Séquence 1

Question 1

N.B. : Les figures ou tableaux de données sont dans le document « Annexes Communes ». Pour chaque question, il peut être nécessaire d’utiliser les figures, données ou documents des questions précédentes.

Au cours de cette question, on cherchera à déterminer la surface de territoire qu’il serait nécessaire d’aménager pour une électricité 100% solaire, puis 100% éolienne, pour subvenir à la consommation électrique française actuelle. L’objectif est d’avoir des ordres de grandeur en tête car personne n’envisage que l’électricité ne soit produite que par une seule méthode. De plus, si l’on utilise ces résultats pour des scénarios, il faut bien entendu prendre en compte la production électrique future, et non pas actuelle. En ce qui concerne les éoliennes, il faut avoir en tête deux choses bien différentes dès qu’on parle de surfaces nécessaires : l’emprise au sol, et la surface de captation de l’énergie éolienne. Ainsi, une éolienne a une emprise au sol liée à ses fondations en béton et à sa plateforme de maintenance, mais ses pales sont bien entendues beaucoup plus larges, et elle capte l’énergie sur une surface bien plus grande que celle de ses pales. Ceci explique qu’on ne place pas les éoliennes trop proches les unes des autres. Quantitativement, on peut lire dans le fameux livre de David JC Mac Kay [1] : 

« Jusqu’à quelle densité peut-on planter des éoliennes ? Trop proches les unes des autres, les éoliennes directement au vent déventent les éoliennes placées en aval. Selon les experts, les éoliennes ne peuvent pas être rapprochées de plus de 5 fois leur diamètre sans qu’apparaissent des pertes significatives de puissance ».

a)On lit souvent que le rendement des panneaux solaires est dans la gamme 5-20%. A partir des données d’irradiance de la Figure 1, déterminez la production d’énergie « théorique » par hectare des différentes fermes photovoltaïques du Tableau 1. Vos résultats sont-ils en cohérence avec la production surfacique réalisée fournie dans le Tableau 1 ? Vous devriez normalement trouver une incohérence. D’où vient-elle, à votre avis ? Pour la suite, vous prendrez comme valeur typique de la production surfacique de fermes photovoltaïques la valeur de 0,5 GWh / ha.

b)Déterminez la surface de territoire qu’il serait nécessaire d’aménager avec des fermes photovoltaïques pour satisfaire la consommation actuelle d’électricité en France (valeur fournie dans la Figure 2). Pour « faire parler » le chiffre trouvé, on peut par exemple le comparer à la surface de la France (544 000 km2) ou d’un département (5600 km2), à la surface estimée par l’ADEME de zones délaissées et parkings sur lesquels pourraient être installées des fermes photovoltaïques (132 km2, voir Figure 3), à la surface déjà artificialisée en France [2] (9,58% du territoire, soit 52 000 km2), ou à la surface artificialisée tous les ans pour l’habitation et les activités humaines2 (235 km2 / an). 

c)Quel serait le nombre d’éoliennes terrestres de 3 MW nécessaires pour satisfaire la consommation actuelle d’électricité en France ? Pour essayer de faire « parler » le chiffre trouvé, vous pouvez essayer de le convertir et le comparer : en béton nécessaire comparé à la production annuelle française (environ 40 millions de m3 annuelle) ; surface artificialisée ; surface du parc éolien ; etc. …

Données :Le facteur de charge d’une éolienne terrestre est d’environ 20%. Des données sur un parc éolien typique équipé d’éoliennes de 3 MW sont présentées Figure 4. La quantité de béton nécessaire pour les fondations d’une éolienne de 3 MW est d’environ 800 tonnes.

Rappel sur le facteur de charge :Dans une installation pour produire de l’électricité, le facteur de charge est le rapport entre l’électricité effectivement produite sur une année et l’électricité qu’elle aurait pu effectivement produire si elle avait fonctionné à sa puissance maximale durant une année.

d)Les conditions de vent en mer sont généralement meilleures que sur terre. Les vents en mer sont plus forts et plus réguliers, ce qui permet aux éoliennes offshore d’avoir un meilleur facteur de charge que les éoliennes terrestres. De plus, l'absence d'obstacles naturels et artificiels en mer (tels que les collines, les arbres et les bâtiments) réduit les turbulences et améliore l'efficacité des turbines. Certaines éoliennes offshore ont des puissances qui peuvent aller jusqu’à 6 MW pour un diamètre de rotor (longueur des pales d'éoliennes) d’environ 170 m. Pour les calculs suivants, vous allez vous baser sur les données du London Array, parc de 175 éoliennes qui, lors de son installation en 2013 au large des côtes britanniques, était la plus grande au monde [3].

Quel serait le nombre d’éoliennes offshore de 3,6 MW pour satisfaire la consommation actuelle d’électricité en France ? Quelle serait la surface concernée ?

Données :Le facteur de charge d’une éolienne offshore est d’environ 40%. Dans le London Array, composé d’éoliennes de 3,6 MW, le diamètre des pales est de 120 mètres. Les éoliennes sont placées sur des lignes séparées de 1 km les unes des autres, chaque éolienne sur la ligne étant distante de 650 m de ses voisines. 

Question 2

a)A l’aide des données brutes des Figures 5 et 6, calculez le facteur d’émission (en CO2) de l’électricité produite en France en 2020 ainsi que les émissions CO2 annuelles de la France.

b)Cherchez dans la base de données de l’ADEME le facteur d’émission pour l’électricité consommée en France en 2020. Vous devriez trouver des valeurs sensiblement différentes. A votre avis, d’où peut provenir cette différence ?

Question 3

Prenez connaissance des Figures 7, 8, et 9. En utilisant la même méthodologie que précédemment pour la France, on peut calculer les émissions des mix électriques canadiens, chinois et africains. On obtient les valeurs suivantes : Canada : 137 gCO2/kWh ; Chine : 646 gCO2/kWh et Afrique : 555 gCO2/kWh. Commentez ces différentes figures et ces résultats.

Question 4

RTE (Réseau de Transport d'Électricité) est l'opérateur du réseau de transport d'électricité en France. Les scénarios de RTE sont des scénarios de transition énergétique en France. Le rapport de RTE « Futurs énergétiques 2050 » [4] aborde les différents scénarios de mix de production-consommation d'électricité possibles en France, en fonction des choix politiques et des évolutions économiques et technologiques à venir. Il présente six scénarios de mix énergétique contenant des parts plus ou moins fortes de nucléaire (de 0% de nucléaire en 2050 à 50% de nucléaire en 2050).

Dans les questions qui suivent, deux scénarios de production seront discutés :

i.le scénario N2, avec la construction d’une paire de réacteur d’EPR tous les trois ans, et qui contient 36% de nucléaire (voir Figure 12).

ii.le scénario M23, sans construction de nouvelles centrales, mais qui contient 13% d’électricité nucléaire en 2050 du fait de la prolongation des centrales existantes (voir Figure 13). De plus, l’hypothèse d’une sortie rapide du nucléaire en 2035, dont l'étude a été demandée par des citoyennes et citoyens, sera également discutée[5].

Les données présentées dans la suite sont celles liées à la consommation « de référence » (voir Figure 2), qui est celle d’une consommation de 645 TWh. RTE a étudié également plusieurs scénarios de consommation différents (sobriété, ré-industrialisation française, forte accélération de l’hydrogène, etc.), qui seront étudiés par certain.es d’entre vous en fin de séance.   

A l’aide des Figures 12 et 13, estimez le facteur d’émissions du mix électrique en 2050 dans les scénarios N2 et M23, ainsi que les émissions CO2 annuelles de la France pour ces deux scénarios de production de l’électricité. Commentez vos résultats.

Question 5

Dans le scénario M23, combien d’années d’installation de fermes photovoltaïques et d’éoliennes seraient nécessaires pour subvenir aux besoins électriques estimés pour la France en 2050. A l’aide de la Figure 10, effectuez le calcul avec l’estimation haute et basse afin d’avoir un intervalle.

Données :Le facteur de charge de panneaux photovoltaïques est d’environ 15%. Ceux des éoliennes terrestres et marines sont fournis dans la question 1.

Question 6

A l’aide de la Figure 10, calculez quelle devrait être l’augmentation de la production d’ENRs pour une sortie du nucléaire en 2035 sans effort de sobriété par rapport à la production actuelle. Ce résultat est-il en accord avec la Figure 11 ? Commentez votre résultat.

[1]« L’énergie durable - pas que du vent ! », David JC MacKay (2008).

[2]« Les déterminants de la consommation d’espaces 2009-2019 », avril 2020.

[3] About London Array

[4] « Futurs énergétiques 2050 », RTE, octobre 2021.

[5] Voir le Chapitre 5 du rapport de RTE, qui mentionne « De nombreuses contributions adressées à RTE dans le cadre de la consultation publique du printemps 2021 portent sur l’analyse d’un scénario de fermeture au plus tôt du parc de réacteurs nucléaires. Ces contributions font état d’inquiétudes sur la sûreté des réacteurs actuels, et en déduisent qu’il est indispensable que des scénarios de sortie immédiate du nucléaire soient élaborés ».