CH1 : L énergie. Enjeu : On cherche à minimiser la facture énergétique d une usine en jouant sur de multiples facteurs.

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1 BTS ELT 1 ère année - Sciences physiques appliquées CH1 : L énergie Enjeu : On cherche à minimiser la facture énergétique d une usine en juant sur de multiples facteurs. Prblématique : Un atelier est dté d un système d aspiratin de cpeaux de bis qui est entraîné par un mteur asynchrne triphasé. L entreprise a fait réaliser une étude plus apprfndie des vitesses nécessaires à l extractin des cpeaux générés par ses prpres machines. À partir de la taille réelle des particules émises, les résultats de cette étude mntrent qu il est pssible d abaisser la vitesse au niveau de l aspiratin. L entreprise impse néanmins de cnserver la pssibilité de fnctinner à débit nminal pur les phases de maintenance, les pératins de déclmatage, etc. Afin d btenir ces deux mdes de fnctinnement, la slutin technlgique actuelle cnsiste à asscier un variateur de vitesse au grupe mteur asynchrne-ventilateur. Afin de déterminer le retur sur investissement, il vus revient la charge d évaluer l énergie électrique qui sera gagnée annuellement. Rapprt au prgramme : A.2 Energie : A.2.1 Les différentes frmes de l énergie : Transfrmatin et cnservatin de l énergie Pertes et rendement Objectifs : A l issue de la leçn, l étudiant dit : 1.1 Savir différencier puissance et énergie 1.2 Savir calculer l énergie cnsmmée par un système, la puissance et la durée de fnctinnement étant cnnues 1.3 Cnnaître les différentes frmes de l énergie 1.4 Cnnaître les prpriétés de l énergie 1.5 Savir représenter la chaîne énergétique d un système 1.6 Savir calculer la puissance en entrée u en srtie d un système cnnaissant sn rendement. 1.7 Savir calculer le rendement ttal d un système à partir des rendements des éléments qui le cmpsent 1.8 Savir déterminer l autnmie d une batterie en utilisant la dnnée cnstructeur en Ampère heure.

2 Travail à effectuer : Lire attentivement l annexe (en essayant de le cmprendre). Répndre à la prblématique au travers des questins suivantes (au bruilln) : Partie A : Etude énergétique de l installatin existante (sans variateur de vitesse) La chaîne énergétique de l installatin est dnnée ci-dessus : Réseau électrique Mtventilateur Réseau d'aspiratin Le pint de fnctinnement du mt-ventilateur crrespnd à une vitesse d aspiratin vaut 29m.s -1 et une puissance utile de 96kW. Dans ces cnditins, le rendement du mt-ventilateur vaut η M = 93,5%. A.1 Placer sur la chaîne énergétique la puissance utile et le rendement dnnés ci-dessus. A.2 Calculer la puissance électrique P e délivrée par le réseau pur ce fnctinnement. A.3 Calculer en kwh l énergie électrique E A cnsmmée annuellement sachant que le système d aspiratin fnctinne 16h/jur 250 jurs/an. Partie B : Etude énergétique avec variateur de vitesse En assciant un variateur de vitesse au mt-ventilateur, n peut btenir une vitesse d aspiratin plus faible : 23m.s -1. La puissance utile du mt-ventilateur vaut alrs 75kW. Dans ces cnditins, le rendement du mt-ventilateur vaut η M = 90% et celui du variateur η V = 96%. B.1 Redessiner la chaîne énergétique en ajutant le variateur de vitesse et en indiquant la puissance utile et les rendements dnnés ci-dessus. B.2 Calculer la puissance électrique P e délivrée par le réseau pur ce fnctinnement. B.3 Calculer en kwh l énergie électrique E B cnsmmée annuellement pur la même durée de fnctinnement que la partie A. Partie C : Répnse à la prblématique C.1 Déterminer l énergie électrique E écnmisée annuellement par l ajut du variateur de vitesse. C.2 Chiffrer en eur l écnmie réalisée pur un cût de l énergie électrique égale à 0,0771 /kwh. C.3 Quel dit être le mntant maximum de l investissement si l n veut réaliser une rentabilité en 3 ans? En utilisant l annexe, réaliser la fiche résumée du chapitre. Pur cela, réécrire les différents bjectifs et indiquer pur chacun la relatin, la définitin u la méthde permettant de l atteindre.

3 BTS ELT 1 ère année - Sciences physiques appliquées Annexe du CH1 : curs sur l énergie 1. Qu est-ce que l énergie? L'énergie est un cncept abstrait créé par les humains (milieu du XIX ème siècle) pur quantifier les interactins entre des phénmènes très différents : c'est un peu une mnnaie d'échange cmmune entre les phénmènes physiques. (Exemple : cmbustin d un carburant entraîne la mise en muvement d un véhicule). L énergie peut être définie cmme la capacité à prduire un muvement, de la lumière u de la chaleur. On la nte généralement E u W. 2. Sus quelles frmes l énergie peut-elle être stckée? L énergie peut être stckée sus différentes frmes : Energie mécanique : elle est généralement liée à la pesanteur (ex : retenue d eau dans un barrage). Energie thermique : elle est liée à une augmentatin de température (ex : énergie stckée dans un cumulus) Energie chimique : elle est liée aux réactins chimiques (ex : énergie stckée dans les batteries) Energie électrstatique : elle est liée à un stckage de charges électriques (ex : énergie stckée dans un cndensateur) Energie nucléaire : elle est liée aux réactins nucléaires (ex : énergie stckée dans les cmbustibles des centrales nucléaires) 3. Quelles snt les prpriétés de l énergie? L énergie se transfrme : A l intérieur d un système, l énergie peut passer d une frme à une autre. Exemple : Dans une centrale nucléaire, l énergie nucléaire est transfrmée en énergie thermique. L énergie se transfère : L énergie peut passer d un système à un autre. Exemple : l énergie thermique d un radiateur (système 1) est transmise à l air de la pièce (système 2). Les mdes de transfert de l énergie snt : Le transfert mécanique : il est lié à un muvement (un mteur transfère l énergie à sa charge au travers de la rtatin de sn arbre). Le transfert électrique : il est lié à un muvement de charge électrique (une pile transfère électriquement sn énergie à une lampe). Le transfert thermique : il est lié à un transfert de chaleur (exemple eau chaude circulant dans les radiateurs). Le transfert par raynnement : il est lié à la prpagatin d une nde électrmagnétique (exemple : transfert de l énergie du sleil vers la Terre). L énergie se cnserve : La caractéristique la plus remarquable de l énergie est qu elle se cnserve tujurs. Il n y a jamais ni créatin ni destructin d énergie. Si un bjet a perdu de l énergie, la même quantité d énergie a bligatirement été gagnée par un autre bjet en cmmunicatin avec le premier. De même, lrsque l énergie change de frme, le bilan est tujurs exactement équilibré.

4 C est dnc par abus de langage que l n parle de prductin d énergie, u de perte d énergie, puisque l énergie ne peut être ni créée ni perdue. En réalité, dans une centrale thermélectrique, n ne prduit pas d énergie, mais n transfrme de l énergie chimique u nucléaire en énergie thermique. L énergie se mesure : La prpriété de cnservatin de l énergie nus permet de mesurer les diverses frmes de l énergie, à l aide d une seule et même unité : le jule (J). Il existe d autres unités : la calrie (1 calrie =4,18 J). Elle fut établie pur la chaleur avant que celle-ci sit recnnue cmme frme d énergie. Cette unité est utilisée cmme indicateur nutritif alimentaire. Le kilwattheure (1kWh= J). Cette unité est utilisée pur quantifier l énergie distribuée par les furnisseurs d énergie sus frme de gaz u d électricité). 4. Qu appelle-t-n par énergie électrique dans la vie curante? Dans la vie curante et dans l industrie, n parle par abus de langage d énergie électrique stckée dans une batterie. En effet, l électricité implique un muvement des charges. Or, dans les batteries, les charges snt immbiles : c est purqui le terme d énergie électrstatique est plus apprprié. De même, quand n parle d énergie électrique cnsmmée par une habitatin, c est plus exactement l énergie nucléaire d une centrale u l énergie mécanique d un barrage qui est cnsmmée via un transfert électrique. Pur faire le lien avec le métier d électrtechnicien, nus utiliserns l expressin «énergie électrique cnsmmée». Mais, il faut bien cmprendre que du pint de vue des sciences physiques, c est une énergie cnsmmée au myen d un transfert électrique. 5. Quelle est la différence entre énergie et puissance? Prenns l exemple d un aspirateur de puissance électrique 2000 W : dès qu il sera sus tensin, il cnsmmera une puissance de 2000W indépendamment de la durée de fnctinnement. A cntrari l énergie électrique cnsmmée dépendra de la durée de fnctinnement : plus n fera fnctinner l appareil, plus le mntant de la facture EDF augmentera. Un cnstructeur ne peut dnc pas indiquer l énergie cnsmmée par sn appareil puisqu il ne cnnait pas la durée de fnctinnement qu en fera l utilisateur. C est purqui le cnstructeur indique la puissance P. L utilisateur peut en déduire l énergie électrique cnsmmée E à partir de la durée de fnctinnement Δt en utilisant la relatin (uniquement valable pur une puissance cnstante) : E = PΔt [J] [W] [s] u [Wh] [W] [h] u [kwh] [kw] [h] 6. Qu est-ce que les pertes d un système? Lrsqu un système a pur but de transfrmer de l énergie, il se peut qu une partie de l énergie absrbée ne sit pas cnvertie sus la frme vulue. Exemple : un mteur électrique a pur fnctin de transfrmer une énergie électrique en énergie mécanique. Une partie de l énergie électrique absrbée est transfrmée en énergie thermique (pertes mécaniques par frttement, ). Cette énergie est perdue au sens écnmique mais pas au sens physique puisqu elle est récupérée par l air qui englbe le mteur.

5 On a pur habitude de représenter ce bilan énergétique sus frme d un schéma en y indiquant les puissances : P e SYSTEME P s Puissance absrbée Puissance utile Pp Pertes Exemple : P a MOTEUR P u (Electrique) (Mécanique) Pp (Thermique) 7. Qu est-ce que le rendement d un système? Le rendement, nté η (lettre grecque êta), est une grandeur qui permet de quantifier la qualité de la cnversin d énergie réalisée par un système : η = Puissance en srtie du système Puissance en entrée du système = P s P e Remarque : de par sa définitin, le rendement est tujurs inférieur u égal à 1. On l exprime suvent en % (il suffit de multiplier le résultat par 100). 8. Qu est-ce que la chaîne énergétique d un système? On rencntre fréquemment des systèmes cnstitués de plusieurs sus-systèmes. La chaîne énergétique d un tel système crrespnd à la représentatin ci-dessus : P 1 SOUS SYSTEME 1 P 2 SOUS P 3 SYSTEME 2 SOUS SYSTEME 3 P 4 η 1 η 2 η 3 9. Cmment calcule-t-n le rendement ttal d un système? Le rendement ttal du système est égal au prduit des rendements des sus-systèmes qui cnstituent sa chaîne énergétique. Sur l exemple précédent, cela dnne : η T = P 4 P 1 = η 1 η 2 η 3

6 10. Qu est-ce que la capacité en Ampère-heure (A.h) d une batterie? Plutôt que de mentinner l énergie E (en Wh) dispnible dans une batterie, les cnstructeurs indiquent sur la plaque signalétique la capacité Q (en A.h). Cela permet de déterminer rapidement l autnmie de la batterie en fnctin de l utilisatin. Par exemple, une batterie 12V ; 50A.h permet par définitin de délivrer 50A pendant une heure. Elle purra dnc délivrer 25A pendant 2h, 5A pendant 10h, Une analyse dimensinnelle permet de relier l énergie E à Q et U : En effet Q U = [A] [h] [V] = [V] [A] [h] r [V] [A] = [W] (P = U I) Dnc Q U = [W] [h] = E Pur la batterie pris en exemple : E = Q U = = 600 W. h