Cellule
solaire, l'arbre à vent, le chauffage nucléaire, centrale
hydro-éolienne.
Bac L, ES 2015
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Métropole.
Les cellules solaires traditionnelles convertissent la lumière en
électricité en exploitant l'effet photovoltaïque. Un professeur de
l'université de Tokyo a mis au point des cellules photovoltaïques
capables de stocker l'électricité. Il en a fait des objets de
décoration. Une cellule solaire nomée "Annabelle", du nom d'une variété
d'hortensia, ressemble à un tableau représentant cette fleur dont les
pétales bleuissent au soleil. Au delà de ce changement de couleur,
cette cellule est capable de stocker de l'énergie, et permet de
recharger deux fois un téléphone portable. Une fois que la cellule est
vidée de son énergie, les pétales bleus des motifs floraux de la
cellule du tableau deviennent blancs. ( d'après techniques de
l'ingénieur - vite s'informer - 21 août 2014).
Indiquer si la ressource énergétique utilisée par les cellules solaires
est renouvelable ou no-renouvelable. Justifier.
L'énergie
solaire est renouvelable : son utilisation n'entame pas les réserves
énergétiques contenues dans le soleil.
Compléter la chaîne énergétique ci dessous.
L'énergie moyenne stockée par un téléphone portable chargé à 100 % est
de 20 Wh. Certaines applications nécessitent une puissance de 2 W.
Calculer la durée d'utilisation dans ces conditions.
Puissance (
W) fois durée ( heure) = énergie ( Wh).
Durée = 20 /
2 = 10 heures.
Calculer l'énergie qu'une cellule solaire "Annabelle" est
capable de stocker.
Cette
cellule solaire est capable de recharger deux fois le téléphone
portable. Elle peut donc stocker 40 Wh.
Le thorium, futur
nucléaire vert ?
Infiniment plus abondant dans la nature que l'uranium 235 fissile
usuellement utilisé, le thorium peut être transformé par une suite de
réactions nucléaires, en uranium 233, également fissile. D'où l'idée de
développer des réacteurs surgénérateurs fonctionnant qu thorium, ce qui
résoudrait tous les problèmes de ressources énergétiques pour le dix
siècles à venir. Ce type de réacteur réduirait la production de déchets
à vie longue. Les déchets produits par les réacteurs au thorium sont
radioactifs pendant 10 à 15 ans seulement dans leur grande majorité, et
seule une fraction de 0,01 % est radioactive pendant des milliers
d'années. ( Institut polytechnique Grenoble).
Définir le terme isotope.
Des isotopes
ne diffèrent que par leur nombre de neutrons ; ils ont le même numéro
atomique Z.
Une suite de ractions nucléaires permet de faire passer le
thorium 232 à une forme fissile de l'uranium. La première de
ces réactions correspond à l'équation ci-dessous :
23290Th
+10n --->AZTh
.
Déterminer A et Z.Justifier.
Conservation
de la charge : 90 +0 = Z ; conservation du nombre de nucléons : 232 +1
= A ; A = 233.
Citer un des avantages majeurs que présente l'utilisation du thorium
232.
Le thorium
232 est beaucoup plus abondant que l'uranium 235 et les déchets
radioactifs issus de cette filière ont, majoritairement, une durée de
vie courte.
Indiquer si l'expression " futur nucléaire vert" est approprié.
Le mot
nucléaire fait penser aux bombes nucléaires, aux accidents
nucléaires ainsi qu' à la gestion de déchets radioactifs. Le mot vert
fait référence à la nature et aux énergies renouvelables. L'expression
n'est pas appropriée.
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Asie.
L'arbre
à vent.
C'est un
système de production d'électricité en forme d'arbre. Haut de 8 m avec
un tronc en acier, ces branches comportent 80 à 100 feuilles en
plastique injecté, existant en trois teinte de vert, qui remplacent les
pales classiques. Les feuilles font office de mini-éolienne.
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Arbre
à vent |
Eolienne |
Vitesse
du vent nécessaire
pour un fonctionnement optimal |
supérieur
à 7 km/h |
compris
entre 50 et 90 km/h |
| Puissance
moyenne |
2,5
kW |
1800
kW |
| Hauteur |
8
m |
80
m |
| Coût
d'achat approximatif |
20
000 € |
3
millions d'euros |
Compléter la chaîne énergétique
correspondant au fonctionnement d'une des feuilles de l'arbre à vent.
Le
concepteur envisage d'installer des arbres à vent dans les rues.
Calculez le nombre de réverbères consommant une puissance P = 100 W qui
pourraient être alimenter par un seul arbre.
2,5 kW =
2500 W ; 2500 / 100 = 25.
Calculer l'énergie produite par l'arbre à vent en un jour
s'il fonctionne 10 heures par jour.
Energie (
kWh) = puissance (kW) fois durée ( heure) = 2,5 *10 = 25 kWh.
Epliquer la phrase " Avec l'arbre à vent,on pourrait presque dire que
c'est la fin de l'intermittence de l'éolien".
Une
éolienne ne fonctionne que si la vitesse du vent est comprise entre 50
et 90 km/h. Elle doit être installée dans des endroits où le vent
atteignant ces vitesses est fréquent. Elle ne fonctionne donc qu'une
partie du temps et est souvent à l'arrêt.
L'arbre à
vent fonctionne dès que la vitesse du vent dépasse 7 km /h.
Cela est fréquent dans de nombreux endroits.
Expliquer pourquoi l'arbre à vent peut contribuer à la diminution de
l'effet de serre.
L'arbre
à vent produit de l'électricité à partir d'une énergie renouvelable, le
vent. Il ne produit pas de dioxyde de carbone, principal gaz à effet
de serre.
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Centres
étrangers : le chaufage nucléaire.
Sur l'énergie produite par la fission des atomes dans un réacteur
nucléaire, un tiers seulement est récupéré en énergie électrique. Les
deux tiers restants se perdent dans la nature, la chaleur non récupérée
étant rejetée dans l'air ou dans les fleuves et les océans bordant les
centrales. Au lieu de la rejeter, on pourrait l'exploiter , en
cogénération, pour le chauffage urbain ou l'industrie et vite subvenir
à la moitié de la consommation de la France en chauffage.
L'investissement serait de l'ordre de 20 milliards d'euros, mais le
gain réalisé sur les achats d'hydrocarbures qui alimentent les réseaux
de chaleur serait d'environ 10 milliards par an. Cela procurerait aux
utilisateurs un chauffage à très bas prix, tout en contribuant à la
décarbonisation de l'économie. Sortir du nucléaire est une hérésie. Les
risques inhérents au nucléaire resteraient entiers, à commencer par la
production de déchets radioactifs et la pollution
provoquée par l'extraction de l'uranium. ( Pierre de Hir, le Monde 30
octobre 2013).
Expliquer pourquoi les ressources fissiles ne peuvent pas être
considérées comme une source d'énergie renouvelable.
Les
ressources fissiles ne se renouvellent pas ; leur utilisation contribue
à leur diminution, voir
à leur disparition à moyen terme.
Choississez l'équation de la réaction nucléaire à l'origine de la
production d'énergie dans une centrale nucléaire.
Fission de
l'uranium 235 sous l'action d'un neutron : 23592 U + 10n ---> 9236
Kr +14156 Ba + 3 10n .
Expliquer
le passage souligné ci-dessus.
Certains
déchets radioactifs produits par les centrales nucléaires depuis 40
ans, ont une durée de vie longue ( plusieurs milliers d'années). Leurs
gestion et leur stockage durera de nombreux siècles, après
l'arrêt des réacteurs nucléaires.
Expliquer en quoi consiste la cogénération nucléaire.
Un tiers de
la chaleur produite est convertie en électricité. Plutôt que de rejeter
les deux tiers restants, on pourrait l'utiliser
pour le chauffage urbain et industriel.
Une centrale nucléaire est constituées de deux réacteurs produisant
chacun une puissance électrique maximale de 1,30 103
MW. Montrer qu'une telle centrale peut produire en un an une énergie
thermique maximale supérieure à 45 106
MWh.
Puissance
électrique de la centrale : 2*1,30 103 = 2,60 103 MW.
Puissance
thermique rejetée de la centrale: 2*2,60 103
= 5,2 103 MW.
Dans une années il y a : 365*24 =8760 heures.
Energie ( MWh) = puissance (MW) *durée ( heure).
5,2 103 *8760 =4,5 107 MWh.
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Pondichéry : centrale hydro-éolienne.
La
centrale associe des éoliennes ayant chacune une puissance
moyenne de 2 MW et une station de transfert d'énergie par
pompage ( STEP) constituée de deux bassins, l'un 700 m au dessus du
nieau de la mer, l'autre 650 m plus bas.le parc éolien, d'une puissance
moyenne totale de 10 MW, couvrira amplement la demande en électricité
de 10 000 habitants de cette île ainsi que celle des usines de
dessalement de l'eau de mer. L'exès d'éléctricité produite servira à
propulser l'eau de mer du bassin inférieur vers le supérieur de la
STEP. Et en cas de nécessité, l'énergie hydraulique prendra le relais,
en relâchant l'eau dans un bassin.
Calculer le nombre d'éoliennes installées :
Puissance totale / puissance d'une éolienne = 10 / 2 = 5.
Compléter le schéma énergétique correspondant au fonctionnement d'une éolienne et de la STEP.
En
supposant que le parc éolien fonctionne 12 h par jour pendant 300 jours
par an, calculer l'énergie électrique produite annuellement.
Durée de fonctionnement : 12*300 = 3600 heures.
Energie électrique ( MWh) = puissance électrique ( MW) fois durée ( heure) = 10*3600 = 3,6 104 MWh.
La
consommation annuelle d'électricité est de 2, 5 MWh par habitant.
Montrer que le parc éolien est suffisant pour couvrir les besoins.
Energie consommée par an par les habitants : 2,5 *10 000 = 2,5 104 MWh. L'énergie consommée est inférieure à celle produite.
Expliquer en quoi l'association du parc éolien et de la STEP va permettre à l'île de devenir totalement autonome en électricité.
Pomper
l'eau vers un réservoir en altitude est un moyen de stocker l'énergie
électrique excédentaire. En absence de vent, l'énergie électrique sera
produite par les turbo-alternateurs d'une centrale hydraulique. L'île,
suffisamment ventée, sera autonome en énergie électrique
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