Les atouts de l'électricité

Énoncé

Avec l'essor des énergies renouvelables, la capacité mondiale de stockage de l'énergie devrait tripler d'ici l'année 2030. Une solution compétitive économiquement est à l'étude. Il s'agit du projet StEnSea (Stored Energy in the Sea).

Document 1 : description du projet

D'énormes sphères creuses en béton sont installées sous la mer. C'est avec ce dispositif que des chercheurs allemands de l'institut Fraunhofer IWES veulent créer un nouveau système de stockage de l'énergie, adapté aux éoliennes en mer. Dans les sphères en béton, l'électricité en surplus produite par les éoliennes est utilisée pour pomper l'eau hors de la sphère immergée. Pour récupérer l'énergie, il suffit alors d'ouvrir les vannes pour que l'eau rentre à nouveau dans la sphère en faisant tourner au passage une turbine. La quantité d'énergie produite augmente avec la pression exercée par l'eau sur la turbine. L'impact de ce dispositif sur l'environnement est mineur. L'équipe du projet a évalué les conditions de fonctionnement optimal pour un tel système. Une sphère de 30 mètres de diamètre, placée à une profondeur de 700 mètres, pourrait stocker une énergie d'environ 20 MWh. Le rendement de ce dispositif pourrait avoisiner les 85 %. Une ferme d'éoliennes off-shore pourrait exploiter la capacité de stockage d'un système comprenant 5 à 120 sphères immergées.

Données caractéristiques du projet
Puissance fournie par une sphère	5 MW
Temps nécessaire pour remplir une sphère	4 h
Volume d'eau stockée	12 000 m³

Document 2 : évolution de la pression exercée par l'eau en fonction de la profondeur

Document 3 : la batterie lithium-ion, une autre solution pour le stockage de l'énergie

Les batteries lithium-ion sont utilisées dans les véhicules électriques ainsi que dans les fermes de batteries. L'américain Elon Musk a construit en Australie la plus grande ferme de batteries du monde. Appelée Powerpack, elle a pour mission de réguler la demande énergétique et de stocker l'énergie provenant d'un parc éolien. La ferme peut stocker une énergie totale de 129 MWh. Elle pourra ainsi alimenter 8 000 foyers pendant 24 heures ou 30 000 maisons pendant une heure, en cas de panne générale.

Source : d'après https://www.sciencealert.com

Questions

1. Justifier la nécessité de stocker l'énergie produite par les éoliennes.

2. Expliquer l'intérêt d'immerger le dispositif à une grande profondeur.

Lorsque les sphères se remplissent d'eau et que l'énergie stockée est restituée, préciser sur la copie, sans recopier la chaîne énergétique ci-dessous, le numéro du cadre et lui associer une expression choisie parmi les suivantes : énergie chimique, énergie électrique, énergie lumineuse, énergie mécanique, énergie thermique, énergie nucléaire.

4. L'équipe du projet a évalué qu'une sphère pourrait stocker une énergie d'environ 20 MWh. a) Retrouver cette valeur par un calcul à l'aide des données. b) Calculer l'énergie stockée par un parc de 100 sphères, et la comparer à la capacité de stockage de la ferme Powerpack implantée en Australie. Commenter brièvement le résultat.

La bonne méthode

1. Les éoliennes produisent de l'énergie renouvelable grâce au vent.

2. Le document 1 et le document 2 donnent la relation entre la pression et la profondeur, ainsi qu'entre la profondeur et l'énergie produite.

3. Compléter la chaîne énergétique de la turbine.

4. a) Les données numériques du document 1 permettent de retrouver l'énergie produite par une sphère. b) La valeur de l'énergie produite par une sphère est celle de la question précédente. Comparer ensuite l'énergie stockée par les 100 sphères et celle de la ferme Powerpack.

Voir le corrigé

Corrigé

1. Il est nécessaire de stocker l'énergie produite par les éoliennes, car il s'agit d'une des formes d'énergie renouvelable. Comme les énergies fossiles et nucléaires sont facilement stockables mais non renouvelables, il est indispensable de trouver comment stocker cette énergie qui est intermittente : cela permettra de pallier cet inconvénient.

2. D'après le document 1, la quantité d'énergie produite par le système des sphères de béton augmente avec la pression exercée par l'eau sur la turbine. Le document 2 indique qu'avec la profondeur, la pression augmente : elle avoisine 70 bar vers 700 m, alors qu'elle est de 110 bar à une profondeur de 1 100 m. L'immersion du système en profondeur permet de produire plus d'énergie : plus la turbine est située profondément, plus l'énergie produite sera grande.

La chaîne énergétique de la turbine est :

4. a.

Les données de l'énoncé sont :

• Puissance P fournie par une sphère : P = 5 MW ;

• Temps t pour remplir une sphère : t = 4 heures ;

• Volume V d'eau stockée : V = 12 000 m³.
Pour obtenir une énergie en mégawatt-heure, E = P × t = 4 × 5 = 20 MWh.

4. b. Une sphère produit une énergie d'environ 20 MWh. L'énergie totale stockée pour 100 sphères vaut 100 × 20 = 2 000 MWh.
La ferme Powerpack peut stocker une énergie totale de 129 MWh.
La capacité de stockage des sphères est donc $\frac{2\: 000}{129}\: = \: 15\, \mathrm{fois}$ supérieure à celle du parc équipé de batteries lithium-ion, donc elles sont bien plus intéressantes.