\,\text{V}$ / $100\,\text{Ah}$ ?
4. Sur un diagramme de Ragone, comment se positionne un supercondensateur par rapport à une batterie lithium ?
5. Quel constituant est un ADAPTATEUR de puissance (non commandé) ?