Bac STI2D 2I2D 2024 Métropole remplacement

Mise en situation

Le parc photovoltaïque flottant désigne les installations de panneaux solaires posées sur des étendues d'eau. L'intérêt majeur de cette technologie est d'éviter les conflits dans l'usage des sols.

L'étude proposée doit permettre de mettre en évidence la valorisation d'un plan d'eau d'un point de vue du développement durable par l'implantation d'une centrale photovoltaïque flottante.

Présentation du parc flottant étudié

Le parc photovoltaïque de Saint-Élix le Château est situé dans le département de la Haute Garonne. Il est constitué de deux îlots flottants installés sur un plan d'eau de 27,6 ha, le lac du « Vignoble ».

Ces deux îlots sont installés à 20 mètres du rivage du plan d'eau. Ils sont constitués de flotteurs qui soutiennent les panneaux photovoltaïques. La hauteur maximale du parc n'excède pas 44 cm pour préserver l'aspect visuel.

Quelques caractéristiques techniques du parc flottant:

puissance de l'installation: 13 MWc;

production: $15\,450\text{ MWh}\cdot\text{an}^{-1}$ ;

ancrage des îlots en berge et au sol au fond du lac;

34 000 panneaux photovoltaïques soit 6,8 ha de panneaux inclinés à 11°;

surface totale des deux îlots (panneaux + flotteurs): 12 ha;

puissance par panneau: 425 Wc;

dimension d'un panneau: 1 812 mm x 1 046 mm;

câblage: les câbles flottent à la surface du plan d'eau du parc vers le poste de transformation;

il existe différents câbles au sein d'un projet photovoltaïque;

les câbles DC transportent l'énergie produite par les panneaux vers les onduleurs;

les câbles AC transportent l'énergie des onduleurs aux transformateurs, puis vers le poste de livraison;

postes de transformation: 7 postes de transformation pour le parc.

En amont de chaque poste de transformation, les panneaux sont connectés entre eux en série.

Chaque série de panneaux est appelée chaîne. Les chaînes convergent jusqu'aux boîtes de jonction. Généralement une boîte de jonction comporte 16 chaînes. Celles-ci permettent de réduire le nombre de câbles allant des panneaux vers les onduleurs (DC). Les onduleurs permettent de convertir le courant continu en courant alternatif.

Afin de réduire les pertes lors du transport d'électricité, la tension du système est élevée à la tension du réseau via un transformateur. Cette tension est de 20 kV dans le cas du projet de parc photovoltaïque de Saint-Élix-le-Château.

Les postes de transformation sont des locaux spécifiques comprenant les onduleurs, les transformateurs BT (basse tension) et HTA (haute tension de domaine A), et les cellules de protection.

La surface au sol des postes de transformation est d'environ $15\text{ m}^2$ .

Poste de livraison: un seul poste de livraison pour le parc.

L'électricité produite, après avoir été éventuellement rehaussée en tension, est comptée puis injectée dans le réseau électrique français au niveau du poste de livraison qui se trouve au Nord-Ouest du projet.

Structures flottantes

Les panneaux photovoltaïques, d'une inclinaison de 11°, sont assemblés par rangées sur une structure flottante formant ainsi un îlot. Le lac de Saint-Élix-le-Château sera composé de modules sur deux îlots.

La structure portante est constituée de plusieurs flotteurs préfabriqués. Ils sont livrés puis assemblés directement sur site.

Partie 1: le parc photovoltaïque flottant permet-il de réduire l'impact environnemental ?

Dans cette première partie, il s'agit de quantifier la diminution de production de $\mathrm{CO_2}$ induite par les panneaux photovoltaïques par rapport aux autres moyens de production d'électricité.

Il faudra aussi justifier le choix d'un parc flottant par rapport à un parc photovoltaïque au sol.

Question 1.1

Citer les énergies émettrices de $\mathrm{CO_2}$ qui participent à la production d'électricité en France (d'après DT1).

DT1: mix électrique français (2021)

Filière

Proportion 2021

Impact $\mathrm{CO_2}$ (Tonne de $\mathrm{CO_2}$ eq / MWh)

Charbon · $0{,}7\,\%$ · $0{,}986$

Bioénergie · $1{,}9\,\%$ · $0$

Fioul · $0{,}4\,\%$ · $0{,}777$

Gaz · $6{,}3\,\%$ · $0{,}429$

Solaire · $2{,}7\,\%$ · $0$

Éolien · $7\,\%$ · $0$

Hydraulique · $12\,\%$ · $0$

Nucléaire · $69\,\%$ · $0$

Question 1.2

Compléter sur le tableau DR1 les données pour les deux autres filières qui émettent du $\mathrm{CO_2}$ .

Calculer la masse totale de $\mathrm{CO_2}$ éq générée en un an par ces filières carbonées.

Déduire la masse de $\mathrm{CO_2}$ que la centrale photovoltaïque permet de ne pas émettre en un an.

$P$ : Production annuelle du parc en MWh

Filière qui produit du $\mathrm{CO_2}$

Proportion de production (%)

$W$ : Énergie électrique produite (MWh/an)

$M$ : Émission annuelle de $\mathrm{CO_2}$ (tonnes de $\mathrm{CO_2}$ eq)

$15\,450\text{ MWh}$

Gaz

$6{,}3\,\%$

$W = 0{,}063 \times P = 973{,}35\text{ MWh/an}$

$M = 0{,}429 \times 973{,}35 = 417{,}56\text{ t}$

%

Masse totale de $\mathrm{CO_2}$ engendrée par les filières carbonées (tonnes de $\mathrm{CO_2}$ eq):

Le cahier des charges relatif à la création du parc photovoltaïque de Saint-Élix prévoyait, pour préserver le biotope aquatique (préservation de la photosynthèse), un recouvrement partiel de la surface du lac afin de laisser passer les rayons du soleil dans le plan d'eau. La surface totale des deux îlots (panneaux + flotteurs) est de $12\text{ ha}$ .

DT3: extrait du cahier des charges (exigence Id 25: occuper moins de 50 % de la surface totale du plan d'eau)

Question 1.3

Calculer à partir de la description du lac de la page 3 (surface du plan d'eau $= 27{,}6\text{ ha}$ ), la proportion en % de la surface du plan d'eau recouverte par le parc photovoltaïque (panneaux + flotteurs).

%

Vérifier le respect de cette valeur par rapport aux exigences attendues (DT3) et argumenter ce résultat.

Question 1.6

Argumenter le fait qu'un parc photovoltaïque flottant permet (ou non) de réduire les impacts environnementaux par rapport aux autres moyens de production d'électricité.