TD_ETK

Sectionneurs - poste de Champagnier (Isère)
Travaux Dirigés
Énergie Électrique - Électrotechnique
Licence 3ème Année E.E.A.
2016-2017
F. CAMUS
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TD Électrotechnique
TD 1 : Calculs Energétiques
A Lire avant de venir en cours
Notions de puissance et d’énergie, formes d’énergie.
Par exemple :
Ressources énergétiques renouvelables et solutions électriques – BERNARD MULTON – Ecole Normale Supérieure
de Cachan, 2005 – Partie 1 : "Généralité sur l’énergie et les ressources".
A faire avant de venir en TD
Vous disposez d’un kW.h, pour :
a – Monter une montagne en randonnée (masse du randonneur : 100 kg) : à quelle dénivelée correspond 1
kW.h ?
La puissance d’un randonneur moyen est de 100 W en montée, quelle est la durée de la balade?
b – Chauffer de l’eau de 20° à 100°C : quelle quantité d’eau peut on chauffer avec 1 kW.h ?
c – Accélérer une voiture de 1,5 T (sans pertes). Quelle est la vitesse atteinte avec 1 kW.h ?
d – Faire fonctionner votre ordinateur de bureau (alimentation 300 W) : peut on regarder un film?
e – Charger un condensateur de capacité C = 1000 µF. Quelle est la tension appliquée ?
f – La puissance mécanique nécessaire à l’avancement d’un cycliste est donnée par la relation
Pm=9,81.p.m.V+Scx.V3+9,81.f.m.V, Avec Vla vitesse en m/s, mla masse totale (on prendra m=100kg),
pla pente en %, Scx coefficient de pénétration dans l’air (on prendra Scx =0,23), et fcoefficient de frotte-
ments (on prendra f=0,015).
Quelle distance peut parcourir le cycliste à 25 km/h à plat avec 1 kW.h ?
g – "faire des barres de céréales" : combien de barres de céréales (147 kcal) faites vous ?
Petites questions diverses
a – Un homme absorbe en moyenne 2000 kcal (1) par jour de nourriture. Environ 80% de cette énergie est
convertie (directement ou indirectement) en chaleur.
Quelle est la puissance du "radiateur" humain ?
b – Un homme est capable de fournir une puissance mécanique d’environ 200W. A combien "d’équivalent-
esclave" correspond la puissance électrique installée chez lui (typiquement abonnement 9 kW) ?
c – Une belle petite voiture (comme dans les pubs) annonce 110 ch ; d’après le cycle de Carnot, le rendement
théorique de cette berline est au maximum de 30 %.
— Quelles sont les pertes lorsque la voiture est " à 110 ch "(2) ?
— Combien peut on chauffer approximativement de maison avec les pertes de la voiture ?
— A cette puissance, la voiture roule à 170 km/h. Quelle est la consommation au 100 km, sachant que
l’énergie volumique du carburant est de 8,86 kW.h par litre d’essence ?
d – Quelle puissance doit fournir une personne qui travaille 35 h par semaine pour obtenir un salaire équivalent
au SMIC ( 1122 €nets en 2013) en vendant son énergie au tarif " bleu ciel d’EDF " ( 16 c€/kW.h) ?
e – Une voiture (3) consomme 8,9 l de carburant au 100 km à 110 km/h. La puissance mécanique nécessaire
pour cette vitesse, à plat, est de Pm=27 kW. On retiendra que l’énergie volumique du carburant est de 8,86
kW.h par litre d’essence.
(1). 1 cal=4,18 J ; ( 1Calaliment aire =1kcal )
(2). 1ch ≈736W
(3). Toyota Yaris, d’après http://weber.fi.eu.org/consommation/
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TD Électrotechnique
— Déterminez le rendement énergétique du véhicule à 110 km/h.
— On utilise maintenant un moteur électrique de traction. Le rendement global de la traction électrique
est de 70 %. Sachant que l’énergie massique des accumulateurs Ni-Cd est de l’ordre de 60 W.h/kg,
calculez la masse de batterie pour une autonomie de 100 km à 110 km/h.
f – Un véhicule électrique roule à 90 km/h, la puissance mécanique nécessaire à l’avancement du véhicule
vaut 12 kW. Le rendement de la motorisation (moteur et transmission) vaut 70 %. Le moteur électrique est
alimenté par une batterie via un convertisseur de rendement 85 % (convertisseur et décharge batterie). La
recharge de la batterie se fait via un convertisseur de rendement 85 % (convertisseur et recharge batterie).
Le chargeur est alimenté par le réseau électrique dont le rendement est de 93 % (pertes en ligne). En France
le kW.h électrique a un contenu CO2 moyen de 45 grammes de CO2 en sortie de centrale.
Combien de CO2 émet ce véhicule électrique au km ?
g – Combien faudrait-il de surface de panneaux photovoltaïques pour assurer une autonomie de 200 [km] au
véhicule en tenant compte qu’un ensoleillement moyen en France de 3,8 [kW.h/m2/jour] (pour une surface
bien orientée) et avec un rendement du panneau de 10 [%]?
h – A REDIGER : faut il un gros moteur ou un petit moteur à service donné (courbe de rendement en cloche) .....
Étude de la consommation des appareils électriques en mode Veille
(d’après TD EnPu – IUT Nimes – C. Glaize)
Pour démarrer un appareil électronique tel qu’un téléviseur, un lecteur-enregistreur vidéo, un décodeur TV, une
chaîne Hi-fi,.... à distance par une télécommande, il est nécessaire de laisser l’appareil sous tension. Ce fonction-
nement d’attente est dit " mode de veille ". La consommation électrique dans ce mode, bien que réduite, n’est pas
nulle. On se propose de calculer la consommation d’un parc de tels appareils au niveau national.
En 1997, des fabricants de matériel électronique grand public et la Direction Générale Énergie de la Commis-
sion Européenne ont signé un accord volontaire stipulant que, à partir du 1° Janvier 2000, la consommation en
mode de veille des téléviseurs et magnétoscopes serait inférieure à 10W par appareil. Dans les années suivantes,
cette puissance devrait être inférieure à 5 W au 1° janvier 2001, à 3W au premier janvier 2004, à 1W au premier
janvier 2007.
On va s’intéresser à un téléviseur consommant 50W en fonctionnement normal et 5 W en mode de veille et
à un lecteur-enregistreur vidéo (magnétoscope, DVD, disque dur) consommant 25 W en fonctionnement normal
et 5 W en mode de veille. Le téléviseur fonctionne en moyenne 4 heures par jour. Le lecteur-enregistreur vidéo
fonctionne en moyenne 1 heure par jour. Le reste de la journée, ils sont en mode veille.
Le prix du kW.h sera pris égal à 0,16 €TTC.
a – Remplissez les cases du tableau ci-dessous. Analysez les résultats.
Appareil Téléviseur Lecteur Enregistreur Vidéo
Mode Normal Veille Total Normal Veille Total
Durée (h/j) 4 20 1 23
Puissance (W) 50 5 - 25 5 -
Energie Annuelle (kW.h)
Cout Annuel (€)
b – En estimant à 40 millions le parc de téléviseurs installés en France et à 10 millions celui des Lecteurs- En-
registreurs vidéo, quelle puissance moyenne est nécessaire pour faire fonctionner ces appareils en mode
Veille ?
c – De plus en plus d’autres appareils électroniques présentent une consommation en mode de veille faible
mais non nulle (décodeur TNT et satellite, lecteurs DVD, ordinateur, modem-routeur (Box), chaîne Hi-fi,
réveil, fours à micro onde, ....). En estimant cette puissance à 5 fois celle calculée précédemment, comparez
la puissance alors nécessaire à celle fournie par une tranche de centrale (Typ. 1000 MW).
d – Quel est le chiffre d’affaires correspondant à la consommation des appareils en mode de veille ?
e – Quel est le pourcentage de consommation des appareils en mode de veille par rapport à la consommation
totale de la France (environ 520 TW.h) ?
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TD Électrotechnique
Encore quelques gros chiffres
La consommation finale d’énergie (toutes énergies) en France est de 280 Mtep (4).
a – Déterminez l’énergie moyenne par français et la puissance moyenne annuelle par français. Comparez avec
les chiffres obtenus pour l’énergie électrique seule (520 TW.h).
b – Quelle est la puissance moyenne fournie par les centrales électriques ? La valeur crête de production en 2009
est de 92,4 GW, la valeur minimale de 32 GW. Quelle est le taux d’ondulation de la puissance fournie par les
centrales ?
c – Pour les " pics de production ", la répartition des puissances entre les différents type de centrale est la sui-
vante : 57 GW de nucléaire, 16 GW d’hydraulique, 14 GW de thermique classique et 5 GW de Gaz " TAC ". En
utilisant le bilan CO2 ci dessous, déterminez les émissions de CO2 par KW.h les jours de pics de production.
hydraulique nucléaire éolien photovoltaïque Gaz cycle Gaz naturel Fuel Charbon
combiné (TAC pointe)
g r /kW.h4 6 3 à 22 60 à 150 427 883 891 978
d – Sachant que les pertes dans le réseau de distribution sont de 7 %, déterminez le nombre de piscines olym-
piques (50x25x2.5m3) que l’on pourrait chauffer à 27°C à partir d’eau à 15° C, si on était capable de récupérer
cette énergie (5) ?
e – Sachant que les centrales nucléaires et thermiques classiques (85% de la production totale) ont un rende-
ment théorique maximal de 30 %, déterminer la quantité d’énergie perdue dans l’atmosphère par an pour
" chauffer les petits oiseaux ".
f – Comparez à l’énergie solaire reçue par la France par an (6) , en tenant compte d’un albédo moyen de 0,34 (7).
Récupération d’énergie au freinage
Un véhicule électrique dispose de la récupération d’énergie électrique au freinage. La force de résistance à
l’avancement du véhicule s’exprime de manière simplifiée par FRES =94.0+0.43.v2avec F en [N] et v en [m/s]. Sa
masse est de 800 [kg]. On considère un cycle accélération constante - vitesse constante - décélération constante
défini comme suit :
— accélération de 0 à 50.0 [km/h] en 26 [s]
— vitesse constante 50.0 [km/h] pendant 30 [s]
— décélération de 50.0 [km/h] à 0 en 13 [s]
Ce trajet correspond à une distance parcourue de 690 [m].
a – Déterminez l’expression de la puissance mécanique fournie par le moteur sur les 3 phases fonctionnement
b – Déterminez l’expression de la puissance électrique fournie par la batterie en tenant compte d’un rendement
de conversion de 70.0% quelque soit le sens de transfert de l’énergie.
c – Comparez la consommation d’énergie électrique sur un cycle avec ou sans récupération.
(4). 1tep ≈11600kW.h
(5). 1 cal = 4,18 J = quantité d’énergie nécessaire à élever un gramme d’eau de 1 °
(6). Surface de la France métropolitaine : 543 965 km² ;
Densité d’énergie solaire incidente moyenne au sol en France : 1 300 kWh/m2/an –
(7). Albédo = flux réfléchi / flux incident ; source :http://comprendre.meteofrance.com
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