Exercice N°3 : Quel moyen de production utiliser ?

Stage Physique Appliquée Académie d’Aix­Marseille 5 & 7 juin 2007 Exercice N°3 : Quel moyen de production utiliser ? Sources : Observatoire de l’énergie Avril 2007 EDF ADEME www.industrie.gouv.fr 1­ Utilisation des centrales thermiques nucléaires. L’énergie électrique produite annuellement par une tranche de 1300 MW d’une centrale thermique nucléaire est d’environ 10 TWh. 1­1­ Calculer l’intervalle de temps Δt correspondant à la production de cette énergie à l’aide de cette tranche de centrale nucléaire. 1­2­ Comparer cet intervalle de temps avec la durée d’une année. Sachant que les moyens de production d’énergie électrique fonctionnant en « base » sont en service pendant 7000 h en moyenne, cette valeur est­elle cohérente ? En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh. 1­3­ Calculer le nombre de tranches de 1300 MW de centrale thermique nucléaire nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, uniquement à partir de l’utilisation du nucléaire. 1­4­ Si toute l’énergie électrique était d’origine nucléaire, calculer la quantité de déchets radioactifs qui serait produit annuellement sachant que le parc électronucléaire français en produit 11 mg/kWh. L’équipement français en centrale thermique nucléaire est aujourd’hui réparti sur 19 sites comportant 34 unités de 900 MW, 20 unités de 1300 MW et 4 réacteurs de 1450 MW. 1­5­ Calculer la puissance totale des centrales thermiques nucléaires installées en France en 2006. 1­6­ Calculer la quantité de déchets radioactifs produits en 2006 sachant que le parc électronucléaire français a fourni 429 TWh cette année­là. 1­7­ Que peut­on en déduire ? Les réserves mondiales d’uranium sont estimées en 2006 à 2643,3.10 3 tonnes : elles sont donc finies. 1­8­ Que peut­on en déduire ? 2­ Utilisation des centrales thermiques à flammes alimentées par charbon. La puissance d’une centrale thermique au charbon est de l’ordre de 250 MW. En production, la consommation à l’heure est de l’ordre de 100 t de charbon. 2­1­ Calculer la puissance totale des centrales thermiques nécessaires pour produire 10 TWh si on admet qu’elles fonctionnent 7692 h par an.
1/5 Stage Physique Appliquée Académie d’Aix­Marseille 5 & 7 juin 2007 2­2­ En déduire le nombre de centrales thermiques au charbon de puissance 250 MW nécessaire pour produire la même quantité d’énergie (10 TWh) qu’une tranche de centrale nucléaire. 2­3­ Calculer alors la masse de charbon utilisée pour produire 10 TWh. En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh. 2­4­ Calculer le nombre de centrales thermiques au charbon de puissance 250 MW nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, uniquement à partir de l’utilisation de charbon. 2­5­ En déduire la masse totale de charbon utilisé en 2006 si l’énergie électrique issue du charbon était la seule utilisée. 2­6­ Calculer la masse de dioxyde de carbone (CO2) produit annuellement sachant qu’il y a une émission de CO2 égale à 953 g/kWh pour une centrale thermique au charbon. En 1990, l’émission de CO2 en France était de 103,1 10 6 t. Les pays signataires du Protocole de Kyoto se sont engagés à réduire leurs émissions de principaux gaz à effet de serre de 5 % à l’horizon 2008/2012 par rapport au niveau de 1990 : ­ pour les pays de l’Union européenne, cela signifie une baisse de 8 % des émissions. ­ pour la France, cela signifie une stabilisation des émissions 2­7­ Comparer le résultat précédent avec les engagements de la France pris à Kyoto. Que peut­on en déduire ? Les réserves mondiales de charbon sont estimées en 2006 à 291,3.10 9 tonnes : elles sont donc finies. 2­8­ Que peut­on en déduire ? 3­ Utilisation des centrales thermiques à flammes alimentées par fioul. La puissance d’une centrale thermique au fioul est de l’ordre de 250 MW. En production, la consommation à l’heure est de l’ordre de 50 t de fioul. 3­1­ Calculer la puissance totale des centrales thermiques nécessaires pour produire 10 TWh si on admet qu’elles fonctionnent 7692 h par an. 3­2­ En déduire le nombre de centrales thermiques au fioul de puissance 250 MW nécessaire pour produire la même quantité d’énergie (10 TWh) qu’une tranche de centrale nucléaire. 3­3­ Calculer alors la masse de fioul utilisée pour produire 10 TWh. En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh. 3­4­ Calculer le nombre de centrales thermiques au fioul de puissance 250 MW nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, uniquement à partir de l’utilisation du fioul. 3­5­ En déduire la masse totale de fioul utilisé en 2006 si l’énergie électrique issue du fioul était la seule utilisée.
2/5 Stage Physique Appliquée Académie d’Aix­Marseille 5 & 7 juin 2007 3­6­ Calculer la masse de dioxyde de carbone (CO2) produit annuellement sachant qu’il y a une émission de CO2 égale à 830 g/kWh pour une centrale thermique au fioul. En 1990, l’émission de CO2 en France était de 103,1 10 6 t. Les pays signataires du Protocole de Kyoto se sont engagés à réduire leurs émissions de principaux gaz à effet de serre de 5 % à l’horizon 2008/2012 par rapport au niveau de 1990 : ­ pour les pays de l’Union européenne, cela signifie une baisse de 8 % des émissions. ­ pour la France, cela signifie une stabilisation des émissions 3­7­ Comparer le résultat précédent avec les engagements de la France pris à Kyoto. Que peut­on en déduire ? Les réserves mondiales de pétrole sont estimées en 2006 à 140.10 9 tonnes : elles sont donc finies. 2­9­ Que peut­on en déduire ? 4­ Utilisation des centrales thermiques à flammes alimentées par gaz naturel. La puissance d’une centrale thermique au gaz naturel est de l’ordre de 125 MW. En production, la consommation à l’heure est de l’ordre de 60 10 3 m 3 de gaz. 4­1­ Calculer la puissance totale des centrales thermiques nécessaires pour produire 10 TWh si on admet qu’elles fonctionnent 7692 h par an. 4­2­ En déduire le nombre de centrales thermiques au gaz naturel de puissance 125 MW nécessaire pour produire la même quantité d’énergie (10 TWh) qu’une tranche de centrale nucléaire. 4­3­ Calculer alors le volume de gaz naturel utilisé pour produire 10 TWh. En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh. 4­4­ Calculer le nombre de centrales thermiques au gaz naturel de puissance 125 MW nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, uniquement à partir de l’utilisation de gaz naturel. 4­5­ En déduire le volume total de gaz utilisé en 2006 si l’énergie électrique issue du gaz naturel était la seule utilisée. 4­6­ Calculer la masse de dioxyde de carbone (CO2) produit annuellement sachant qu’il y a une émission de CO2 égale à 365 g/kWh pour une centrale thermique au gaz naturel (à cycle combiné). En 1990, l’émission de CO2 en France était de 103,1 10 6 t. Les pays signataires du Protocole de Kyoto se sont engagés à réduire leurs émissions de principaux gaz à effet de serre de 5 % à l’horizon 2008/2012 par rapport au niveau de 1990 : ­ pour les pays de l’Union européenne, cela signifie une baisse de 8 % des émissions. ­ pour la France, cela signifie une stabilisation des émissions
3/5 Stage Physique Appliquée Académie d’Aix­Marseille 5 & 7 juin 2007 4­7­ Comparer le résultat précédent avec les engagements de la France pris à Kyoto. Que peut­on en déduire ? Les réserves mondiales de gaz naturel sont estimées en 2006 à 180.10 12 m 3 : elles sont donc finies. 4­8­ Que peut­on en déduire ? 5­ Utilisation des centrales hydrauliques. La puissance typique d’une centrale hydraulique est de l’ordre de 100 MW. En 2006, la puissance totale hydraulique installée en France est de 20 GW, pour une production annuelle de 61 TWh. 5­1­ Calculer le temps de production moyen des centrales hydrauliques par an. 5­2­ Calculer la puissance totale des centrales hydrauliques nécessaires pour produire 10 TWh si on admet qu’elles fonctionnent 3050 h par an. 5­3­ En déduire le nombre de centrales hydrauliques de puissance 100 MW nécessaire pour produire la même quantité d’énergie (10 TWh) qu’une tranche de centrale nucléaire. En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh, la part d’origine hydraulique est de 61 TWh. 5­4­ Calculer la puissance théorique totale des centrales hydrauliques que nécessiterait la production de l’énergie électrique en France en 2006, si on admet qu’elles fonctionnent 3050 h par an. 5­5­ En déduire le nombre de centrales hydrauliques de puissance 100 MW nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, si on admet qu’elles fonctionnent 3050 h par an 5­6­ Calculer en pourcentage, l’augmentation de la production d’énergie d’origine hydraulique qu’il serait nécessaire pour produire la totalité d’énergie électrique du pays. 5­7­ Comparer le résultat précédent avec le potentiel hydroélectrique du pays qui est exploité à environ 70 %. Que peut­on en déduire ? 6­ Utilisation des centrales éoliennes. La puissance typique d’une éolienne est de l’ordre de 2 MW. La durée moyenne de fonctionnement équivalent pleine puissance est de 2500 h par an. 6­1­ Calculer le nombre d’éoliennes de puissance 2 MW nécessaire pour produire la même quantité d’énergie (10 TWh) qu’une tranche de centrale nucléaire. En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh.
4/5 Stage Physique Appliquée Académie d’Aix­Marseille 5 & 7 juin 2007 6­2­ Calculer le nombre d’éoliennes de puissance 2 MW nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, si l’énergie électrique éolienne était le seule moyen de production utilisé. 6­3­ Calculer la superficie du parc éolien à utiliser sachant qu’une éolienne de 2 MW placée dans un parc occupe une surface au sol de 0,18 km 2 . 6­4­ Comparer le résultat précédent avec la superficie de la France qui est de 543965 km 2 (exprimer le en pourcentage de la superficie totale). Que peut­on en déduire ? L’étude du potentiel éolien en France métropolitaine est résumée ci­dessous (source : www.espace­eolien.fr/Eolien/50twh.htm) Puissance Energie Nombre Surface MW TWh/an sol km² pour les sites terrestres 11 197 29,469 7 466 1 400 pour les sites en mer 6 465 21,661 1 292 808 soit au total : 17 662 51,130 8 758 2 208 6­5­ Comparer le résultat précédent avec l’étude ci­dessus. Que peut­on en déduire ? 7­ Utilisation des centrales photovoltaïques. La puissance typique d’un capteur photovoltaïque de surface 10 m 2 est de l’ordre de 1,4 kW. La durée moyenne de fonctionnement équivalent pleine puissance en France est de 1000 h par an. 7­1­ Calculer la quantité d’énergie produite annuellement par un capteur photovoltaïque de surface 10 m 2 . 7­2­ Calculer le nombre de capteurs de surface 10 m 2 nécessaire pour produire la même quantité d’énergie (10 TWh) qu’une tranche de centrale nucléaire. En 2006, la production d’énergie électrique en France a été de 549 TWh. La superficie de la France qui est de 543965 km 2 et la surface bâtie est de l’ordre de 2% de la superficie totale. 7­3­ Calculer le nombre de capteurs de surface 10 m 2 nécessaire à la production de l’énergie électrique en France en 2006, si l’énergie électrique photovoltaïque était le seul moyen de production utilisé. 7­4­ Calculer la superficie du parc photovoltaïque à utiliser. 7­5­ Comparer le résultat précédent avec la surface bâtie en France. 7­6­ Que peut­on en déduire ? 8­ Synthèse. La production d’énergie électrique en France est­elle envisageable à partir d’une seule source ? Argumentez votre réponse.
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