EC-3 : L ÉNERGIE ÉLECTRIQUE 1) Production d énergie électrique A partir d une pile électrochimique Coupez votre citron en deux. Dans chaque moitié du citron, enfoncez une lamelle de zinc, et une lamelle de cuivre. Reliez la lamelle de zinc de la première moitié à la lamelle en cuivre de la seconde moitié par un fil électrique. Puis, le fil partant de la lamelle de cuivre à la borne plus de la DEL et le fil partant de la lamelle de zinc de la seconde moitié au pôle moins. Observations : La DEL s allume Conclusion : L énergie chimique contenue dans les réactifs c est transformer en d autres formes d énergie. Dans La réaction chimique entre la lamelle de zinc, la lamelle de cuivre et l acidité du citron transforme l énergie chimique de ces réactifs en énergie thermique A partir d une bobine Une bobine électrique est un dipôle constitué d un enroulement circulaire (ou cylindrique) de fil électrique. On mesure la tension aux bornes d une bobine isolée dont les extrémités sont reliées à un voltmètre La tension est nulle entre ses bornes On place à proximité de cette bobine un aimant immobile La tension est nulle entre ses bornes On déplace l aimant au voisinage de la bobine Dès lors que l aimant est mis en mouvement une tension apparait aux bornes de la bobine et redevient nulle lorsque l aimant s immobilise. Cette tension prend soit une valeur positive soit une valeur négative : Le signe de la tension est différent selon que l aimant s approche ou s éloigne de la bobine. Le signe de la tension dépend également du pôle magnétique de l aimant mis face à la bobine Conclusion : Déplacer un aimant au voisinage d une bobine permet de produire un courant électrique Un alternateur correspond à l association d une bobine et d un aimant qui peut tourner. (A grande échelle, comme dans une centrale électrique l aimant est remplacé par un électroaimant).
Lorsque l aimant tourne, ses pôles magnétiques sud et nord s approchent puis s éloignent successivement de la bobine provoquant ainsi l apparition d une tension aux bornes de cette dernière: la bobine joue alors le rôle de générateur électrique. Lorsque l aimant d un alternateur (ou son électroaimant) est mis en rotation celui-ci possède une énergie cinétique qui est convertie en énergie électrique. Conclusion : Un alternateur est un convertisseur d énergie cinétique en énergie électrique. 2) Production d électricité dans une centrale électrique La plupart de centrales électriques produisent de l électricité grâce à des alternateurs. La taille de ces alternateurs implique l utilisation d électroaimants (plus légers et produisant un champ magnétique plus intense) à la place des aimants. Pour faire fonctionner ces alternateurs il faut donc mettre en rotation leurs électroaimants en leur transférant de l énergie cinétique. Celle-ci peut être transférée de diverse manières : A l aide vapeur d eau sous pression dans les centrales nucléaires, thermiques et dans certaines centrales solaires. A l aide de l eau dans les centrales hydroélectriques ou marémotrices. A l aide du vent dans les centrales éoliennes. 2-1 La centrale électrique hydraulique Une centrale hydraulique produit de l'électricité grâce à une chute d'eau entre deux niveaux de hauteurs différentes, qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur. Principe de fonctionnement d une centrale hydraulique Barrage de Puylaurent (Lozère) 1/ La retenue de l'eau Le barrage retient l'écoulement naturel de l'eau. De grandes quantités d'eau s'accumulent et forment un lac de retenue. 2/ La conduite forcée de l'eau Une fois l'eau stockée, des vannes sont ouvertes pour que l'eau s'engouffre dans de longs tuyaux métalliques appelés conduites forcées. La vitesse de l eau s accroît en descendant et acquiert ainsi de l énergie mécanique de mouvement. Ces tuyaux conduisent l'eau vers la centrale hydraulique, située en contrebas.
3/ La production d'électricité À la sortie de la conduite, dans la centrale, l énergie mécanique de mouvement de l'eau fait tourner une turbine qui fait à son tour fonctionner un alternateur. Ce dernier convertit une partie de l énergie mécanique de rotation de la turbine en énergie électrique. La puissance de la centrale dépend de la hauteur de la chute et du débit de l'eau. Plus ils seront importants, plus cette puissance sera élevée. 4/ L'adaptation de la tension Un transformateur élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur pour qu'il puisse être plus facilement transporté dans les lignes à très haute et haute tension. L'eau turbinée qui a perdu de sa puissance rejoint la rivière par un canal spécial appelé canal de fuite. Diagramme des conversions d énergie d une centrale hydraulique Une partie de l énergie mécanique est perdue sous forme de chaleur : Par frottements Par effet Joule dû au courant électrique qui échauffe les fils conducteurs Questions : Dans une centrale électrique hydraulique, quel est le rôle : Du barrage? permet de retenir l eau : la source d énergie mécanique De la conduite forcée? en passant dans la conduite forcée, la vitesse de l eau augmente : l eau acquiert de l énergie mécanique de mouvement De la turbine? les pales de la turbines, entraînées par la force de l eau, entraînent un alternateur De l alternateur? permet de convertir l énergie mécanique de mouvement de l eau en énergie électrique Du transformateur? permet d élever la tension électrique délivrée par l alternateur à la sortie de la centrale. 2-2 L éolienne Une éolienne est un dispositif mécanique composé : 1) un mât, haut d une centaine de mètres en moyenne, qui soutient la nacelle afin que celle-ci puisse capter des vents plus hauts donc plus forts ; 2) une nacelle, située en haut de ce mât, qui abrite notamment la génératrice ; 3) le rotor, auquel sont fixées les trois pâles, entre en mouvement rotatif grâce à l intensité du vent et fait ainsi tourner un arbre mécanique. Le multiplicateur augmente la vitesse de celui-ci, cette énergie mécanique de rotation des pales est enfin convertie en électricité par la génératrice. Une éolienne produit de l électricité lorsque la vitesse de vent se situe entre 3 mètres par seconde (force suffisante pour entraîner la rotation des pales) et 25 mètres par seconde. Lorsque ce dernier seuil de vitesse est atteint, un dispositif présent dans la nacelle se met alors en marche, celui-ci actionne le frein du rotor ainsi qu une modification de l inclinaison des pales, ce qui conduit à un arrêt de la machine tant que le vent ne faiblit pas. Actionnées par le vent, les pales fixées sur le rotor entraînent une génératrice électrique installée dans la nacelle. Le courant ainsi produit, d une tension de 400 à 690 Volts, est ensuite transporté par câble souterrain jusqu au poste de livraison. Il y est élevé à une tension supérieure (20 000 V) afin d être injecté sur le réseau national. Diagramme des conversions d énergie d une éolienne
Questions : Quelles sont les parties communes entre une centrale électrique hydraulique et une éolienne : Une centrale électrique hydraulique et une éolienne possèdent en commun : une turbine, entraînée par le vent pour les éoliennes et par l eau pour les centrales hydrauliques ; un alternateur, entraîné par la turbine ; un transformateur, qui élève la tension produite par l alternateur. Dans ces 2 types de centrale, l énergie mécanique est convertie en énergie électrique. Je retiens : Pour une centrale hydraulique, c est l eau en mouvement qui fournit l énergie mécanique à la turbine. Pour une centrale éolienne, c est le vent qui fournit l énergie mécanique aux pales d une éolienne. L alternateur est la partie commune aux deux centrales électriques. Il est relié à la turbine ou aux pales. L alternateur transforme l énergie mécanique reçue en énergie électrique. Toute l énergie mécanique n est pas convertie en énergie électrique ; une partie est «perdue». Cette perte doit figurer dans le diagramme d énergie. Diagramme d énergie des centrales hydraulique et éolienne. Application 1: 80 % de l énergie reçue par une centrale hydraulique est convertie en énergie électrique alors qu une centrale éolienne n en convertit que 60 %. 1- a) Pour une centrale hydraulique, quel est le pourcentage d énergie «perdue», c est-à-dire non convertie? Le pourcentage de l énergie non convertie d une centrale hydraulique est de 20 % (100 % - 80 %) b) Comment cette énergie est-elle «perdue»? Cette énergie est perdue sous forme de frottements mécaniques et de chaleur 2- Mêmes questions pour la centrale éolienne. a) Le pourcentage de l énergie non convertie d une centrale éolienne est de 40 % (100 % - 60 %) b) Cette énergie est perdue sous forme de frottements mécaniques, chaleur, et une partie de l air est toujours en mouvement à la sortie de l éolienne (non convertie) 3- Établis les diagrammes d énergie de chaque centrale en indiquant les pourcentages. 2-3 Les centrales thermiques Dans les centrales thermiques à flamme et les centrales nucléaires, c est de la vapeur d eau sous pression, envoyée sur les pales de la turbine, qui fait tourner l alternateur. Ces centrales ne diffèrent que par le dispositif qui produit de la vapeur.
2-3-1 Les centrales thermiques à flamme Une centrale thermique à flamme utilise l'énergie fournie par la combustion d'un combustible (charbon, pétrole, gaz naturel, gaz issus de hautsfourneaux). Cette combustion a lieu dans une chaudière. La combustion dégage une grande quantité de chaleur utilisée pour chauffer de l'eau dans la chaudière (ou générateur de vapeur). On dispose alors de vapeur d'eau sous pression. Cette vapeur sous pression fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans la chaudière. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une réserve d'eau (cours d'eau) ou plus rarement à une tour de refroidissement analogue à celle d'une centrale nucléaire. Une centrale thermique à flamme fournit une puissance électrique de l'ordre de quelques centaines de mégawatts (1MW = 1 000 000 W). Les centrales en service en France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW. Questions : 1- Par quel moyen est produite la vapeur d eau dans le générateur de vapeur? C est par combustion d un combustible dans la chaudière qu est produite la vapeur d eau dans le générateur de vapeur 2- Nomme le type d énergie issue du combustible qui brûle. L énergie issue du combustible qui brûle est de l énergie thermique 3- À la sortie du générateur de vapeur, l eau a acquis une forme d énergie. Laquelle? L énergie mécanique est la forme d énergie acquise par l eau à la sortie du générateur de vapeur 4- a) Quelle action produit la vapeur d eau sur la turbine? La rotation de la turbine est l action produite par la vapeur d eau b) Quelle énergie lui fournit-elle? Elle transmet alors de l énergie mécanique. 5- Quel élément trouve-t-on dans la centrale thermique déjà présent dans les deux centrales électriques étudiées précédemment? L élément que l on trouve dans la centrale thermique déjà présent dans les deux centrales électriques étudiées précédemment est l alternateur. 6- a) Quelle forme d énergie une centrale thermique fournit-elle au réseau électrique? Une centrale thermique fournit au réseau électrique de l énergie sous forme électrique. b) Par quel élément est-elle produite dans la centrale? C est l alternateur qui est à l origine de cette forme d énergie c) Transforme-t-il toute l énergie reçue? Toute l énergie reçue n est pas transformée, une partie est «perdue» 7- Les combustibles utilisés dans les centrales thermiques sont issus des énergies fossiles (ex : charbon, gaz naturel, pétrole). Pourquoi dit-on que ces sources d énergie sont non renouvelables? Ces énergies fossiles reposent sur une logique de stock. Mais à mesure que le temps passe, ces stocks s épuisent et ne se renouvellent pas suffisamment vite. Par exemple, le pétrole demande des millions d années à se former. La ressource va donc s épuiser car la consommation est supérieure à la production ; d où le terme «non renouvelable» Je retiens : Dans une centrale thermique, c est l énergie thermique obtenue par la combustion des combustibles qui permet de produire de la vapeur d eau (vaporisation de l eau). Cette vapeur d eau en mouvement, transmet de l énergie mécanique à la turbine de la centrale.
On retrouve l alternateur, c est-à-dire la partie commune à toutes les centrales, qui transforme l énergie mécanique en énergie électrique. À nouveau, une partie de l énergie mécanique est «perdue». Les combustibles (ex : gaz, charbon, pétrole ) alimentant ces centrales thermiques appartiennent à la famille des énergies non renouvelables. Application 1: Établis le diagramme d énergie d une centrale thermique 2-3-2 Les centrales nucléaires Il y a des années, la France a fait le choix de produire son énergie électrique par le nucléaire. Cette filière énergétique assure 80 % de la production nationale. C est suite à une réaction de fission de noyaux d atomes de matières fissiles (uranium ou plutonium) qu est produite l énergie thermique. Il faut deux tonnes de pétrole pour produire l énergie électrique issue d un gramme d uranium! Une centrale nucléaire est une centrale thermique qui utilise l'énergie fournie par un réacteur nucléaire (fonctionnant avec de l'uranium 235 ou du plutonium 239). Ce réacteur produit une grande quantité de chaleur qui est captée par de l'eau sous pression circulant dans le circuit primaire (circuit fermé). Par l'intermédiaire du générateur de vapeur, l'eau sous pression du circuit primaire communique sa chaleur à l'eau d'un deuxième circuit fermé, le circuit secondaire. Il est ainsi possible d'obtenir de la vapeur à haute pression dans ce circuit secondaire. La pression de cette vapeur fait tourner à grande vitesse une turbine qui entraîne elle-même un alternateur qui produit une tension alternative sinusoïdale. A la sortie de la turbine la vapeur est refroidie pour se transformer en eau, puis renvoyée dans le générateur de vapeur. Le refroidissement de la vapeur issue de la turbine est confié à une tour de refroidissement et/ou un cours d'eau important. Les deux systèmes de refroidissement peuvent être utilisés simultanément. Les tours de refroidissement sont souvent surmontées d'un nuage résultant de la condensation de la vapeur d'eau. Ce nuage ne doit pas être confondu avec de la fumée. Un réacteur nucléaire fournit une puissance électrique de l'ordre du millier de mégawatts. Les réacteurs en service en France ont des puissances de 900 MW, 1300 MW et 1450 MW. Questions : Quelles sont les parties communes entre une centrale thermique à flamme et une centrale nucléaire? Un dispositif de production de vapeur d eau, une turbine, un alternateur, un circuit de refroidissement de la vapeur d eau et un transformateur. Comment est produite la rotation de la turbine dans les deux cas? La vapeur d eau sous pression entraîne les pales de la turbine.
Recherche pourquoi trouve-t-on une enceinte de confinement dans une centrale nucléaire? L uranium est un composé radioactif. Il émet des rayonnements très dangereux pour la santé. L enceinte de confinement isole le réacteur de l extérieur afin d éviter d éventuelles émanations de gaz radioactifs à l extérieur, en cas d accident. Construis le diagramme des conversions d énergie d une centrale thermique en t aidant des diagrammes précédents. 3) Environnement et développement durable Quelles sont ces énergies renouvelables? L énergie électrique en France, est produite à plus de 80 % par des centrales nucléaires. Ces centrales n ont pas d influence sur l effet de serre. Par contre, le stockage des déchets radioactifs pose un grave problème pour l environnement. Les centrales hydrauliques, les éoliennes et les centrales marémotrices ne polluent pas. Ces centrales utilisent des énergies renouvelables. Les centrales thermiques à flamme, utilisant les combustibles fossiles (charbon, gaz, pétrole), rejettent : Une grande quantité de dioxygène, un des gaz responsables de l augmentation de l effet de serre et du réchauffement de la planète. Des oxydes de soufre qui contribuent à la formation des pluies acides. Ces centrales sont les plus nombreuses dans le monde et sont donc responsables d une partie de la pollution atmosphérique. Forêt attaquée par des pluies acides Une énergie renouvelable, c est quoi? Les énergies renouvelables proviennent de sources inépuisables (énergies du soleil, du vent..) ou renouvelable à l échelle de la vie humaine si la ressource est bien gérée (bois, plantes). Le pétrole, le gaz, le charbon, utilisés dans les centrales thermiques à flamme, l uranium, utilisé dans les centrales nucléaires, ne sont pas des énergies renouvelables. Leurs réserves sont limitées et s épuisent. Il est indispensable de développer les énergies renouvelables afin de prendre le relais des énergies dont les réserves s épuisent
Les énergies renouvelables sont divisées en 5 catégories : L'énergie des océans L'énergie des océans est potentiellement considérable, mais elle est très dispersée et donc difficile à collecter et loin des lieux de consommation. La seule qui ait été vraiment captée jusqu'ici est l'énergie des marées mais seulement sur quelques sites. Près des côtes, l'amplitude des marées entre le niveau de basse mer et le niveau de haute mer peut dépasser dans certains sites 15 m (baie de Fundy au Canada). Et c'est cette énergie potentielle due à cette différence de hauteur qui est captée par les centrales marémotrices L'énergie solaire L énergie du rayonnement solaire peut être convertie en chaleur pour le chauffage ou la production d eau chaude des habitations. Elle peut être convertie en énergie électrique par des cellules photovoltaïques. La géothermie La géothermie consiste à puiser la chaleur dans le sol. On distingue la géothermie basse température (la chaleur est extraite des nappes phréatiques peu profondes) de la géothermie haute température nécessitant des forages profonds pouvant atteindre plusieurs milliers de mètres. Grâce à cette énergie, on peut chauffer des habitations ou même produire de l électricité L'énergie éolienne C est l énergie mécanique du vent utilisée dans les éoliennes L'énergie tirée de la biomasse C est l énergie que l on peut extraire des végétaux. Le bois (que l on brûle dans une centrale électrique) ou les plantes (que l on transforme en carburant) se reconstituent. Cette énergie est renouvelable puisque les plantes repoussent pratiquement sans cesse grâce à l'énergie solaire et au processus de photosynthèse Quelle est la part de ces énergies? Les énergies dites renouvelables (ER) utilisent des flux inépuisables d'énergies d'origine naturelle (soleil, vent, eau, croissance végétale...). Ces énergies de l'avenir ne couvrent encore que 20% de la consommation mondiale d'électricité en notant que l'hydroélectricité représente 92,5% de l'électricité issue des ER (biomasse 5,5%, géothermie 1,5%, éolien 0,5% et le solaire 0,05 %). Questions : Pourquoi le pétrole n est pas une énergie renouvelable? Car les réserves sont limitées et s épuisent Quels sont les avantages des énergies renouvelables? Elles ne s épuisent pas et ne polluent pas l atmosphère En France, 99,2% de l énergie électrique issue des énergies renouvelables sont d origines hydrauliques. Peuxtu justifier? 2 grandes chaînes de montagnes (Pyrénées et Alpes), d importants réservoirs d eau ont pu y être aménagés qui servent de sources d énergie pour les centrales hydroélectriques. Parmi les énergies renouvelables, laquelle est de loin la plus utilisée pour produire de l énergie électrique? L énergie hydroélectrique (92.5%)