Voir la source de Densité surfacique de puissance

{{voir homonymes|Densité (homonymie)|Densité de puissance}}
{{Infobox Grandeur physique
| nom            = Densité surfacique de puissance
| image          = Giant photovoltaic array.jpg
| légende        = Parc de [[Capteur solaire photovoltaïque|panneaux solaires PV]] ([[Centrale solaire photovoltaïque|centrale]] [[Nellis Solar Power Plant]], [[Nevada]]).
| unités         = {{nb|W m-2}}
| autres unités  = 
| symbole        = <math>\varphi</math>
| unités de base = 
| dimension      = <math>M.T^{-3}</math>
| extensive      = 
| intensive      = oui
| conservative   = 
| nature         = scalaire
| expressions    = <math>\varphi</math> = [[Puissance (physique) |<math>P</math>]] / [[superficie|<math>S</math>]]
<br/>
<math>\vec\varphi</math> • [[flux (physique)|<math>\vec{\mathrm dS}</math>]]<math>= {\mathrm d}</math>[[Puissance (physique)|<math>P</math>]]
| conjuguée      = 
| complémentaire = 
}}
La '''densité surfacique de puissance''' décrit la manière dont un flux de puissance se répartit sur une surface donnée.

On l'exprime en [[watt par mètre carré|watts par mètre carré]] ({{unité|W m-2}} ou {{unité|W/m2}}). Ce terme est utilisé dans de nombreux domaines.

== Flux de puissance ==
{{section à sourcer|date=novembre 2021}}

Pour une surface frontière définie, en un point de cette surface, la densité surfacique de puissance est le flux de la [[puissance (physique)|puissance]] transférée par unité de [[Surface (géométrie analytique)|surface]]. Cette grandeur est 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 [[onde électromagnétique|ondes électromagnétiques]] peut être exprimée en W/m{{2}}. 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 (optique)|angle d’incidence]] des [[Rayon lumineux|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 (physique)|puissance]] reflète la vitesse de transfert d'une [[énergie (physique)|énergie]]. La densité surfacique de puissance est 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 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, 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 :
:<math>\vec\varphi\cdot</math>[[superficie|<math>\vec{\mathrm dS}</math>]]<math>= {\mathrm d}</math>[[Puissance (physique)|<math>P</math>]]

== Production d'énergie ==
{{Article connexe|Production_d'électricité#Empreinte_au_sol{{!}}Production d'électricité : Empreinte au sol}}

=== Unités ===
L'unité [[Système international d'unités|SI]] est le [[watt par mètre carré]].

Les [[Kilowatt-heure#Scénarios de transition énergétique|scénarios de transition énergétique]] faisant souvent appel aux [[TWh]], aux [[Mégatonne équivalent pétrole|Mtep]] ou aux [[Joule|PJ]] sur une [[Année (calendrier)|année]], il peut être utile de rapporter ces grandeurs à une surface d'{{nb|1 km2}}.

 {| class="wikitable centre"
 |+ Densité surfacique <br> de puissance
 |-
 | Conversion d'unité
 ! scope="col" | W/m{{2}}
 |-
 ! scope="row" | {{nb|TWh an-1 km-2}}<ref group="Note">À noter qu'{{nobr|1 [[TWh/an]]}} correspond à une puissance moyenne de 114 [[Ordres de grandeur de puissance|MW]], ou {{nobr|114 millions}} de watts, et que {{unité|1 km2}} vaut un million de mètres carrés.</ref>
 | 114,0
 |-
 ! scope="row" | {{nb|Mtep an-1 km-2}}<ref group="Note">À noter qu'1 [[Mégatonne équivalent pétrole|Mtep]] vaut 11,63 TWh.</ref>
 | 1 326
 |-
 ! scope="row" | {{nb|PJ an-1 km-2}}
 | 31,7
 |}

=== Quelques chiffres ===
On compare souvent différentes installations de production d'énergie renouvelable comme les [[éolienne]]s ou les [[Capteur solaire photovoltaïque|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 notion de surface est ambiguë. Dans le cas des parcs éoliens, certains ne prennent en compte que les socles et les chemins d'accès<ref>{{Lien web |titre=Bétonisation et artificialisation des terres : quelle contribution de l’éolien ? |url=https://decrypterlenergie.org/betonisation-et-artificialisation-des-terres-quelle-contribution-de-leolien |site=[[Association négaWatt]] |date=2020-03-26 }}.</ref> (« empreinte »), alors que d'autres considèrent l'entièreté du parc (« espacement »)<ref>{{en}} Jessica Lovering {{et al.}}, [https://www.researchgate.net/publication/350358598_Land-use_intensity_of_electricity_production_and_tomorrow%27s_energy_landscape Land-use intensity of electricity production and tomorrow’s energy landscape] (en cours de publication), {{date-|mars 2021}}, {{DOI|10.13140/RG.2.2.17626.06080}}.</ref>.

La densité surfacique de puissance des parcs éoliens, pour des raisons théoriques, ne saurait dépasser {{nb|6,3 W/m2}}<ref>{{Lien web |titre=Physique des éoliennes |url=https://www.techniques-ingenieur.fr/base-documentaire/energies-th4/energies-renouvelables-42594210/physique-des-eoliennes-be8584/ |site=[[Éditions techniques de l'ingénieur]] |date=2018-11-30 }}. {{Commentaire biblio|{{nobr|55 [[kWh/an]]}} correspondent à {{nb|6,27 W}}}}</ref>. Selon la [[Fédération européenne pour le transport et l'environnement]], un parc éolien en mer standard de {{nb|2 GW}} affiche une production de {{nobr|7,9 [[TWh/an]]}} à l'aide de {{nobr|286 éoliennes}} sur une surface de {{unité|375 km2}}<ref>{{Lien web |langue=en |titre=Electrofuels? Yes, we can … if we’re efficient |traduction titre=Les e-carburants ? Oui, nous le pouvons… si nous sommes efficaces |url=https://www.transportenvironment.org/wp-content/uploads/2020/12/2020_12_Briefing_feasibility_study_renewables_decarbonisation.pdf |format=PDF |site=[[Fédération européenne pour le transport et l'environnement]] |date=2020-12 |page=12}}.</ref>, ce qui correspond à {{nobr|2,4 watts}} par mètre carré  et correspond à {{nb|47,5 km2}} pour produire {{nb|1 TWh/an}} (« espacement »).

Selon ''[[Science et Vie]]'', l'empreinte au sol des énergies renouvelables est la suivante<ref>''[[Science et Vie]]'', « Énergies fossiles, nucléaire… Peut-on s'en passer ? », {{n°|1251}}, décembre 2021, {{p.}}40.</ref> :
 {| class="wikitable centre" style="text-align:right"
 |+ Empreinte au sol
 |-
 | Empreinte au sol
 ! scope="col" | Nombre de km{{2}} nécessaires <br> pour produire 1 TWh par [[Année (calendrier)|an]]
 |  W/m{{2}}<ref group="Note" name="Mode_de_calcul">Calculé à partir de la colonne précédente.</ref>
 |-
 ! scope="row" | Hydraulique
 | 16,56
 | 6,9
 |-
 ! scope="row" | Solaire
 | 15,01
 | 7,6
 |-
 ! scope="row" | Éolien (« empreinte »)
 | 1,31
 | 87,0
 |-
 ! scope="row" | Nucléaire
 | 0,13
 | 876,9
 |}

L'étude publiée en {{date-|septembre 2017}} par la [[Convention des Nations unies sur la lutte contre la désertification]] (UNCCD) et l'[[Agence internationale pour les énergies renouvelables]] (IRENA) fournit, à partir d'une compilation d'études d'impact, une estimation de l'empreinte au sol des principaux modes de production d'électricité<ref>{{en}} Uwe R.Fritsche {{et al.}}, [http://iinas.org/tl_files/iinas/downloads/land/IINAS_2017_UNCCD-IRENA_Energy-Land_paper.pdf ''Energy and Land Use - Global Land Outlook working paper''] {{pdf}}, {{date-|septembre 2017}}.</ref>, sachant que le nombre de m{{2}} nécessaires pour produire {{nb|1 MWh/an}} et le nombre de km{{2}} nécessaires pour produire {{nb|1 TWh/an}} sont exactement identiques :

 {| class="wikitable centre" style="text-align:right"
 |+ Empreinte au sol
 |-
 | Empreinte au sol
 ! scope="col" | Nombre de km{{2}} nécessaires <br> pour produire 1 TWh par an
 |  W/m{{2}}<ref group="Note" name="Mode_de_calcul"/>
 |-
 ! scope="row" | Biomasse 
 | 500
 | 0,23
 |-
 ! scope="row" | Solaire thermodynamique
 | 15
 | 7,61
 |-
 ! scope="row" | Solaire photovoltaïque
 | 10
 | 11,4
 |-
 ! scope="row" | Hydroélectricité (grands barrages)
 | 10
 | 11,4
 |-
 ! scope="row" | Géothermie
 | 2,5
 | 45,6
 |-
 ! scope="row" | Éolien (« empreinte »)
 | 1,0
 | 114,1
 |-
 ! scope="row" | Charbon(mine à ciel ouvert)
 | 5,0
 | 876,9
 |-
 ! scope="row" | Charbon (mine souterraine)
 | 0,2
 | 570,4
 |-
 ! scope="row" | Gaz naturel
 | 0,2
 | 570,4
 |-
 ! scope="row" | Nucléaire
 | 0,1
 | 1140,8
 |} 

Les densités surfaciques de puissance médianes apparaissent dans le tableau suivant<ref>{{article|nom=van Zalk|prénom=John|nom2=Behrens|prénom2=Paul|date=2018-12-01|titre=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.|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421518305512|journal=Energy Policy|langue=en|volume=123|pages=83–91|doi=10.1016/j.enpol.2018.08.023|issn=0301-4215|accès doi=libre}}.</ref> :

{| class="wikitable centre" style="text-align:right"
! Source d'énergie
! Nombre de km{{2}} nécessaires <br> pour produire 1 TWh par an<ref group="Note">Calculé à partir de la colonne qui suit.</ref>
! Densités surfaciques <br> de puissance médianes
[W/m{{2}}]
|-
| align=left | Gaz
| 0,24
| 482,1
|-
| align=left | Nucléaire
| 0,47
| 240,8
|-
| align=left | Pétrole
| 0,59
| 194,6
|-
| align=left | Charbon
| 0,84
| 135,1
|-
| align=left | Solaire
| 17,27
| 6,6
|-
| align=left | Géothermique
| 50,89
| 2,24
|-
| align=left | Éolien (« espacement »)
| 61,96
| 1,84
|-
| align=left | Hydroélectricité
| 814,29
| 0,14
|-
| align=left | Biomasse
| 1425,00
| 0,08
|}

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

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|groupe=Note}}

=== Références ===
{{Références}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Densité surfacique d'énergie]]
* [[Densité de puissance]]
* [[Densité massique d'énergie]]
* [[Ensoleillement]]
* [[Éclairement énergétique]]
* [[Pouvoir calorifique]]

{{Portail|physique|énergie}}

[[Catégorie:Thermodynamique]]
[[Catégorie:Génie énergétique]]
[[Catégorie:Centrale électrique]]