Transferts d'énergie

Conversion, transport, pertes, rendement, puissance active et apparente.

Concepts fondamentaux de l'énergie

Rendement énergétique η: η = Énergie utile / Énergie consommée × 100 %. Toujours inférieur à 100 % car des pertes inévitables existent (effet Joule, frottements, rayonnement). Exemples : moteur électrique η ≈ 90 %, moteur thermique ≈ 35 %, panneau solaire ≈ 20 %. Améliorer le rendement revient à réduire ces pertes sans changer la puissance utile.
Bilan énergétique: Énergie entrée = Énergie utile + Pertes. Les pertes se répartissent entre effet Joule (résistances), frottements mécaniques, pertes magnétiques (fer) et rayonnement thermique. Le diagramme de Sankey représente ces flux, la largeur des flèches étant proportionnelle à la quantité d'énergie.
Chaîne d'énergie en STI2D: Modèle d'analyse d'un système : ALIMENTER (source) → DISTRIBUER (transmission, commutation) → CONVERTIR (moteur, résistance) → TRANSMETTRE (mécanique, hydraulique) → AGIR (effecteur). Elle s'analyse en parallèle avec la chaîne d'information (capteurs, traitement, actionneurs).

Puissances active, réactive et apparente: Puissance active P (W) : réellement consommée (travail). Puissance réactive Q (VAr) : oscillant entre source et récepteur sans être consommée (bobines, condensateurs). Puissance apparente S (VA) : S = √(P² + Q²). Facteur de puissance = P/S, idéalement égal à 1. Un facteur faible entraîne des pénalités EDF pour les industriels.
Régime sinusoïdal: Courant et tension varient sinusoïdalement : u(t) = U_max × cos(ωt + φ). La pulsation ω = 2πf avec f = 50 Hz en France. Le déphasage φ traduit le décalage temporel entre tension et courant. Valeur efficace : U_eff = U_max / √2. Les bobines retardent le courant ; les condensateurs l'avancent.

Principales sources et principes: Solaire photovoltaïque : photons → électricité (effet photoélectrique). Éolien : vent → rotation turbine → électricité. Hydraulique : chute d'eau → turbine → électricité. Géothermique : chaleur terrestre. Biomasse : combustion de matières organiques. Avantages : inépuisables et faibles émissions. Limites majeures : intermittence et difficultés de stockage.
Stockage de l'énergie: Enjeu clé pour compenser l'intermittence des ENR. Solutions : batteries lithium-ion (véhicules électriques), STEP (Station de Transfert d'Énergie par Pompage — turbinage lors des pics), hydrogène (électrolyse de l'eau). La comparaison entre systèmes se fait sur la densité d'énergie (Wh/kg) et le rendement aller-retour.

: Pour tout problème de bilan : identifier les frontières du système, lister toutes les énergies entrantes et sortantes, calculer les pertes par différence. Le diagramme de Sankey est l'outil graphique de référence.
: Ne pas confondre puissance (W) et énergie (J ou kWh). Énergie = Puissance × Durée. Pour comparer des rendements, toujours ramener à la même unité et aux mêmes conditions d'utilisation.

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