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L'intelligence artificielle au service des centrales : le smart grid

Une histoire du vivant

L'intelligence artificielle au service des centrales : le smart grid

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • Une centrale photovoltaïque dépend d'une ressource d'énergie intermittente : le Soleil. Un traitement rapide des informations météorologiques à l'aide d'un « smart grid », une intelligence artificielle, peut permettre des économies considérables.

 

Comme on ne dispose que d'informations partielles en matière de météorologie, il est possible de les traiter sous forme de probabilités. Un smart grid est un réseau de distribution de l'électricité, utilisant des dispositifs de mesures et réalisant des calculs de probabilités, afin d'adapter au mieux la production en fonction des fluctuations de consommation.

Partie 1 • Une centrale solaire photovoltaïque

Document 1Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé aux photons de la lumière, produit de l'électricité (un courant électrique). Cet effet photovoltaïque fut découvert en 1839 par le physicien français Édmond Becquerel. Le fonctionnement de la cellule photovoltaïque est fondé sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs qui, percutés par les photons, mettent en mouvement un flux d'électrons. Les photons sont des particules élémentaires qui transportent l'énergie solaire à 300 000 km/s et qu'Albert Einstein appelait dans les années 1920 les « grains de lumière ». Lorsqu'ils frappent un matériau semi-conducteur* comme le silicium, ils arrachent des électrons à ses atomes.

Source : www.planete-energies.com

* Matériau isolant qui peut devenir un conducteur si on excite les électrons de sa bande de valence, qui deviennent alors mobiles. Ceci est possible si on l'éclaire. Les cellules photovoltaïques sont le plus souvent constituées de silicium.

À partir de vos connaissances et des informations apportées par le document 1, répondre aux questions suivantes.

▶ 1. a) Sur quel phénomène physique le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque est-il basé ? Le définir et l'expliquer.

b) Expliquer ce qu'est un semi-conducteur et identifier la propriété de la lumière qui permet à un tel matériau de devenir conducteur.

Document 2L'énergie solaire, propre ou pas ?

Selon la technologie, un panneau photovoltaïque dont le rendement est de 20 % environ produira en trois ans l'énergie qui aura été nécessaire à sa production. C'est ce que l'on appelle le « temps de retour énergétique ». Sachant que la durée de vie de ces panneaux est entre 25 et 30 ans, le solaire reste donc une énergie durable !

Les technologies permettant la transition énergétique reposent parfois sur l'utilisation des matières premières qualifiées de « critiques » ou « rares ». D'après Greenpeace :

« Contrairement aux idées reçues, la grande majorité des panneaux photovoltaïques ne contiennent pas de « terres rares », ces groupes de métaux (utilisés notamment dans des smartphones…) dont l'extraction et le raffinage sont très polluants. La très grande majorité des panneaux solaires sont constitués de silicium cristallin, élément que l'on extrait du sable ou du quartz et qui, comme le verre, est 100 % recyclable. Ces panneaux solaires contiennent aussi des éléments en argent, en aluminium ou en cuivre (tous trois extraits des panneaux et revalorisés en électrochimie) et, selon les modèles, du plastique. »

Source : www.greenpeace.fr

Document 3Une centrale photovoltaïque flottante à Piolenc

sciT_2100_00_06C_01

© Akuo Energy

Les 47 000 panneaux photovoltaïques qui flottent sur l'ancienne carrière remplie d'eau brillent sous le soleil de plomb. Les cygnes et les canards naviguent autour des panneaux solaires qui s'étendent sur 17 hectares du plan d'eau. O'Mega1, la plus grande centrale photovoltaïque flottante d'Europe selon son concepteur, produira jusqu'à 17 mégawatts, soit la consommation annuelle d'électricité de 4 700 foyers.

Le record mondial détenu par la Chine reste néanmoins encore loin : sa centrale solaire flottante fait 86 hectares (l'équivalent de 120 terrains de football) et est équipée de 160 000 panneaux pour une puissance de 40 MW. « L'eau permet de refroidir les panneaux et d'améliorer de 5 à 10 % le rendement par rapport à des panneaux solaires classiques », explique la société Akuo qui a repris le projet développé par l'entreprise Ciel et Terre. [Il ne faut pas oublier non plus le rôle de la réflexion des rayons sur l'eau, dans le rendement d'une telle centrale.]

Source : www.futura-sciences.com

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 2 et 3, répondre aux questions suivantes.

▶ 2. a) On se propose de comparer les panneaux solaires photovoltaïques français avec les panneaux chinois. En supposant que le nombre de panneaux est proportionnel à la surface occupée, combien de panneaux solaires sont censés occuper les 86 hectares de la centrale flottante en Chine ?

b) Comparer le nombre de panneaux trouvés par le calcul avec celui donné par le document 3 et expliquer les possibles raisons de cette différence.

▶ 3. Selon la société Akuo, il existerait en France « plus de 33 000 plans d'eau de 10 à 50 hectares » sur lesquels pourraient être installées des centrales photovoltaïques flottantes avec un « potentiel exploitable de 10 GW à court terme », à l'énergie décarbonée et « minimisant les impacts sur l'écosystème ». Pourtant, ce dernier argument ne fait pas consensus auprès des associations de protection de l'environnement.

Présenter les avantages des centrales à panneaux photovoltaïques flottantes et donner les éléments qui pourraient constituer un frein à leur exploitation.

Partie 2 • Smart grid

Les réseaux intelligents ou smart grids sont des systèmes d'intelligence artificielle permettant d'optimiser des réseaux d'électricité en ajustant les flux d'électricité entre fournisseurs et consommateurs.

Document 4Consommation journalière en fonction de la température

Le graphique présente la consommation électrique en France en fonction de la température en 2019 (pour les jours où la température est inférieure à 16 °C).

sciT_2100_00_06C_02

Source : RTE-France.

À partir de vos connaissances et des informations apportées par le document 4, répondre aux questions suivantes.

▶ 4. a) Y a-t-il corrélation entre la consommation électrique et la température extérieure ?

b) En France, en moyenne, la consommation électrique pour une température extérieure de 1 °C est 8,6 × 104 MW et cette consommation est 5,1 × 104 MW pour 15 °C.

Pour les jours froids, quelle est l'évolution (moyenne) de la consommation d'électricité quand la température extérieure baisse de 1 °C ?

c) Expliquer pourquoi il est important que les smart grids reçoivent en temps réel des informations météorologiques (données brutes et prévisions) et soient eux-mêmes équipés de capteurs de températures.

▶ 5. Non seulement, le smart grid permet de mieux gérer la production électrique en fonction de la demande des consommateurs et de l'intermittence des énergies renouvelables (éoliennes, photovoltaïque), mais il permet également de détecter les différents problèmes du réseau grâce à des capteurs. Le système informatique collecte donc des données sur le réseau et détecte les anomalies, à différents degrés de gravité.

On considère la situation suivante :

Le test du smart grid est dit positif lorsqu'il signale une anomalie.

Le test du smart grid détecte 90 % des anomalies.

Lorsqu'il n'y a pas d'anomalie, le test donne un résultat positif dans 5 % des cas.

On considère 10 000 tests. On estime qu'il y a 1 000 anomalies lors de ces tests.

Tableau de 4 lignes, 4 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Anomalie;Pas d'anomalie;Total;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : Test positif; ; ; ; Ligne 2 : Test négatif; ; ; ; Ligne 3 : Total; ; ; ;

a) Recopier et compléter le tableau.

b) Quelle valeur numérique dans le tableau correspond à la dénomination « vrai négatif » ? Quelle valeur correspond aux « faux positifs » ?

c) Quand un test est positif, un technicien se déplace. À quelle fréquence, le technicien se déplace-t-il pour une anomalie réelle ? Le résultat obtenu est appelé la valeur prédictive positive.

▶ 6. a) Après une révision complète du réseau, celui-ci présente moins d'anomalies : seulement 200 anomalies lors des 10 000 tests. Quelle est alors la valeur prédictive positive ?

b) Que se passe-t-il quand le réseau devient plus performant ? Quelle amélioration proposeriez-vous ?

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 4 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 4 lignes ;Ligne 1 : Document 1 Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ?; Le document explique en détail le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque et celui du matériau qui le constitue : le semi-conducteur.Soulignez les parties importantes de ce texte que vous devez mettre en lien avec vos connaissances.; Ligne 2 : Document 2 L'énergie solaire : propre ou pas ?; Ce texte informe sur la durabilité des panneaux et sur les matières premières dont sont constituées les cellules photovoltaïques.C'est un document très dense. Notez bien ce qui est écrit sur les terres rares et soulignez les autres données.; Ligne 3 : Document 3 Une centrale photovoltaïque flottante à Piolenc; Ce document présente deux centrales solaires flottantes.Très complet, il apporte des informations sur leur fonctionnement. Soulignez les différences entre ces deux centrales.; Ligne 4 : Document 4 Consommation journalière en fonction de la température; Le graphique présente l'évolution de la consommation électrique en fonction de la température extérieure.Une droite d'ajustement est tracée pour nous aider dans la lecture.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

 1. a) et b) Lisez les deux questions plusieurs fois si nécessaire. La réponse à ces questions est dans le document 1 mais soyez vigilant à ne pas vous disperser : apportez des réponses précises à chaque question.

 2. a) Utilisez les données chiffrées du document 3 pour faire votre calcul.

 3. Il faut argumenter et rédiger une réponse complète. Appuyez-vous sur les apports des documents 2 et 3, mais aussi sur le texte d'introduction de cette question.

 4. Regardez bien l'allure de la courbe de la consommation d'électricité avant de répondre aux questions.

 5. et 6. Lisez bien l'énoncé pour appliquer correctement les pourcentages.

Partie 1 • Une centrale solaire photovoltaïque

▶ 1. a) Une cellule photovoltaïque est constituée de silicium, un matériau semi-conducteur. Lorsqu'il est éclairé par la lumière solaire, les électrons de valence du silicium se mettent en mouvement et engendrent un courant électrique : c'est l'effet photovoltaïque. Le silicium devient ainsi un conducteur.

b) La lumière est constituée de photons qui sont des « grains » ou des « paquets d'énergie » : c'est cet aspect qui est mis en jeu dans ce phénomène. Cette énergie « arrache » les électrons de la bande de valence d'un semi-conducteur qui, devenus mobiles, constituent un courant électrique et rendent ce matériau conducteur.

mot clé

Un photon, initialement appelé « grain de lumière », transporte de l'énergie par « paquets ».

▶ 2. a) Il faut calculer le nombre de panneaux N sachant que 47 000 de ces panneaux occupent 17 ha. On effectue un produit en croix :

N = 86 × 47 00017 = 237 765 = 2,4 × 105

Il faut donc environ 2,4 × 105 panneaux. (On donne le résultat avec 2 chiffres significatifs.)

b) On constate que N est très différent du nombre réel de panneaux installés en Chine : N > 160 000. Nous pouvons émettre l'hypothèse que les panneaux installés en Chine fournissent une puissance bien plus élevée que les panneaux français. Ainsi, 160 000 panneaux fourniraient les 40 MW souhaités en « n'occupant que » 86 ha de surface. On peut s'interroger également sur la taille des panneaux. La proportionnalité n'est donc pas de rigueur ici.

▶ 3. 

Le conseil de méthode

Énumérez d'abord les points positifs des centrales photovoltaïques flottantes. Listez ensuite leurs inconvénients. Utilisez les informations apportées par les documents 2 et 3 et ajoutez-y vos connaissances par endroits. N'oubliez pas les différentes introductions avant les questions de ce sujet. Concluez à la fin.

D'après le document 2, les panneaux des centrales photovoltaïques (PV) flottantes ou terrestres ne contiennent pas de terres rares, ressources épuisables sur Terre. Ils contiennent certes des métaux comme l'argent, l'aluminium et le cuivre, mais ces métaux sont extraits des panneaux et réutilisés. Le recyclage des panneaux ne serait donc plus un problème.

L'énergie solaire est aussi durable et décarbonée car les panneaux PV vivent environ 30 ans et effacent leur empreinte carbone au bout de 3 ans. Les centrales PV flottantes ont un rendement de 5 à 10 % plus élevé que les centrales PV terrestres car les cellules fonctionnent dans un environnement plus frais du fait de la proximité de l'eau. De même, l'eau réfléchit la lumière solaire plus qu'un sol, ce qui apporterait une énergie lumineuse plus élevée et améliorerait encore plus le rendement des centrales flottantes.

Néanmoins quelques arguments s'opposent à l'exploitation de ces centrales :

L'énergie solaire est intermittente et n'est pas toujours disponible.

Le rendement des centrales photovoltaïques flottantes est amélioré mais de façon générale, le rendement de ces centrales reste faible : 20 % environ.

De plus, comme on le constate dans le document 3, ces centrales flottantes occupent une surface considérable et pourraient perturber l'écosystème (en apportant plus d'ombre, par exemple) et les fonds des plans d'eau qui les accueillent.

L'énergie photovoltaïque flottante n'est donc pas une solution tout à fait optimale pour résoudre le problème de la transition énergétique.

Partie 2 • Le smart grid

▶ 4. a) Le graphique permet de voir qu'il y a corrélation négative entre la consommation d'électricité et la température extérieure, puisque l'on trouve une droite d'ajustement qui semble convenable.

mot clé

On dit qu'il y a corrélation entre deux variables lorsque l'on peut modéliser la situation par une courbe de tendance, ici une droite d'ajustement.

b) La pente de la droite est donnée par :

ΔyΔx=variation de consommation électriquevariation de température=5,1 × 103  8,6 × 10315  1=2,5×103

à noter

Le résultat est forcément négatif car la fonction affine est décroissante.

La consommation électrique augmente en moyenne de 2,5 × 103 MW lorsque la température baisse de 1 °C.

c) La consommation d'électricité est liée à la température extérieure : plus il fait froid, plus on consomme d'électricité. Le smart grid qui doit ajuster le flux d'électricité en temps réel s'aide donc d'informations météorologiques et de capteurs pour adapter la production à la demande.

▶ 5. a)

Tableau de 4 lignes, 4 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Anomalie;Pas d'anomalie;Total;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : Test positif; 900; 450; 1 350; Ligne 2 : Test négatif; 100; 8 550; 8 650; Ligne 3 : Total; 1 000; 9 000; 10 000;

b) La valeur du tableau correspondant à la dénomination « vrais négatifs » est 8 550.

mot clé

Les « vrais négatifs » correspondent aux cas où le test est négatif à bon escient.

Les « faux positifs » correspondent aux cas où le test est positif mais se trompe.

La valeur du tableau correspondant à la dénomination « faux positifs » est 450.

c) Dans la situation considérée, le technicien se déplace 1 350 fois. L'anomalie est réelle dans 900 cas. Le technicien se déplace donc pour une anomalie réelle à une fréquence de 9001 350=230,6767%.

▶ 6. a) Le nouveau tableau est le suivant :

Tableau de 4 lignes, 4 colonnes ;Tetière de 1 lignes ;Ligne 1 : ;Anomalie;Pas d'anomalie;Total;Corps du tableau de 3 lignes ;Ligne 1 : Test positif; 180; 490; 670; Ligne 2 : Test négatif; 20; 9 310; 9 330; Ligne 3 : Total; 200; 9 800; 10 000;

La valeur prédictive positive est environ 0,27 car 1806700,27.

Le technicien se déplace alors pour une anomalie réelle dans seulement 27 % des cas, soit beaucoup de déplacements inutiles !

b) Quand le réseau devient performant, le test n'est plus adapté : dans cette situation, le technicien se déplace inutilement environ 3 fois sur 4. Il va donc falloir faire évoluer le test pour le rendre plus pertinent.

On peut également remarquer que, quand le nombre d'anomalies est divisé par 5, le nombre d'interventions du technicien n'est divisé que par 2 (environ).

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