Densité surfacique de puissance

Densité surfacique de puissance
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Unités SI W⋅m−2
Dimension
Nature Grandeur scalaire intensive
Symbole usuel
Lien à d'autres grandeurs

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La densité surfacique de puissance décrit la manière dont un flux de puissance se répartit sur une surface donnée.

On l'exprime en watts par mètre carré (Wm−2 ou W/m2). Ce terme est utilisé dans de nombreux domaines.

Flux de puissanceModifier

Pour une surface frontière définie, en un point de cette surface, la densité surfacique de puissance est le flux de la puissance transférée par unité de surface. Cette grandeur est donc définie sur le plan microscopique, par la puissance qui transite en un point d'une surface donnée, lequel est à la frontière du système physique considéré.

L'intensité des ondes électromagnétiques peut être exprimée en W/m2. C'est le cas, par exemple, de la constante solaire.

La densité de puissance solaire reçue par une surface au sol varie en fonction de l’angle d’incidence des rayons lumineux : plus cet angle augmente (c’est-à-dire, plus on se situe à une latitude élevée au-delà d'un tropique), plus cette densité de puissance reçue diminue.

En amont, la puissance reflète la vitesse de transfert d'une énergie. La densité surfacique de puissance est donc directement reliée à la manière dont un système acquiert ou transfert de l'énergie à travers une frontière donnée ; le transfert d'ensemble étant l'intégrale de la densité surfacique de puissance sur toute la surface frontière. De ce point de vue, la densité surfacique de puissance est donc une grandeur intensive, variable d'un point à l'autre de la surface. De plus, ce transfert d'énergie va d'un point à un autre, et a donc, dans le cas général, un caractère vectoriel : la densité surfacique de puissance traversant une surface élémentaire dépend de l’orientation de cette surface. L'expression de cette grandeur physique dans le cas général est donc :

    

Aménagement du territoireModifier

Inversement, une densité surfacique de puissance moyenne peut être définie par la puissance effectivement transmise, divisée par la surface permettant cette transmission – cette grandeur est alors globale pour le système considéré, mais n'a de sens que par rapport à ce système. La densité surfacique de puissance, ou simplement puissance surfacique, est alors la quantité de puissance (débit d'échange d'énergie) du système physique considéré, ramené par unité de surface.

En génie énergétique, la densité de puissance moyenne d’un dispositif ou d’une centrale (qui exploitent une source d'énergie) est la quantité moyenne d’électricité qu’elle produit rapportée à sa surface sur une période de temps donnée (par exemple, 1 jour, ou 1 an). Elle peut être confondue, à tort, avec la densité surfacique d'énergie.

Production d'énergieModifier

UnitésModifier

L'unité SI est le watt par mètre carré.

Les scénarios de transition énergétique faisant souvent appel aux TWh, aux Mtep ou aux PJ sur une année, il peut être utile de rapporter ces grandeurs à une surface d'un km2.

Densité surfacique de puissance
Conversion d'unité W/m2
TWh/a/km2[Note 1] 114,0
Mtep/a/km2[Note 2] 1 326
PJ/a/km2[Note 3] 31,7

Quelques chiffresModifier

On compare souvent différentes installations de production d'énergie renouvelable comme les éoliennes ou les panneaux photovoltaïques selon leur densité de puissance surfacique moyenne, calculée en prenant leur production annuelle d'énergie, divisée par la surface de terrain occupée et le nombre d'heures dans une année.

La densité surfacique de puissance des parcs éoliens, pour des raisons théoriques, ne saurait dépasser 6,3 W/m2[1]. Selon la Fédération européenne pour le transport et l'environnement, un parc éolien en mer standard de 2 GW affiche une production de 7,9 TWh/a à l'aide de 286 éoliennes sur une surface de 375 km2[2], ce qui correspond à 2,4 watts par mètre carré.

Selon Science et Vie, l'empreinte au sol des énergies renouvelables est la suivante[3] :

Empreinte au sol
Empreinte au sol Nombre de km2 nécessaires pour produire 1 TWh W/m2[Note 4]
Hydraulique 16,56 6,88
Solaire 15,01 7,59
Éolien[Note 5] 1,31 87,02
Nucléaire 0,13 876,92

Les densités surfaciques de puissance médianes apparaissent dans le tableau suivant[4] :

Source d'énergie Densités surfaciques de puissance médianes

[W/m2]

Gaz 482,1
Nucléaire 240,8
Pétrole 194,6
Charbon 135,1
Solaire 6,6
Géothermique 2,24
Éolien 1,84
Hydroélectricité 0,14
Biomasse 0,08

La densité surfacique de puissance de la filière non renouvelable (fossile ou nucléaire) est généralement très supérieure à celle des filières renouvelables (éolienne, solaire, ...), car la puissance ne dépend pas directement de la superficie exploitée, contrairement aux filières renouvelables.

Notes et référencesModifier

NotesModifier

  1. Notons qu'1 TWh/a correspond à une puissance moyenne de 114 MW, ou 114 millions de W, et que 1 km2 vaut un million de mètres carrés.
  2. Notons qu'1 Mtep vaut 11,63 TWh.
  3. Notons qu'1 année vaut 31,557 6 × 106 secondes.
  4. Calculé à partir de la colonne précédente.
  5. Il s'agit toutefois des seules installations artificialisées au sol stricto sensu, et non de la totalité du parc éolien au sens large.

RéférencesModifier

  1. « Physique des éoliennes », sur Techniques de l'ingénieur, .
    55 kWh/a correspond à 6,27 W
  2. (en) « Electrofuels? Yes, we can ... if we’re efficient » [« Les e-carburants? Oui, nous le pouvons... si nous sommes efficaces »] [PDF], sur Fédération européenne pour le transport et l'environnement, , p. 12.
  3. Science et Vie n° 1251, décembre 2021, article intitulé « Énergies fossiles, nucléaire... Peut-on s'en passer? », p. 40
  4. (en) John van Zalk et Paul Behrens, « The spatial extent of renewable and non-renewable power generation: A review and meta-analysis of power densities and their application in the U.S. », Energy Policy, vol. 123,‎ , p. 83–91 (ISSN 0301-4215, DOI 10.1016/j.enpol.2018.08.023, lire en ligne)

Voir aussiModifier

Article connexeModifier