Energie thermique marine, valorisation des eaux profondes, bac STI2D STL Polyn�sie  2019.

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Partie A –Principe de l’ETM .
Principe physique.
1. Choisir le type de transfert thermique intervenant entre l’eau de mer et la paroi solide de l’�vaporateur parmi les termes convection, conduction, ou rayonnement. Justifier la r�ponse par une phrase.
Le transfert thermique intervenant entre l’eau de mer et la paroi solide de l’�vaporateur s'effectue par conduction.
2. Pr�ciser dans quel sens s’effectue ce transfert thermique.
L'eau de mer chaude c�de de l'�nergie au fluide calopoeteur NH3.
3. Placer les points de fonctionnement nomm�s E et S correspondant respectivement � l’entr�e et � la sortie de l’�vaporateur.

4. Nommer la transformation physique subie par l’ammoniac NH3 dans l’�vaporateur.
Vaporisation.
Le transfert thermique
Le d�bit massique Dm de l’eau de mer chaude pr�lev�e par la conduite de l’�vaporateur est �gal � 3000 kg�s-1 et la capacit� thermique massique cmer de l’eau de mer, suppos�e ind�pendante de sa temp�rature, vaut 4,00�103 J⋅kg−1⋅�C−1.
5. V�rifier que l’�nergie thermique Q �chang�e par l’eau de mer chaude en une seconde a pour valeur - 6,0�107 J.
Q = Dm cmer Dq = 3000 x4,00 103 x(21-26)= - 6,0�107 J.
6. Donner la signification de la valeur n�gative de l’�nergie thermique Q.
L'eau chaude c�de de l'�nergie � l'ammoniac.
7. Expliquer en une phrase ce que repr�sente la grandeur ΔHvap.
C'est l'�nergie ( enthalpie molaire ) qu'il faut fournir � une mole d'ammoniac pour la faire passer de l'�tat liquide � l'�tat gazeux.
8. Sachant que dans les conditions de pression et de temp�rature de ce sujet l’enthalpie molaire de vaporisation ΔHvap de l’ammoniac a pour valeur - 27,6 kJ⋅mol-1, d�terminer la quantit� de mati�re n d’ammoniac vaporis�e chaque seconde ; on supposera que le transfert thermique entre l’eau et l’�vaporateur s’effectue sans perte.
n =6,0�107  / (2,76 104) =2,17 103 ~2,2 103 mol.

Choix de la profondeur.
L'oc�an tropical est un vaste capteur d'�nergie solaire et ses eaux de surface constituent un immense r�servoir d’�nergie. Le document ruivant indique l’�volution de la temp�rature de l’eau des oc�ans en fonction de la profondeur.
9. Indiquer clairement la profondeur approximative � laquelle devra �tre effectu� le pr�l�vement d’eau froide pour obtenir une temp�rature de 5�C.

10. V�rifier que le diff�rentiel de temp�rature est suffisant pour que l’installation soit rentable.
26-5 =21�C, valeur sup�rieure � 20�C.

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Partie B - Pr�levement des eaux froides.
�tude dynamique.
11. En utilisant la relation donnant l’aire d’un disque, calculer la surface S de la section d’une canalisation en PEHD, en conservant trois chiffres significatifs.
Diam�tre Dmaxi =2,0 m.
S = p R2=3,14 x 1,02 = 3,14 m2.
12. Calculer le d�bit volumique r�el Dv de l’eau dans une canalisation de la station ETM de Saint Rose.
Vitesse de l'eau v = 1,2 m /s.
D�bit volumique  Dv =S v = 3,14 x1,2 =3,77 ~3,8 m3 /s.
13. En utilisant le d�bit volumique Dv r�el calcul� pr�c�demment, v�rifier que la puissance P r�ellement d�livr�e par une installation comportant 5 canalisations est �gale � 6,3 MW.
Un d�bit d’eau froide profonde de l’ordre de 3,0 m3�s-1 permet d' obtenir une puissance produite �gale � 1,0 MW.
3,77 x5 = 18,85 m3 /s.
18,85 / 3 ~6,3 MW.
14. Les canalisations utilis�es ne conservent pas forc�ment le m�me diam�tre tout au long de l’installation. Les conduites de deux m�tres de diam�tre tendent � se r�tr�cir avant leurs arriv�es sur le site de Sainte Rose.
En consid�rant que le d�bit reste constant, calculer la vitesse v d’�coulement dans une canalisation de rayon r �gal � 25 cm.
Le rayon �tant divis� par 4, la section est divis�e par 16 et la vitesse est multipli�e par 16.
1,2 x16 =19,2 ~19 m /s.

La bathym�trie (sondage de la profondeur).
15. D�terminer la p�riode T du signal �mis par l’�metteur du bateau.

16. Calculer sa fr�quence f.
f = 1 /(40 10-6) =2,5 104 Hz = 25 kHz.
17. D�terminer la nature de l’onde �mise.
Valeur sup�rieure � 20 kHz, domaine des ultrasons.
18. Indiquer, par une double fl�che et par le symbole Δt, le temps de propagation de l’impulsion.
19. V�rifier, � l’aide d’un calcul, que ce temps de propagation Δt a pour valeur 1,6 s.

20. Calculer la distance d � laquelle se trouve le fond marin o� sera pr�lev�e l’eau froide.
cson = 1500 m /s ; distance = 1500 x1,6 / 2 =1200 m.
21. La pression au niveau de la surface de l’oc�an correspond � la pression atmosph�rique Patm �gale � 1,02 x103 hPa. D�terminer la pression hydrostatique P � une profondeur de 1200 m.
P = Patm + r g H =1,02 105 +1033 x 9,81 x1200 =1,23 107 Pa.
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 Partie C : Valorisation des eaux profondes.
En sortie de la centrale ETM, l’eau de mer froide est � une temp�rature d’environ 10�C. L’int�r�t serait de valoriser cette eau � travers de nouvelles activit�s, ce qui permettrait de r�duire les co�ts des installations. En effet, l’eau de grande profondeur pr�sente trois atouts principaux :
- une temp�rature basse,
- une bonne qualit� microbiologique,
- une richesse en �l�ments min�raux.
L’une des applications envisag�es consisterait � utiliser cette eau fertile pour �lever des algues en photo-bior�acteurs (algoculture). Ces algues microscopiques peuvent �tre utilis�es directement pour la synth�se d’un biocarburant : le biodiesel.
L’algoculture.
Lors de la photosynth�se, gr�ce � la lumi�re, les algues consomment le dioxyde de carbone CO2 pour produire du dioxyg�ne O2 mais aussi de la mati�re organique (glucides, lipides…). Elles peuvent donc produire un carburant � vert �.
En effet, la majeure partie de l'�nergie stock�e dans les algues l’est sous forme de lipides (triglyc�rides d’acides gras) qui, apr�s r�action avec du m�thanol, peuvent �tre utilisables comme carburant appel� EMAG (esters m�thyliques d’acide gras). Contrairement au biocarburant issu de cultures ol�agineuses (ma�s, colza…), ce biodiesel ne d�tourne pas l’usage des terres agricoles, habituellement utilis�es pour des cultures alimentaires, au profit de la production de carburant.
22. Indiquer les aspects de la production d’algues marines en photo-bior�acteurs qui semblent prometteurs au plan �conomique ou �cologique.
Fixation du CO2 ; production de carburant vert sans utiliser de terres agricoles.
23. Le biodiesel (EMAG) a pour formule brute C17H34O2 et sa combustion compl�te produit du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau.
Recopier l’�quation de la r�action de combustion compl�te ci-dessous sur la copie, la compl�ter et l’ajuster.
2 C17H34O2 + 49 O2 --->34 CO2 + 34 H2O.
24. Montrer que la quantit� de mati�re n contenue dans une masse m de biodiesel valant 1,0 kg est voisine de 3,7 mol.
On donne la masse molaire mol�culaire de l’EMAG : M(C17H34O2) = 270 g.mol-1.
n = 1000 / 270 =3,7 mol.
25. Montrer que la quantit� de mati�re n(CO2) de dioxyde de carbone produite par la combustion d’un kilogramme de biodiesel est voisine de 63 mol. Compl�ter le tableau suivant.
n(CO2) = 34 n / 2 = 17 n = 17 x3,7 ~ 63 mol
26. Calculer la masse mCO2 de dioxyde de carbone produite par la combustion compl�te d’un kilogramme de biodiesel sachant que la masse molaire du dioxyde de carbone M(CO2) vaut 44 g.mol-1.
mCO2 =44 x63 ~2,77 103 ~2,8 103 g ~2,8 kg.
27. Sachant que la combustion d’un kilogramme de diesel classique produit 3,1 kilogrammes de dioxyde de carbone, calculer la masse de dioxyde de carbone �conomis�e par la combustion d’un kilogramme de biodiesel, par rapport � celle du diesel classique. Commenter le r�sultat obtenu.
3,1 -2,8 = 0,3 kg ou (0,3 / 3,1 x100 ~10 %.
Cette �conomie n'est pas n�gligeable.

Nettoyage du bior�acteur.
Les photo-bior�acteurs sont des tubes transparents qui s’opacifient � cause de la pr�sence de calcaire dans l’eau de mer. Un nettoyage chimique � base d’acide phosphorique est donc pr�conis�.
28. Pr�ciser les pr�cautions d’usage de ce produit.
Produit corrosif, port de blouse, gants et lunettes de protection.
29. Nommer la famille des esp�ces chimiques capables de capter un proton H+.
Bases.
30. Sur une �chelle de pH gradu�e de 0 � 14, indiquer dans quel intervalle se situe une solution acide, une solution basique, une solution neutre ; positionner le produit de nettoyage dans un de ces intervalles.

31. D�tailler le protocole exp�rimental � suivre pour pr�parer un volume de 250,0 mL de solution dilu�e � 20 % en volume (ou au 1/5�me) de bio-d�tartrant ; pr�ciser le mat�riel de laboratoire utilis� parmi la liste ci-dessous et les volumes mis en oeuvre.
Facteur de dilution = 1 / 0,20 = 5.
Pr�lever  250 / 5 = 50,0 mL se solution m�re � l'aide d'une pipette jayg�e de 50,0 mL.
Placer dans une fiole jaug�e de 250 mL contenant 1 /3 d'eau distill�e.
Compl�ter jusqu'au trait de jauge � l'aide d'eau distill�e.
Boucher, agiter pour rendre homog�ne.
32. Indiquer comment �volue la concentration des ions H3O+(aq) si on ajoute de l’eau � la solution pure initiale. Pr�ciser dans quel sens �volue le pH.
La concentration des ions H3O+(aq) diminue lors d'une dilution et le pH de la solution augmente.
33. L’acide phosphorique fait partie du couple acide/base H3PO4(aq) / H2PO4-(aq).
�crire l’�quation mod�lisant la r�action acido-basique entre l’acide phosphorique et l’eau qui appartient au couple acide/base H3O+(aq) / H2O(l) ; pr�ciser l’esp�ce chimique qui capte un proton H+.
L'eau est une base ; elle capte un proton.
H3PO4(aq) +H2O(l) =  H2PO4-(aq) +H3O+(aq).
 




  

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