Transport, Mise en mouvement : chaînes énergétiques...

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1 1 ) Métropole STLB 2013 TRANSFERTS ET CONVERSIONS ÉNERGÉTIQUES 1. Fonctionnement général Document 1 (D après Un scooter de la marque «piaggio» dans 4 situations différentes. 1/9

2 1.1. Remplir le tableau de l annexe 1 avec les lettres A, B, C ou D correspondant à chacune des situations proposées Dans le «mode électric» que signifie la formulation «zéro émission»? 2. Fonctionnement en mode thermique seul Document 3 Caractéristiques de différentes sources d énergie pour véhicules Données : 1 Wh = 3600 J masse volumique de l essence re = 0,760 kg.l -1 1 MJ = 10 6 J le rendement h est défini par le rapport de l énergie utile sur l énergie reçue 2.1. L énergie volumique de l essence est de 32,6 MJ.L -1. Calculer l énergie volumique EV de l essence en watt heure par litre (Wh.L -1 ) Le document 4 représente la chaîne énergétique simplifiée du scooter à moteur thermique A quel type d énergie correspond la flèche vide du document 4? En utilisant le document 4, déterminer la valeur du rendement h du scooter fonctionnant en mode thermique. Montrer que le résultat est en accord avec le document Le rendement du scooter dépend de la pression des pneumatiques. Relié à l un des 2/9

3 pneumatiques, le manomètre utilisé affiche une pression P de 2,2 bars. Sachant qu à l air libre il indique 0 bar, la pression mesurée est-elle relative ou absolue? 2.3. Le scooter a un réservoir qui peut contenir 12 litres d essence. A partir du document 5, déterminer l autonomie du scooter. 3. Fonctionnement en mode hybride Document 6 Extrait de la fiche technique du scooter «piaggo» MP3 hybrid 125 cm 3 Le scooter dispose d une motorisation qui associe un moteur thermique et un moteur électrique montés en parallèle, ce qui permet d augmenter son autonomie Identifier, sans justifier, les différents transferts d énergies correspondant aux flèches n 1 et n 2 du document Qu indique la flèche n 3 du document 7? 3.3. Le scooter a un réservoir qui peut contenir 12 litres d essence. Déterminer l autonomie du scooter hybride si on adopte un cycle 2/3 hybride - 1/3 électrique avec une consommation de 1,7 L au 100 km. Comparer cette autonomie avec celle calculée en 2.3. et conclure. 3/9

4 4. Rendement du moteur électrique La puissance électrique absorbée par ce moteur est donnée par la relation : Pélec = 3 U I cos(j) où cos(j) est appelé facteur de puissance La puissance mécanique maximale du moteur électrique est Pméca = 2, W. Dans ce cas, pour une tension U = 54 V, l intensité du courant est I = 34 A et cos(j) = 0, A partir de ces données, déterminer le rendement h du moteur En déduire un intérêt du moteur électrique par rapport au moteur thermique. 2 ) Antilles STI2D 2014 A.1 Besoins en énergie électrique Le document ressource n 1 donne les ordres de grandeurs des puissances et des durées de fonctionnement par jour pour les différents postes de consommation. A.1.1 Rappeler la relation entre l énergie E (en wattheures) consommée par un appareil, sa puissance P (en watt) et la durée de fonctionnement t (en heure). A.1.2 Calculer l énergie absorbée par chaque poste de consommation ainsi que l énergie pour l ensemble des postes et compléter le document réponse n 1 A.2 Le moteur Diesel A.2.1 Analyser le document ressource n 2 puis répondre aux questions suivantes : A Donner la signification des pictogrammes que l on trouve sur la fiche technique du gasoil. A Lors de quel temps du cycle de fonctionnement du moteur Diesel y a-t-il libération d énergie par le mélange «air + combustible»? A À quelle valeur particulière la température du mélange «aircombustible» doit-elle être supérieure à la fin de l injection? Justifier. A.2.2 L un des hydrocarbures que l on trouve dans le gasoil est le dodécane de formule chimique C12H26. Réécrire sur la copie, en l équilibrant, l équation de la combustion complète du dodécane dans le dioxygène de l air, sans indiquer les états de la matière. C12H26 + O2 CO2 + H2O 4/9

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6 3 ) Antilles 2015 STL-Bio Partie A : bilan énergétique d'un voilier et choix d'un «mix» énergétique A.1. Le document A1, présenté en annexe A, montre un bilan énergétique effectué sur un voilier de 11 m. Il a été réalisé pendant une durée de 24 h pour tenir compte du fait que les besoins énergétiques d'un bateau diffèrent selon qu'il navigue de jour ou de nuit. A.1.1. D'après ce document, quel est parmi les quatre pôles de consommation évoqués celui qui consomme le plus d'énergie? Donner la valeur de l'énergie consommée correspondante. A.1.2. Rappeler la relation existant entre les grandeurs suivantes : puissance P, énergie E mise en jeu durant Δt. A.1.3. L'énergie totale utilisée par le voilier sur une durée de 24 h est de 2397 W.h. En déduire la puissance moyenne consommée durant cette durée. Pour assurer la production de l'énergie évoquée ci-dessus, on peut équiper un bateau d'un certain nombre de dispositifs embarqués. Nous nous restreindrons ici à ceux qui tirent parti de sources d'énergie renouvelables (voir document A2) : - les panneaux solaires (panneaux photovoltaïques) ; - les aérogénérateurs (éoliennes) ; - les hydrogénérateurs, qui fonctionnent comme les éoliennes, mais avec une hélice plongée dans l'eau, qui tourne lorsque le bateau avance. En règle générale, on équipe un voilier de plusieurs systèmes pour bénéficier des avantages de chacun. Le choix de ces systèmes, que l'on peut qualifier de «mix» énergétique, s'effectue en tenant compte du projet de navigation. A.2. À l'aide du document A2, compléter le document réponse DR1. Justifier succinctement vos choix sur le même document. 6/9

7 Partie B : l'hydrogénérateur pour produire de l'énergie Dans cette partie on suppose que le projet de navigation est de réaliser une traversée de l'océan Atlantique à la voile. Pour produire de l'énergie à bord du bateau, on décide de l'équiper d'un hydrogénérateur, un dispositif récent, de plus en plus utilisé sur les bateaux de course, comme par exemple durant le dernier Vendée Globe (course autour du monde en solitaire et sans escale). B.1. À l'aide des documents B1 et B2 présentés en annexe B, compléter sur le document réponse DR2 le diagramme énergétique d'un hydrogénérateur avec trois expressions à choisir parmi les suivantes : énergie thermique ;énergie lumineuse ; énergie chimique ; énergie électrique ; énergie mécanique. B.2. La courbe du document B3 présenté en annexe représente la puissance électrique fournie par un certain modèle d'hydrogénérateur en fonction de la vitesse du bateau. Celle-ci est indiquée en noeuds (1 noeud = 1,852 km.h 1 ). B.2.1. D'après ce document, à partir de quelle vitesse du bateau, en noeuds, l'hydrogénérateur commence-t-il à fournir de la puissance électrique? B.2.2. Quelle est la puissance maximale fournie par l'hydrogénérateur, toujours d'après ce document? En comparant la puissance que peut fournir un hydrogénérateur et la puissance que consomme en moyenne le bateau, on pourrait penser qu'un hydrogénérateur peut couvrir l'ensemble des besoins énergétiques, mais ce n'est pas le cas. En effet, l'hydrogénérateur ne produit pas forcément de l'énergie au même «rythme» que le bateau en consomme (exemples : le bateau consomme plus la nuit ; l'hydrogénérateur produit très peu quand le bateau avance doucement). Pour pallier cette difficulté, il est nécessaire de stocker l énergie produite. B.3. Pour ce faire, le bateau sera équipé de 4 batteries identiques, ayant les caractéristiques suivantes : - capacité (quantité d'électricité disponible) : Q = 105 A.h ; - tension nominale : U = 12 V. B.3.1. L'énergie E que peut stocker une batterie s'exprime en fonction de sa capacité Q et de sa tension nominale U selon la relation E = Q U. Sachant que 1 A.h = 3600 C, 7/9

8 montrer que l'énergie stockée par une seule batterie est de 4,5 MJ. B.3.2. En déduire l'énergie totale Etot stockée par l'ensemble des batteries. B.3.3. On estime à 6 noeuds la vitesse moyenne du bateau pendant la traversée. En utilisant cette valeur et le document B3, déterminer la puissance électrique moyenne Pmoy que pourra alors délivrer l'hydrogénérateur. B.3.4. À l'aide des deux questions précédentes, et en expliquant le raisonnement, estimer la durée Δt nécessaire à la charge complète de l'ensemble des batteries. On supposera qu'elles sont au départ complètement déchargées et qu'on ne fait que les charger, sans perte d'énergie. Exprimer le résultat en heure. B.3.5. En comparant la valeur trouvée à la question B.3.4 à la durée de la traversée qui est de l'ordre de trois semaines, indiquer si cette durée de charge paraît acceptable pour le projet envisagé. 8/9

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