DS SPÉCIALITÉ. Doc. 1 : Voiture à hydrogène. Doc. 2 : Panneaux photovoltaïques

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Michele Marion
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1 DS SPÉCIALITÉ Monsieur Greenroad, dirigeant d une société de taxis, est soucieux de l'environnement. Afin de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et ainsi améliorer le bilan carbone de son entreprise, il envisage d installer une installation de panneaux photovoltaïques sur le toit de ses bâtiments et de remplacer ces taxis à moteur à explosion par des véhicules électriques fonctionnant avec un moteur électrique alimenté par une pile à combustible. L'objectif final de cet exercice est de déterminer la surface de capteurs nécessaire pour réaliser son projet. Doc. 1 : Voiture à hydrogène Une voiture à hydrogène dispose d'un moteur électrique alimenté par une pile à combustible. Le dihydrogène contenu dans le réservoir de la voiture réagit avec le dioxygène de l air qui est insufflé par un compresseur placé dans le compartiment moteur. L'énergie électrique est produite par l'alternateur, et l'eau générée par la transformation est expulsée via le tuyau "d'échappement". Le dihydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile est stocké à l état gazeux sous une pression de 350 bar dans un réservoir de 110 L placé à l'arrière. Cette capacité de stockage confère au véhicule une autonomie de 200 km. À l intérieur du réservoir, le volume occupé par une mole de dihydrogène gazeux, appelé volume molaire, est égal à 0,070 L.mol -1 lorsque le réservoir est plein. Doc. 2 : Panneaux photovoltaïques Le rendement de conversion de l énergie solaire en énergie électrique des cellules photovoltaïques est de l ordre de 20 %. La puissance solaire moyenne reçue par unité de surface de panneau est 200 W.m -2. L énergie (en Joule), la puissance (en Watt) et le temps (en seconde) sont reliés par la relation suivante : E=P. t B. Gonzalez 11/01/14 - page 1/6

bâtiments et de remplacer ces taxis à moteur à explosion par des véhicules électriques fonctionnant avec un moteur électrique alimenté par une pile à combustible.

2 Doc.3 : Fonctionnement des piles à combustible Les piles à hydrogène utilise le dihydrogène gazeux comme combustible. Le dioxygène présent dans l'air sert de comburant. Son rôle est de produire du courant. Le produit obtenu est de la vapeur d'eau. Doc. 4 : Électrolyse de l'eau Production du dihydrogène Pour produire du dihydrogène, il existe plusieurs méthodes. Une des plus anciennes est l'électrolyse de l'eau. Le courant électrique provoque la décomposition de l'eau et la formation de dihydrogène et de dioxygène. Cette méthode nécessite de disposer d'une source de courant. L'équation bilan est donc : Puissance électrique : P =U I Couples : H + (aq)/ H 2 (g) et O 2 (g) / H 2 O (l) L énergie chimique à fournir pour former une mole de dihydrogène est J.mol. Seuls 60 % de l énergie électrique nécessaire à cette électrolyse sont transformés en énergie chimique utilisable pour la réaction chimique. Chaque électron transporte une charge élémentaire -e = -1, C Constante d'avogadro : N A = 6, mol -1 Quantité d'électricité : Q (C )= I ( A) t ( s) Questions Les 4 parties sont totalement indépendantes. B. Gonzalez 11/01/14 - page 2/6

Une des plus anciennes est l'électrolyse de l'eau. Le courant électrique provoque la décomposition de l'eau et la formation de dihydrogène et de dioxygène.

3 M. Greenroad possède une flotte de 10 taxis. Chaque véhicule parcourt environ 300 km par jour. I. Chaîne énergétique [3 pts] L'ensemble de la chaîne (du panneau photovoltaïque au moteur électrique) est une succession de transformations énergétiques réalisées par des transducteurs. Compléter le schéma de la chaîne. [3 pts] Énergie lumineuse Panneau photovoltaique Pile à combustible [3 pts] La pile PEMFC utilise l'air comme oxydant.les deux électrodes sont séparées par une résine échangeuse d'ions. 1. [2 pts] Écrire les équations aux électrodes. 2. [1 pt] En déduire l'équation globale de la réaction. 3. Énergies [8 pts] [6 pts] On se propose de calculer la surface de capteurs nécessaires pour pouvoir alimenter la flotte de véhicule. Le candidat est libre de sa progression toutefois, on peut s'inspirer de l'aide suivante. Chaque étape doit-être explicitée. [2 pts] L'idée de M. Greenroad vous paraît-elle réaliste? Justifier. B. Gonzalez 11/01/14 - page 3/6

Compléter le schéma de la chaîne. [3 pts] Énergie lumineuse Panneau photovoltaique 1 3 2 4 5 6 7 2. Pile à combustible [3 pts] La pile PEMFC utilise l'air comme oxydant.

4 Aide : 1. On calcule la quantité de dihydrogène nécessaire pour alimenter un véhicule par jour. 2. On en déduit l'énergie chimique puis électrique nécessaire. 3. On peut alors trouver la surface de capteurs nécessaire. 4. Électrolyse [6 pts] 1. [1 pt] Écrire la demi-équation qui se produit à la cathode (production du dihydrogène) 2. [2 pts] Quelle est la quantité d'électricité nécessaire pour obtenir une mole de dihydrogène? 3. [3 pts] En déduire sous quelle tension se produit l'électrolyse. B. Gonzalez 11/01/14 - page 4/6

Électrolyse [6 pts] 1. [1 pt] Écrire la demi-équation qui se produit à la cathode (production du dihydrogène) 2.

5 CORRECTION Chaîne énergétique Énergie lumineuse Panneau photovoltaique : énergie électrique 7 2 : Électrolyseur 3 : énergie chimique 4 : Pile à combustible 5 : énergie électrique 6 : moteur 7 : énergie mécanique Pile à combustible Les couples en jeu sont : H + / H 2 et O 2 / H 2 O H 2 étant un réducteur il va être oxydé et O 2 sera réduit Équation à l'anode (oxydation) : H 2 = 2 H + +2 e Équation à la cathode (réduction ): O 2 +4 H + +4 e = 2H 2 O L'équation globale : 2 H 2 +O 2 2H 2 O Energies Chaque taxi parcourt 300 km par jour. Le document 1 nous dit qu'un réservoir permet de parcourir 200 km, il faut donc 1,5 réservoir par jour. Un réservoir a un volume de 110 L, ce qui nous fournit une quantité de matière en H2 de : n= V V m = 110 0,070 =1,6.103 mol Le document 4 nous permet d'évaluer l'énergie électrique nécessaire pour produire une mole de dihydrogène par électrolyse. L'énergie chimique nécessaire est E ch = mol B. Gonzalez 11/01/14 - page 5/6

H + +2 e Équation à la cathode (réduction ): O 2 +4 H + +4 e = 2H 2 O L'équation globale : 2 H 2 +O 2 2H 2 O Energies Chaque taxi parcourt 300 km par jour.

6 A cause du rendement on a E el =E ch On en déduit que E el = E ch = J L'énergie électrique nécessaire pour produire la quantité de dihydrogène pour un véhicule est donc : E = n. E el = 7, J Enfin le document 2 va nous permettre d'évaluer la surface de capteurs nécessaire. Pour calculer l'énergie, il nous manque la grandeur temps, qui correspond à le durée moyenne d'ensoleillement des capteurs. Ce facteur dépend de la saison, de l'orientation des capteurs, de la latitude, des conditions climatiques. En prenant une base de 10 h d'ensoleillement, un mètre carré de capteur reçoit : E s = P. t = = 7, J Le rendement n'étant que de 20 %, on peut espérer obtenir : E se = 0,20 E s = 1, J Ainsi, il faudra N 1 = E E se = 536 m 2 de capteurs pour 1 véhicule Il faudra donc environ 5360 m 2 de capteurs pour l'ensemble de la flotte. Cette surface représente le toit d'un hangar de 54 x 100 m. Ce qui est réaliste. Toutefois, il faut tenir compte de la variabilité de l'ensoleillement. Les jours où la production électrique est insuffisante, il faudra prévoir un système de stockage de l'électicité dans des batteries, ce qui va augmenter très sensiblement le coût de l'installation. Electrolyse Demi-équation à la cathode 2 H + +2e = H 2 Quantité d'électricité On a déjà calculé à la question précédente l'énergie électrique nécessaire pour produire une mole de dihydrogène. E = 7, J Pour produire une mole de dihydrogène, il faut 2 moles d'électrons, ce qui correspond à une quantité d'électricité Q = 2.N A.e = 2 x 6, x 1, = 1, C Tension Des relations E=P t P=U I et Q= I t on obtient E = U I t = U Q Donc la tension peut se calculer par la relation : U = E Q = 7, , = 3, V B. Gonzalez 11/01/14 - page 6/6

Pour calculer l'énergie, il nous manque la grandeur temps, qui correspond à le durée moyenne d'ensoleillement des capteurs.

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