Séance
Comment expliquer l’évolution du coefficient d’énergie primaire de l’énergie électrique ?
Le coefficient de conversion d’énergie primaire de l’énergie électrique dans le cadre du Diagnostic de Performance Energétique (DPE) des bâtiments est passé de 2,58 à 2,3 en juillet 2021 avec la Réglementation Environnementale 2020 (RE 2020). En observant la consommation énergétique de la France à travers le diagramme de Sankey proposé par le ministère de l’écologie, on cherche à comprendre les hypothèses qui ont poussé le législateur à imposer cette évolution, et à en estimer l’impact.
Cette séance peut venir enrichir une séquence sur la consommation énergétique dans les bâtiments.
Découverte
- 10 min -
- En classe entière - Échanger
Activité de l’élève
Les élèves observent l’image projetée et répondent à l’oral aux questions de l’enseignant. Ils calculent ensuite la consommation d’énergie primaire de cas proposés.
Consigne
Répondez aux questions de l’enseignant.
Avez-vous déjà rencontré cet étiquetage ? Dans quel contexte est-il utilisé ? Quels sont les objectifs d’un DPE ? Qu’appelle-t-on une passoire thermique ? Quelle est l’unité utilisée pour apprécier la consommation énergétique d’un bâtiment dans le cadre d’un DPE ? Que signifie énergie primaire ?
Calculez la consommation d’énergie primaire pour les cas proposés et situez-les par rapport à l’étiquetage.
Rôle de l’enseignant
Afficher une illustration de l’étiquetage double-seuils des diagnostiques de performance énergétique avec un vidéoprojecteur (débat 4 document 5) et questionner oralement les élèves.
Distribuer la feuille d’exercice (etincel_total_coef_energie_primaire_M1_consoEP.pdf) et demander aux élèves de calculer la consommation d’énergie primaire de logements à partir de leurs consommations d’énergies finales et de les situer par rapport à l’étiquetage.
Conseil à l’enseignant
La ressource proposée est un exemple. D’autres images peuvent être affichées, à la place ou en complément. Préciser que le DPE ne tient pas compte des habitudes des occupants du logement ni de la météorologie.
Utiliser un dispositif de quiz en ligne peut aider à faire participer tous les élèves.
Pour l’exercice refaire l’exemple avec les élèves. Il est possible de répartir les cas entre les élèves.
Le calcul de la consommation d’énergie primaire ne permet de placer les cas uniquement par rapport à l’axe des ordonnées. Il faudrait calculer les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) pour déterminer l’étiquetage.
Découverte
- 10 min -
- En classe entière - Apprendre
Activité de l’élève
L’élève établit les liens entre le document distribué et le diagramme projeté. Il identifie des énergies primaires puis des énergies finales. Il met en évidence qu’à l’exception de l’électricité, les pertes liées à la transformation de l’énergie primaire en énergie finale ne représentent que quelques pourcents.
Consigne
Donnez trois exemples d’énergies primaires et d’énergies finales.
En observant le bilan énergétique de la France, identifiez les pertes entre les différentes énergies primaires et les énergies finales. Sont-elles identiques pour toutes les formes d’énergie ?
Relevez les valeurs suivantes dans le diagramme :
– Energie primaire sous forme de pétrole ou de produits pétroliers ;
– Pétrole consommé par les liaisons internationales maritimes et aériennes (soutes internationales) ;
– Pétrole consommé pour produire de l’électricité ; - Pertes liées aux activités de raffinage ;
– Energie finale consommée sous forme de produits pétrolier.
Déterminez, à partir de ces valeurs, ce que représentent les pertes par rapport à l’énergie primaire hors soutes internationales et production d’électricité dans le cas du pétrole.
Justifiez le fait qu’il soit admissible de considérer un coefficient de conversion égale à 1 entre énergie primaire et énergie finale sauf dans le cas de l’électricité.
Rôle de l’enseignant
Afficher le bilan énergétique de la France (Débat 4, ressource 3) et distribuer le document ressource (VraiFaux 1, ressource 1) aux élèves pour faciliter la compréhension du diagramme. Mettre en évidence les correspondances entre les 2 documents. Demander aux élèves d’identifier des énergies primaires et des énergies finales.
Conseil à l’enseignant
Prendre le temps de faire le lien entre le diagramme projeté et le document distribué.
Le bilan énergétique d’un pays répond à des règles de comptabilité qui permettent des comparaisons entre les pays et d’observer des évolutions. Ces règles peuvent ne pas correspondre avec la réalité physique. Ainsi, c’est l’énergie thermique produite dans les centrales nucléaires qui est comptée comme énergie primaire et non celle contenue dans le minerai d’uranium. Cette façon de compter gonfle l’indépendance énergétique de la France, même si tout le minerai est importé ! La consommation des bateaux et des avions qui assurent des liaisons internationales (on parle « des soutes ») n’est pas comptée dans la consommation d’énergie finale.
Le diagramme de Sankey met en évidence qu’à l’exception de l’électricité, les pertes sont de l’ordre de quelques pourcents entre l’énergie primaire et l’énergie finale. Il est légitime de les négliger dans le cadre d’un calcul conventionnel qui cherche à rendre comparable des logements.
Exemple pour le pétrole en 2020 (TWh) :
- énergie primaire 767
- dont soutes internationales 11 + 31 et production d’électricité 13
- reste 727
- pertes 27
- énergie finale 685
Les pertes (27 TWh) représentent 3,8 % de l’énergie primaire hors soutes internationales et production d’électricité (727 TWh).
En revanche, une part conséquente de l’énergie primaire est perdue lors de la production d’électricité. La comparaison de la consommation énergétique des logements se faisant sur la base de l’énergie primaire consommée, il faut appliquer un coefficient de conversion dans le cas de l’énergie électrique pour obtenir une estimation de l’énergie primaire correspondante. Le coefficient de conversion dépend du mix électrique, c’est-à-dire des moyens mobilisés pour produire l’électricité.
Production
- 20 min -
- En groupe - Organiser
Activité de l’élève
Installés devant des postes informatiques, les élèves organisent et complètent la feuille de calcul de façon à déterminer le coefficient de conversion (quantité d’énergie primaire à fournir pour obtenir 1kWh d’énergie électrique finale) à partir du bilan énergétique de la France pour l’année 2020.
Consigne
Complétez la feuille de calcul :
– en notant la quantité pour chaque type d’énergie primaire utilisées pour la production d’électricité à partir du diagramme de Sankey ;
– et en calculant le pourcentage de la part associée à chaque type d’énergie.
Minorez le rendement global en considérant que les pertes en ligne représentent 7% et déterminez alors le coefficient qui permet de déterminer la quantité d’énergie primaire nécessaire pour obtenir 1 kWh d’énergie électrique. Comparez cette valeur avec le coefficient de 2,58 et concluez.
Rôle de l’enseignant
Annoncer que le coefficient de conversion de l’électricité en énergie primaire dans le cadre du Diagnostique de Performance Energétique (DPE) des bâtiments est passé de 2,58 à 2,3 en juillet 2021 et qu’on s’interroge sur les raisons qui ont poussé le législateur à imposer cette évolution.
Conseil à l’enseignant
Prendre le temps de présenter les informations déjà présentes sur la feuille de calcul, types d’énergie primaire et rendements associés.
Il est possible d’augmenter la difficulté de l’exercice en proposant aux élèves d’organiser eux-mêmes la feuille de calcul.
Les valeurs obtenues pour l’année 2020 sont finalement conformes au coefficient de 2,58 : 2,46 sans prendre en compte les pertes en ligne, 2,64 en considérant 7% de pertes en ligne (source : Révision de la méthode de calcul des facteurs d’émission et du facteur de conversion en énergie primaire de l’électricité, http://www.batiment-energiecarbone.fr/autres-rapports-et-notes-a107.html).
Corrigé de la feuille de calcul.
Production attendue
Feuille de calcul complétée.
Investigation
- 10 min -
- En classe entière - Apprendre
Activité de l’élève
Les élèves calculent le rendement du parc électronucléaire à partir de la production de 2020. Ils comparent les résultats avec la valeur théorique de 33%.
Les élèves s’appuient sur les valeurs données par le Bilan énergétique de la France pour 2020, 1072 TWh d’énergie primaire nucléaire et 335 TWh d’énergie électrique nette d’origine nucléaire.
Consigne
La production d’énergie primaire nucléaire s’élève à 1 072 TWh en 2020. Elle correspond à la quantité totale de chaleur dégagée lors de la réaction de fission du combustible nucléaire. La production d’électricité correspondante, nette des services auxiliaires et des pertes liées aux transformations de l’énergie dans les centrales est de 335 TWh. Calculez le rendement du parc électronucléaire. Comparez avec les 33%. La différence est-elle importante ? Avec quelle conséquence sur le CEP si c’est le cas ? Essayer différentes valeurs dans la feuille de calcul.
Rôle de l’enseignant
Faire remarquer que la part du nucléaire étant importante dans la production électrique française, le coefficient de conversion est sensible au rendement des centrales nucléaires.
Les 33% correspondent à une valeur théorique que l’on souhaite vérifier.
Projeter la chaine d’énergie d’une centrale nucléaire (Débat 4, ressource 4) pour mettre en évidence les différentes conversions d’énergie et les pertes associées.
Donner aux élèves la production d’électricité nette d’origine nucléaire pour 2020, 335 TWh (Source : Bilan énergétique de la France pour 2020, page 58).
Conseil à l’enseignant
335/1072 = 31,3%
Il est possible de proposer une seconde approche, soit après le premier calcul, soit pour une partie de la classe, à partir des valeurs moyennes données par Wikipedia (https://fr.wikipedia.org/wiki/Liste_des_réacteurs_nucléaires_en_France)
Le parc compte 56 réacteurs, d’une puissance thermique moyenne de 3 259,6 MW et qui produisent en moyenne 1 093,8 MW d’électricité. 1093,8/3259,6 = 33,6%
L’écart entre les deux s’explique par le fait que la totalité du parc n’a pas été en activité sur la totalité de l’année 2020. Le bilan énergétique de la France en 2020 précise qu’« En moyenne, les centrales ont été disponibles à hauteur de 70,8 % de leur capacité théorique. » Ces calculs confortent cependant la valeur retenue de 33%.
Simulation
- 10 min -
- En groupe - Organiser
Activité de l’élève
Installés devant des postes informatiques, les élèves organisent et complètent la feuille de calcul pour calculer le coefficient de conversion avec les hypothèses de 2035.
Consigne
Sur le modèle de description de la situation en 2020, organisez la feuille de calcul pour déterminer le coefficient d’énergie primaire de l’électricité avec le scénario prévu pour 2035 :
– Nucléaire 50%
– Energies renouvelables (hors biomasse et déchets) 42 %
– Biomasse et déchets 3%
– Combustibles fossiles 5%
Les rendements et les pertes en lignes sont identiques à ceux de 2020.
Rôle de l’enseignant
Expliquer que le choix d’un coefficient de conversion à 2,3 repose sur deux arguments :
– la durée de vie d’un bâtiment dépasse les 50 ans,
– on souhaite faire évoluer le mix électrique vers plus une plus grande part de renouvelable et une diminution du nucléaire. Les projections donnent le mix suivant pour 2035 : nucléaire 50%, énergies renouvelables (hors biomasse et déchets) 42%, biomasse et déchets 3% et combustibles fossiles 5%.
Conseil à l’enseignant
En considérant des rendements inchangés et des pertes en ligne de 7%, on obtient un coefficient de conversion de 1,72. Le coefficient de 2,3 peut donc être considéré comme pessimiste.
Production attendue
Feuille de calcul complétée
Bilan
- 10 min -
- En classe entière - Échanger
Activité de l’élève
Les élèves calculent l’énergie primaire autorisée pour une maison de 100 m² étiquetée A avec l’ancien coefficient puis le nouveau. Ils débattent ensuite de la pertinence de cette évolution.
Ils refont le calcul des consommations d’énergie primaire des cas proposés en début de séance et ils observent l’influence de l’évolution du coefficient sur l’étiquetage des logements.
Consigne
Calculez la consommation d’électricité finale autorisée avec les coefficients de 2,58 puis de 2,3 dans le cas d’une maison de 100 m² pour laquelle la réglementation impose la limite 70kWh/m².an d’énergie primaire. Quelles peuvent être les conséquences pour un propriétaire qui s’interroge sur le choix de ses équipements électriques et/ou de chauffage ?
Refaites le calcul des consommations d’énergie primaire pour les cas proposés au début de la séance. Quelle est l’influence de l’évolution du coefficient sur l’étiquetage des habitations ?
Rôle de l’enseignant
Demander aux élèves d’évaluer l’impact de ce changement de coefficient sur la consommation énergétique d’une maison de 100 m² consommant 70 kWh/m².an (étiquette A du DPE) et de conclure sur les conséquences de cette évolution au regard de l’actualité.
100 (m²).70 (kWh/m².an) / 2,58 = 2713 (kWh/an)
100 (m²).70 (kWh/m².an) / 2,3 = 3043 (kWh/an)
soit une augmentation de plus de 12%
Ce nouveau coefficient avantage l’énergie électrique et n’encourage pas à s’équiper avec des appareils plus performants.
Les travaux qui ont abouti à cette évolution de la règlementation datent d’avant les opérations de maintenance supplémentaires sur le parc nucléaire, d’avant la guerre en Ukraine, d’avant la campagne de communication sur la sobriété énergétique…
Il est possible de prolonger cette séance en s’intéressant au calcul des émissions de GES pour déterminer complètement l’étiquetage des habitations.