Les énergies mises en œuvre
1) Le vent actionne les pales de l'éolienne 2) Le générateur transforme l'énergie mécanique en courant électrique continu 3) L'onduleur transforme le courant continu en courant alternatif, utilisable par vos appareils électriques 4)En fonction des besoins, le courant est soit directement utilisé dans la maison, soit ...
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TECHNOLOGIE | 3°
entraînementJe m'interroge
Les trois documents présentés en pages d'ouverture permettent une comparaison de trois types d'installation de production d'électricité.Il ya lieu d'être très prudent et rigoureux dans les critères retenus (quantité, puissance) et les
unités employées (Joule, Wattheure, Watt, Watt/heure). En effet, le langage courant des médias, comme le montrent les légendes des trois documents, mélange certaines notions,rendant difficile la comparaison des différents systèmes. Il y a lieu avec de se reporter assez
fréquemment à l'annexe 3 du manuel, " La production d'énergie », page 118, qui constitue une
présentation claire et concise de ces notions.1. Indiquez la fonction d'usage de ces trois installations. (Doc. 1,2 et 3)
La fonction d'usage de ces trois installations est de produire de l'électricité pour alimenter en
cette énergie des habitations.2. Déterminez les éléments permettant de comparer ces trois installations. (Doc. 1,2 et 3)
Les éléments permettant de comparer ces installations sont au nombre de trois : puissance, quantité produite annuellement, nombre d'usagers dont les besoins peuventêtre satisfaits.
Le tableau ci-dessous montre la difficulté de comparaison des installations dans la mesureoù les valeurs données ne font pas référence aux mêmes critères. La valeur du nombre
d'usagers est exprimée soit en nombre d'habitants soit en foyers, ce qui est une notion assez peu précise.Installation Doc. 1 Doc. 2 Doc. 3
Puissance 3 870 MW 4,5 MW
Quantité produite annuelle 9GWh 53GWh
Nombre d'usagers potentiels 3 900 habitants 15 000 foyers3. Exprimez la différence de puissance entre la centrale à charbon et le parc d'éoliennes.
(Doc. 1 et 2) La différence de puissance entre la centrale au charbon et le parc d'éoliennes provient de la taille des installations. Une éolienne produit très peu de courant comparativement à une unité de centrale thermique. La différence de puissance peut s'exprimer en divisant la puissance la plus forte par la puissance la plus faible : puissance de la centrale thermique / puissance du parc éolien, soit 3 870 / 4,5 = 860. La centrale thermique de Niederaussem est 860 fois plus puissante que le parc d'éoliennes de Fécamp.4. Relevez le principal risque pour l'environnement d'une centrale à charbon et l'avantage que
procure l'utilisation de panneaux photovoltaïques en ce domaine. (Doc. 1 et 3) Le principal risque pour l'environnement d'une centrale à charbon est l'émission de Les énergies mise en oeuvre Ch4 - Les énergies mise en oeuvre carbone et de soufre dans l'atmosphère. L'avantage que procure l'utilisation de panneauxphotovoltaïques en ce domaine est d'éviter, lors de la production d'électricité, l'émission
de dioxyde de carbone (C02). Le parc photovoltaïque présenté (Doc. 3) évite l'émission de
35 000 tonnes de CO par an.
Remarque : un bilan environnemental global de la production d'énergie doit prendre en compte la manière dont les installations sont réalisées, en particulier l'émission de C02 nécessaire.
Actuellement, ce type d'études modère le gain que procurent les énergies renouvelables enmatière d'impact environnemental sur des installations utilisant de l'énergie d'origine fossile.
1. Les sources d'énergie.
Quelles sont les sources d'énergie dont dispose l'humanité ?Les sources d'énergie non renouvelables
Doc. 1 La production d'énergie thermique
1. Expliquez en quoi les matières fossiles sont des sources d'énergie (a).
Les matières fossiles résultent de la transformation de matières organiques enfouies dans le sous-sol. Elles peuvent être brûlées (combustion) et produire de l'énergie thermique (chaleur). Les matières fossiles constituent des réserves de source d'énergie. Ces réserves ne sont pas renouvelables car en quantité limitée, sans possibilité de se reconstituer.2. Relevez les conversions des formes d'énergie opérées respectivement dans la turbine et
dans l'alternateur. La turbine convertit l'énergie thermique fournie par le réacteur en énergie mécanique (mouvement de rotation).L'alternateur convertit l'énergie mécanique fournie par la turbine en énergie électrique.
3. Représentez, comme pour la combustion (a), les étapes et la succession des formes
d'énergie dans une centrale nucléaire (b).4. A partir de l'animation présentée dans votre cédérom, distinguez à quel bâtiment correspond
chaque circuit d'eau et expliquez comment ils sont rendus indépendants (b). Le réacteur contient le circuit primaire. La salle des machines contient le circuit secondaire. Le réfrigérant atmosphérique contient le circuit de refroidissement. Les trois circuits sont rendus indépendants car les échanges d'énergie thermique se font par l'imbrication des tuyaux de chaque circuit, dans le générateur de vapeur d'une part et le condensateur d'autre part, sans que les liquides (caloporteurs) qu'ils contiennent ne se mélangent.Les sources renouvelables d'énergie
Doc. 2 Les principaux phénomènes naturels, sources d'énergies renouvelables1. À l'aide du diaporama de votre cédérom, indiquez par un schéma et une légende comment sont
utilisés les phénomènes naturels pour produire de l'énergie électrique ou thermique.2. Expliquez en quoi les sources d'énergies solaires, éoliennes et hydrauliques restent
dépendantes des phénomènes naturels. Les énergies solaires, éoliennes et hydrauliques restent dépendantes des phénomènes naturels car il est nécessaire qu'ils se produisent avec une certaine intensité (présence de soleil et de vent) pour faire fonctionner les installations. Concernant l'énergiehydraulique, les barrages doivent être installés dans des vallées suffisamment alimentées
en eau (pluies, cours d'eau). Doc. 3 La part des énergies renouvelables dans la production d'énergie en France Les données concernant l'énergie, présentées dans le manuel, sont issues d'un rapport de l'Observatoire de l'énergie de juin 2009. Il s'agit des résultats les plus récents disponibles. Ils concernent l'année 2008. La perspective de production de 21 % de la consommation d'énergie électrique en France en 2010 n'est sans doute pas atteinte mais aucune étude globale ne permet de l'affirmer et d'en donner un pourcentage fiable, à la date de parution du manuel (avril 2010).L'ensemble des unités utilisées, en particulier tonne équivalent pétrole pour l'énergie
thermique, a été converti en gigawatts heures (GWh) pour permettre une comparaison aisée. Les pourcentages du document (b) ont été arrondis pour faciliter la lecture.1. Relevez la valeur de la production de la première source d'énergie renouvelable en France (a).
La première source d'énergie renouvelable en France en 2008 était la production thermique à partir de bois ou de résidus de bois.La valeur de cette production est de 93 500 GWh.
2. Déterminez la deuxième plus grande source d'énergie renouvelable (a et b).
La deuxième plus grande source d'énergie renouvelable est l'énergie hydraulique (a) avec64 338 GWh pour produire de l'électricité.
Dans la production d'électricité, elle est donc la première avec 87 % de l'énergieélectrique produite à partir d'énergie renouvelable, soit 13 % de la quantité d'énergie
électrique produite en France.
3. Expliquez l'origine des ordures ménagères et l'utilisation qui en est faite pour produire de
l'électricité ou de la chaleur (a et b). L'origine des ordures ménagères provient des déchets que les habitants produisent dans leur consommation courante, essentiellement alimentaire (emballages, résidus alimentaires...). Les ordures ménagères sont collectées et acheminées vers des centresqui, après un système de tri éliminant les métaux recyclables, les brûlent pour obtenir de
l'énergie mécanique (vapeur d'eau) puis électrique. Q. À l'aide des documents a ou b, calculez la part respective de la production totale d'électricité d'origine éolienne et solaire. L'exploitation du tableau a, dans une feuille de calcul, est dans ce cas plus aisée. Voici les résultats pour l'ensemble des sources d'énergie. Source d'énergieProduction en Gigawatts heures (GWh)% du totalHydraulique 64 338 86,916 %
Éolien5 710 7,714%
Solaire36 0,049 %
Bois-résidus de bois 1358 1,835 %
Biogaz691 0,933 %
Ordures ménagères 1890 2,553 %
TOTAL 74 023 100%
Concernant la production d'électricité d'origine solaire, elle est encore négligeable. La production d'électricité d'origine éolienne a une part plus représentative avec 7,71 %.2. L'impact des énergies sur l'environnement.
Quelle pollution provoquent les sources d'énergie utilisées ? Cette double page étend le champ de la compétence du programme qui concerne le caractère plus ou moins polluant de la source d'énergie utilisée pour le fonctionnement de l'objet technique, pour envisager l'impact de l'usage des énergies sur l'environnement (production, utilisation et recyclage). Cette approche est complémentaire de celles vues les années précédentes en technologie. Elle donne des repères pour s'interroger, dans une perspective de développement durable, sur l'ensemble du cycle de vie d'un objet afin de prendre en compte les différentes composantes d'un bilan environnemental, en particulier dans la production d'électricité. La production d'énergie thermique par combustion Doc. 1 L'effet de serre et le réchauffement climatique1. Expliquez si le phénomène naturel de l'effet de serre est mauvais ou bénéfique pour la vie sur
Terre.
L'effet de serre assure une stabilité de la température moyenne à la surface de la Terre. C'est un phénomène naturel qui évite que l'énergie reçue du soleil se disperse dansl'atmosphère. Il est bénéfique aux formes de vie que nous connaissons. Le déséquilibre de
cet effet, dû aux activités humaines, entraîne des conséquences nuisibles à la vie telle
qu'elle s'est développée actuellement.2. Déterminez les liens entre la production et l'utilisation d'énergie, les gaz à effet de serre et
les risques de déséquilibre de la vie et de l'activité humaine sur Terre. Comme l'illustrent les trois schémas présentés dans le manuel, la combustion des matières fossiles, le bois et les biocarburants libèrent dans l'atmosphère des gaz qui accentuent l'effet de serre. Ceci a pour effet de conserver davantage d'énergie provenant du soleil, ce qui a pour conséquence un réchauffement de l'atmosphère (température moyenne). Cet effet peutentraîner des dérèglements climatiques, écologiques et avoir de graves conséquences sur
les sociétés humaines telles qu'elles sont organisées actuellement (implantations géographiques, activités économiques, équilibres sociaux...), entraînant des conflits d'usage entre les activités humaines et les ressources à l'échelle d'un territoire. La vidéo de l'interview de Jean Jouzel, directeur de recherche au Commissariat à l'Énergie Atomique, peut être visionnée en complément à l'adresse suivante : Elle fait le point sur le réchauffement climatique, ses conséquences et les solutions possibles. Une question complémentaire peut alors être posée. Q. Après avoir visionné l'interview du directeur de recherche au CEA, indiquez deux conséquences du réchauffement climatique. Les conséquences sont d'abord sur la nature, le climat puis sur l'homme par voie deconséquence : fonte des glaces des pôles, élévation du niveau de la mer, précipitations
plus fortes dans les hautes latitudes (au-delà du 45 e parallèle) et plus faibles dans les faibles latitudes, d'où un changement radical de certains paysages et des possibilités de l'agriculture, des bouleversements économiques et sociaux rapides.Doc. 2 Les rejets d'une centrale nucléaire
1. Indiquez les mesures effectuées pour surveiller l'impact d'une centrale nucléaire sur
l'environnement (a). Pour surveiller l'impact d'une centrale nucléaire sur l'environnement, de nombreuses mesures de la radioactivité de la vapeur d'eau et de l'eau rejetée sont faites régulièrement pour s'assurer du bon fonctionnement du système.2. Expliquez quel problème pose la gestion des déchets nucléaires (b).
La production d'énergie nucléaire génère des déchets radioactifs. Pour les déchets moyennement et hautement radioactifs, sur des centaines voire des milliers d'années, il n'existe à ce jour qu'une solution provisoire : l'entreposage en surface dans des bâtiments spéciaux sur les sites de production. Des études pour leur enfouissement sont en cours, mais la garantie de la sûreté de ces lieux de stockage, sur de si longues périodes, reste un problème majeur. L'impact sur l'environnement de la production d'énergie électrique Doc. 3 Les émissions de dioxyde de carbone dues à la production électrique1. Expliquez que pour une consommation semblable, le Canada émette beaucoup moins de C02
que les États-Unis pour produire de l'électricité (a, b et c). La carte (c) de l'électricité consommée dans le monde en 2006 indique que le Canada et les États-Unis ont une consommation semblable. Le tableau (a) de l'origine de la production d'énergie électrique par grandes régions du monde, montre que plus de la moitié de l'électricité produite au Canada est d'originehydraulique (65 %) et plus de la moitié de l'électricité aux États-Unis est produite à
partir de charbon (58 %).Le graphique (b) de l'indice d'émission de C0
2 pour produire de l'électricité, place le
charbon comme la source d'énergie la plus polluante avec un indice de 100, alors que l'énergie hydraulique, avec un indice de 1, est 100 fois moins polluante.En conclusion, le Canada grâce à l'électricité d'origine hydraulique qu'il produit émet
beaucoup moins de C02 que les États-Unis.
Remarque : Une même voiture électrique rechargée au Canada ou aux États-Unis aura un bilan environnemental différent de par l'origine de la production de l'énergie électrique qui l'alimente.2. Déterminez le pays dont l'émission de C0
2 est la moins forte et celui dont elle est la plus
forte (a, b etc). Le même raisonnement que pour la première question conduit à considérer que l'Inde qui a une consommation d'électricité forte dont l'origine est presque exclusivement fossile (85 % de charbon et de gaz réunis) est le pays le plus polluant. Toutefois, la Chine est également un pays dont l'émission de C02 est forte avec 84 %
d'origine fossile, composée de charbon et de pétrole qui sont les sources d'énergie le plus polluantes.Le pays dont l'émission de C0
2 est le plus faible est le Canada avec 80 % de source
d'énergie non émettrice de C02 (hydraulique et nucléaire).
Doc. 4 Le recyclage des piles et des accumulateursLe procédé décrit dans ce document est développé et breveté par RECUPYL. Il fonctionne
à température ambiante et ne comporte pas d'étapes thermiques ou cryogéniques, minimisant ainsi la consommation d'énergie mais aussi les émissions gazeuses et les effluents liquides. Le procédé de traitement hydro métallurgique est réalisé sous atmosphère inerte du fait du caractère inflammable du lithium en présence d'oxygène. Il permet de récupérer et valoriser l'ensemble des constituants des systèmes au lithium (enveloppes métalliques, contacts d'électrodes, oxydes métalliques des cathodes et sels de lithium).Ce procédé breveté s'adapte parfaitement à l'évolution des systèmes au lithium (cobalt,
LiFeP0
4, électrolytes tout polymère...). RECUPYL réalise maintenant le déploiement
industriel de son procédé à travers la cession de licences, mais surtout en établissant des
alliances industrielles et commerciales avec des acteurs locaux dans différents pays (site RECUPYL http://www.recupyl.fr/).1. En vous reportant au schéma de votre cédérom, indiquez en quoi une batterie constitue un
danger pour l'environnement. Une batterie usagée constitue un danger pour l'environnement car elle est composée de nombreuses matières polluantes : - produits chimiques contenant des métaux (sels de lithium, cobalt, manganèse...) ; - métaux (cuivre, acier) ; - matières plastiques.2. Relevez les deux étapes du processus de recyclage de la batterie et les matériaux
récupérés. Le processus de recyclage de la batterie comporte deux étapes : - un traitement mécanique permettant de récupérer le papier, les matières plastiques, l'acier et le cuivre ; - un traitement chimique permettant de récupérer les sels de lithium et de cobalt.3. Les caractéristiques des sources d'énergie.
Quels sont les différents critères d'appréciation d'une source d'énergie ?Cette double page aborde la compétence visant à identifier les caractéristiques de différentes
sources d'énergie possibles pour l'objet technique. Il s'agit de déterminer ce qui caractérise
les sources d'énergie et on rappelle les grandeurs utilisées.Les caractéristiques retenues sont essentiellement celles employées pour l'énergie électrique,
car les plus utilisées en classe. Le premier document envisage toutefois une comparaison dedifférentes formes de " stockage » de l'énergie utile à la compréhension des limites physiques
actuelles des sources d'énergie et de leurs possibilités d'usage pour des applications courantes.
Principe et rendement des systèmes de conversion Doc. 1 Différents moyens de stockage d'énergie1. Expliquez les principes de stockage d'énergie mécanique du ressort de montre et de la roue
d'inertie (a).Le ressort de montre, de par son élasticité, stocke l'énergie mécanique qui est nécessaire
pour le comprimer (remonter le mécanisme). En se détendant, il restitue l'énergie mécanique qu'il a acquise. La roue d'inertie du jouet, par sa masse (elle est lourde), emmagasine de l'énergie mécanique utilisée pour la mettre en mouvement (la faire tourner). Pour cela l'utilisateur frotte, à plusieurs reprises, les roues de la voiture, imprimant ainsi un mouvement derotation à la roue d'inertie. La voiture étant libérée, la roue d'inertie restitue l'énergie
mécanique acquise, ce qui permet de propulser le jouet qui se met à rouler.2. Indiquez pourquoi le rapport qui définit le rendement est dans la réalité toujours inférieur à
1 (b).
Le rendement d'un système est défini par le rapport entre l'énergie restituée en sortie (Er) et l'énergie qui lui est fournie (Ef). Or, tout système est imparfait et génère par frottement ou échauffement des pertes d'énergie. L'énergie fournie est donc égale à l'énergie restituée plus les pertes, soit :Ef = Er + Pertes.
Er est donc toujours inférieur à Ef, impliquant que leur rapport (Er/EF) soit toujours inférieure 1.3. Relevez les deux systèmes ayant le meilleur rendement de conversion (c).
Les deux systèmes ayant le meilleur rendement de conversion sont la roue d'inertie (95%) et le ressort mécanique (plus de 95 %). Cette caractéristique désigne le pourcentage d'énergie restituée par le convertisseur (ressort, roue) par rapport à l'énergie fournie (emmagasinée ici).4. Expliquez pourquoi le pétrole reste encore pour les transports la première source d'énergie
(c et d). La pile à hydrogène n'étant actuellement qu'au stade expérimental ou de prototype, elle est exclue de la comparaison des sources d'énergie pour les moyens de transport. Bien que le moteur thermique ait un rendement de conversion en énergie mécanique médiocre (30 %), il reste encore, pour les transports, la première source d'énergie. Cecis'explique par le fait que son énergie massique (indice de densité) est la plus élevée des
sources d'énergie. Cela veut dire que les autres types ou formes de stockage d'énergie, pouvant être embarqués dans un véhicule, sont plus massiques, plus lourds, souvent volumineux, diminuant dès lors les performances du véhicule. Il faudrait, actuellement, de très gros et lourds ressorts ou volants d'inertie, réservoirs d'air comprimés ou batteries pour parvenir aux performances d'un véhicule équipé d'un moteur thermique.Énergie et puissance produite
Doc. 2 Comparaison de la production d'énergie d'origine éolienne Cet exercice reprend ce qui est vu en physique et chimie à ce niveau de classe.L'énergie électrique E transférée pendant une durée t à un appareil de puissance nominale
P est donnée par la relation E = P x t.
Cet exercice permet également de préciser, à nouveau, que la production d'énergie à partir d'une source renouvelable dépend de la présence du phénomène naturel qui la génère (présence ou absence de vent). Q. Sachant qu'une année comprend 8 760 heures, calculez la production théorique annuelle del'éolienne à partir de sa puissance. Expliquez la différence avec sa production réelle annuelle
indiquée (a).L'éolienne a une puissance de 0,8 MW.
Sachant qu'une année de 365 jours comprend 8 760 heures, la production théorique annuelle de l'éolienne serait deE = P x t = 0,8 x 8 760 = 7 008 Mwh.
La production annuelle indiquée en légende du document est de 1 800 MWh. Cette différence s'explique par le fait qu'il n'y a pas toujours un vent suffisant pour produire de l'électricité ou que le vent est parfois trop fort, risquant alors d'endommager l'installation.Une question subsidiaire peut être posée :
Q. Calculez le nombre d'heures annuel de production d'électricité de l'éolienne. Si E = P x t alors t = E / P où E est l'énergie (mégawatheures), P la puissance (en mégawatts et t le temps (en heures). Il vient : t = 1 800 / 0,8 = 2 250 heures, soit 93 jours et 18 heures.Les performances des sources d'énergie
Doc. 3 La voiture électrique contre la voiture thermique1. Relevez quel type de moteur possède le meilleur rendement.
Le moteur électrique possède le meilleur rendement.2. Dressez la liste des avantages de chaque type de moteur.
La réponse peut être présentée sous la forme d'un tableau : les avantages sont surlignés.CritèresMoteur thermiqueMoteur électrique
Recyclabilité (en %)
85% d'une voitureindéterminé
Autonomie (en Km parcourus)
950 km100 km
Rendement (en %)
25%90%
Émission de g de C0
2/Km142 g CO/KmAucun
Coût (en euros)
17 000 €27 000 €
Poids (Kg)
400 kg1 520 kg
La réponse peut être donnée par des phrases : - les avantages du moteur thermique sont son autonomie, sa recyclabilité, son poids et son coût. - les avantages du moteur électrique sont son rendement et son absence d'émission de C0 2.3. Expliquez en quoi l'efficacité de la voiture électrique reste à ce jour limitée.
L'intérêt écologique de la voiture électrique apparaît clairement dans le bilan, à condition
que la source d'énergie pour produire l'électricité ne soit pas plus polluante que le pétrole. En revanche, les performances du véhicule électrique, correspondant à sa fonction d'usage, restent limitées, en particulier l'autonomie et le poids. Économiquement, le véhicule électrique reste onéreux.