A3. Produire de l électricité

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1 A3. Produire de l électricité A3.a - ELECTRICITE : DEFINITIONS ET GENERALITES i. Définitions La matière est constituée d atomes. Au centre de l atome, se trouve un noyau constitué de charges positives (PROTONS) et neutres (NEUTRONS). Autour du noyau gravitent un certain nombre d ELECTRONS, chargés négativement. Dans les matériaux CONDUCTEURS, les électrons sont capables de quitter l atome. Exemple : cuivre. Un COURANT ELECTRIQUE est défini comme un flux d électrons, le mouvement unilatéral d électrons dans un matériau conducteur. ii. Electricité et puissance L électricité se définit selon différentes grandeurs physiques. La TENSION (U) définit la force électrique, la différence de charge entre deux points d un circuit. Elle se mesure en Volt [V]. L INTENSITE (I) définit la quantité d électrons qui passent en un point précis d un circuit par unité de temps (débit). Elle se mesure en Ampère [A]. La puissance (P) mesure la quantité d énergie par unité de temps. Elle se mesure en Watt [W]. Tension, intensité et puissance sont reliées par la formule suivante : P = U x I 23

2 iii. Génération Il y a différentes méthodes pour provoquer le déplacement d électrons, pour produire de l énergie électrique. C est la nature de l énergie fournie qui change dans chaque méthode. alternatif. Induction électromagnétique La plus courante est basée sur le phénomène d induction électromagnétique : la rotation d un aimant devant une bobine de conducteur produit un courant Aimant et bobine de conducteur sont regroupés dans ce qu on appelle l ALTERNATEUR. Dans le cas de l alternateur, c est de l énergie mécanique qui est convertie en énergie électrique. Ce principe est utilisé dans les centrales thermiques à combustion, les centrales thermiques nucléaires, les centrales hydroélectriques, les éoliennes, les dynamos, ENERGIE MECANIQUE Alternateur ENERGIE ELECTRIQUE Chaîne énergétique Pertes Induction solaire Dans les panneaux photovoltaïques, c est l énergie solaire qui induit le mouvement des électrons. ENERGIE SOLAIRE Panneau photovolt. ENERGIE ELECTRIQUE Chaîne énergétique Pertes Induction chimique Piles et batteries stockent l énergie sous forme d énergie chimique. Le déplacement des électrons est produit par une réaction chimique d oxydoréduction. ENERGIE CHIMIQUE Pile ENERGIE ELECTRIQUE Chaîne énergétique Pertes 24

3 A3.b - LES DIFFERENTS TYPES DE CENTRALES ELECTRIQUES Il existe différents types de centrales électriques : - les centrales thermiques à combustible fossile (charbon, pétrole et gaz naturel) - les centrales thermiques à combustibles fissibles ou centrales nucléaires - les centrales solaires (différents des panneaux photovoltaïques) - les centrales hydroélectriques - les centrales éoliennes Les centrales électriques fonctionnent toutes selon le même principe : Une énergie primaire est transformée en énergie mécanique. Cette énergie fait tourner une turbine couplée à un alternateur, constitué d un aimant mobile (rotor) et d une bobine fixe (stator) qui convertit l énergie mécanique en énergie électrique. Centrales thermiques à combustible fossile Matière primaire : combustible fossile (gaz, pétrole, charbon) Utilisée pour former de la vapeur. Centrales thermiques à combustibles fissibles ou centrales nucléaires Matière primaire : uranium Utilisée pour former de la vapeur. Centrales solaires Matière primaire : soleil Utilisée pour former de la vapeur. 25

4 Centrales hydroélectriques Matière primaire : eau Active directement la turbine. Centrales éoliennes Matière primaire : vent Fait tourner directement l alternateur. 26

5 A3.c - CENTRALE THERMIQUE A COMBUSTIBLE FOSSILE Dans les centrales thermiques à combustible fossile, gaz, pétrole ou charbon sont brûlés pour produire de la chaleur. i. Fonctionnement 1. Réaction de combustion Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé dans les brûleurs d une chaudière. 2. La production de vapeur La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l'eau. La chaleur dégagée par la combustion chauffe l'eau jusqu à la transformer en vapeur. 3. La production d'électricité La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. L'alternateur produit un courant électrique alternatif. Puis, un transformateur élève la tension du courant électrique pour qu'il puisse être transporté plus facilement. 4. Le recyclage À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Les changements d états L état d une matière dépend de deux facteurs précis : la température la pression 27

6 ii. Réaction de combustion Afin de libérer de l énergie des ressources fossiles, on les brûle. Elles subissent une réaction de combustion où elles jouent le rôle de combustible. La réaction de combustion est une réaction d oxydation très exothermique (libérant de l énergie thermique). Elle a besoin d oxygène (comburant) et produit du dioxygène de carbone (CO2). Combustion du charbon : C (s) + O 2 (g) à CO 2 (g) + énergie thermique Remarque : lors d une réaction chimique, le nombre d atomes et leur nature ne changent pas (selon le principe de conservation de Lavoisier, rien ne se créé, rien ne se perd). Ainsi, on aura le même nombre, par exemple, d atome de carbone de part et d autre d une réaction. Afin d assurer cet équilibre stœchiométrique, des coefficients sont ajoutés devant chaque terme de l équation. Exemple - équilibre stœchiométrique Combustion du méthane. CH 4 (g) +. O 2 (g) à. CO 2 (g) +. H 2 O (g) iii. Chaîne énergétique chimique Bruleur thermique Chaudière mécanique turbine + alternateur électrique e. thermique (pertes) e. thermique (pertes) 28

7 A3.d - CENTRALE THERMIQUE NUCLEAIRE Dans les centrales thermiques à combustible fissile ou centrale nucléaire, de l uranium subit une fission nucléaire pour produire de la chaleur. i. Fonctionnement 1. Circuit primaire : Dans le réacteur, la FISSION des atomes d'uranium transforme une partie de l énergie nucléaire en énergie thermique. Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 C. L'eau est maintenue sous pression pour l'empêcher de s évaporer. 2. Circuit secondaire : Dans le générateur de vapeur, l'eau chaude du circuit primaire chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. 3. La production d électricité : La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. L'alternateur produit un courant électrique alternatif. Puis, un transformateur élève la tension du courant électrique pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension. 4. Le circuit de refroidissement À la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur dans lequel circule de l'eau froide en provenance de la mer ou d'un fleuve. Remarque : Les 3 circuits d'eau sont étanches les uns par rapport aux autres afin d éviter toute contamination radioactive. 29

8 ii. Réaction de fission Chaque élément chimique est représenté par trois éléments : - le symbole de l élément (X) - le NOMBRE DE MASSE A, le nombre de nucléons - le NUMERO ATOMIQUE Z, le nombre de protons A Z X Un élément chimique est déterminé par son nombre de protons. Le nombre de neutrons, et donc le nombre de masse, peut changer. Ainsi, l uranium 234,!"#!" U contient 92 protons comme tous les atomes d uranium et 142 neutrons (234-92). Ainsi, l uranium 238,!"#!" U contient 92 protons comme tous les atomes d uranium et 146 neutrons (238-92). L uranium 234 et 238 sont des ISOTOPES, des variantes d un même élément chimique, l uranium. Les isotopes ont tous le même numéro atomique Z (même nombre de proton). Seul leur nombre de masse A (nombre de neutron) change. La fission est une réaction nucléaire dans laquelle un noyau lourd, dit fissile, est scindé en deux noyaux plus légers. Dans les centrales nucléaires, on utilise de l uranium 235 (noyau lourd), un isotope de l uranium particulièrement instable. Quand un neutron animé d une faible vitesse rencontre un noyau d uranium 235, il est capté et cela peut provoquer l éclatement du noyau d uranium en 2 noyaux plus légers : on dit que l uranium est fissible. La fission dégage énormément d énergie sous forme de chaleur. La fission nucléaire libère une quantité d énergie beaucoup plus grande qu une combustion (pétrole, charbon...). En effet, la fission de 1g d uranium libère autant d énergie que la combustion de 1,8 tonnes de pétrole. Cette réaction libère également des neutrons susceptibles, à leur tour, de provoquer une réaction de fission d un noyau d uranium. La réaction nucléaire peut ainsi se poursuivre de proche en proche. La réaction de fission est donc une réaction en chaîne. 30

9 Remarque : dans une réaction nucléaire, le nombre et le type d espèces chimiques changent. Le nombre de particules (protons et neutrons), par contre, est conservé. C est donc ces derniers qui doivent être équilibrés. Exemples!"#!!"#!"U +! n!" Xe +!"!"! Sr + 3! n!"#!!"#!!"u +! n!" Kr + Ba + 3! n!"#!!"u +! n!"!"!"#! Sr +.. Xe +! n? Compléter les réactions ci-dessus. iii. Chaîne énergétique nucléaire thermique Réacteur générateur de vapeur mécanique turbine + alternateur électrique e. thermique (pertes) e. thermique (pertes) 31

10 A3.e - LA FUSION NUCLEAIRE La FUSION NUCLEAIRE est un procédé ayant un rendement encore plus important que la fission. Difficile à réaliser techniquement, la méthode est encore à l essai. i. La fusion nucléaire La fusion, à l état naturel, existe dans les environnements extrêmement chauds, comme le Soleil. Au centre du Soleil, la température atteint 15 millions de degrés, température qui permet la fusion des noyaux les plus légers, comme ceux de l hydrogène (un proton) et de l hélium (deux protons et deux neutrons). La fusion solaire produit une forte libération d énergie sous forme de lumière et de chaleur. ii. La réaction de fusion Lors d une réaction de fusion nucléaire, deux noyaux légers «s agglomèrent» en un noyau plus lourd et plus stable.!!!!!h +! H! He +! n La fusion est difficile à réaliser car une force répulsive empêche les noyaux, chargés positivement, de s approcher assez prés les uns des autres pour pouvoir fusionner. Une température très élevée, plonge les atomes dans un état d agitation élevé ce qui permet la fusion. La réaction de fusion libère une grande quantité d énergie émise essentiellement sous forme de lumière et de chaleur. Une réaction de fusion nucléaire libère une quantité d énergie encore plus importante qu une réaction de fission nucléaire. En effet, la fusion de 1 g d hydrogène libère autant d énergie que la combustion de 14 tonnes de pétrole. Remarque : dans une réaction nucléaire, le nombre et le type d espèces chimiques changent. Le nombre de particules (protons et neutrons) est conservé. C est donc ces derniers qui doivent être équilibrés. Exemples!!!H + H!!H +! Li! He!...! He! +! n 32

11 A3. Produire de l électricité - RECAPITULATION 33

12 S exercer au BAC Nouvelle-Calédonie 2015 Question à 6pts La centrale nucléaire de Golfech Document 1 La centrale nucléaire de Golfech La centrale nucléaire de Golfech est implantée sur la commune de Golfech (Tarn-et- Garonne), en bordure de la Garonne entre Agen (30 km en aval) et Toulouse (90 km en amont). Elle est exploitée par la société Électricité de France (EDF). L usine dispose de deux unités de production nucléaires équipées de réacteurs à eau pressurisée (REP) de MW chacune. Fiche d identité de la centrale de Golfech Mise en service Unité 1 : février 1991 Unité 2 : mars 1994 Production annuelle 15,7 mia de kwh en 2012 Unités de production 2 Puissance totale 2 x 1300 MW Effectif total 723 salariés EDF 200 salariés d entreprises permanentes Tableau extrait du dossier de presse d EDF, février Document 2 La production électrique française Graphique donnant pour plusieurs types de centrales électriques la production réelle par an (bâton de gauche) et la production théorique (bâton de droite) obtenue avec un taux de charge* de 100 % (si l installation fonctionnait à puissance nominale pendant toute l année). *Taux de charge : rapport, exprimé en pourcentage, entre l énergie effectivement produite et l énergie qui aurait pu être produite en puissance nominale pendant le même laps de temps. Graphique extrait du site : Définition tirée du site : 34

13 1. a) Donner la relation liant l énergie, la puissance et la durée de production de cette centrale électrique. 1.b) À l aide du document 1, vérifier que l énergie produite par les unités de production de cette centrale nucléaire qui fonctionneraient avec un taux de charge de 100 % pendant une année est égale à 22,8 millions de MWh. 2. Montrer que le taux de charge de cette centrale, en 2012, est d environ 70 %. Est-il aussi important pour les autres types de centrales? Donner quelques arguments qui justifient votre réponse. 3. À l aide de vos connaissances, classer les centrales électriques citées sur le graphique du document 2 en deux familles dont vous préciserez les noms. 35