séquence PARtiE 5 1 Production et transport de l énergie Manuel unique, p. 304 ( Manuel de physique, p. 190) Le programme notions et contenus Compétences attendues agir Convertir l énergie et économiser les ressources Ressources énergétiques renouvelables ou non ; durées caractéristiques associées. Transport et stockage de l énergie ; énergie. Production de l énergie ; puissance. Conversion d énergie dans un générateur [ ]. Loi d Ohm. Effet Joule. Recueillir et exploiter des informations pour identifier des problématiques : d utilisation des ressources énergétiques ; du stockage et du transport de l énergie. Argumenter en utilisant le vocabulaire scientifique adéquat. Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les conversions d énergie en terme de conservation, de dégradation. Pratiquer une démarche expérimentale pour : mettre en évidence l effet Joule ; exprimer la tension aux bornes d un générateur et d un récepteur en fonction de l intensité du courant. Les compétences à acquérir dans la séquence 1. Identifier des problématiques de production et de transport de l énergie. 2. Décrire l effet Joule. 3. Interpréter des conversions d énergie. 164 Évaluation diagnostique p. 304 Situation 1 Les critères pertinents concernant le choix d une centrale sont nombreux : l adaptation de la puissance en fonction des besoins du (centrales thermiques, centrales hydrauliques, nucléaires) ; la production nulle de gaz à effet de serre (centrales nucléaires, marémotrices, hydrauliques, les éoliennes, les panneaux solaires ) ; le fait que la ressource énergétique soit inépuisable (les éoliennes, les panneaux solaires, les usines marémotrices, hydrauliques ) ; le coût de production (la production d énergie grâce aux énergies fossiles est pour l instant assez bon marché, mais risque de devenir plus onéreuse si ces ressources deviennent plus difficiles à extraire). L activité 1 illustre quelques-uns de ces critères.
Situation 2 La représentation graphique proposée est celle d une fonction linéaire. Elle présente une relation de proportionnalité entre la tension U AB aux bornes du dipôle et le courant I AB qui traverse le dipôle. Cette relation est appelée la loi d Ohm. Son expression est : U AB = R I AB avec U AB en volt, I AB en ampère et R, la résistance du dipôle, en ohm (W). Les activités 2 et 3 permettent de réinvestir cette relation, afin d exprimer la puissance dissipée par effet Joule dans une résistance. Situation 3 Les fils s sont constitués de métal. Ceux-ci sont de bons conducteurs, mais leur résistance n est pas nulle. Ils se comportent comme des conducteurs ohmiques et suivent la loi d Ohm. Comme toute résistance, ils dissipent de l énergie sous forme de chaleur par effet Joule. Cette énergie dissipée a été fournie par le générateur. L activité 3 met en évidence les pertes énergétiques dues aux câbles de transport de l électricité. Ceux-ci interviennent donc dans le bilan énergétique du circuit. activités Activité 1 La production d électricité p. 306 1. a. Les énergies fossiles sont : le pétrole (fioul), le gaz et le charbon. b. Les filières utilisant les énergies renouvelables sont : les éoliennes, la filière de la biomasse, les centrales hydros. 2. Parmi les autres filières de production, on peut citer : combustion des déchets, géothermie, énergie photovoltaïque, énergie solaire thermique, usine marémotrice. 3. a. La filière privilégiée en France est la filière nucléaire (plus de 75 % de l énergie produite quotidiennement). b. La filière privilégiée dans le monde est le charbon (plus de 40 % de l énergie produite en 2008). 4. a. La filière de production par les énergies fossiles permet d ajuster au besoin la production d énergie en fonction des besoins. Elle est, pour l instant, bon marché. Néanmoins, ces centrales produisent énormément de dioxyde de carbone, qui est un gaz à effet de serre (il contribue à l augmentation de la température moyenne sur Terre). Ces ressources sont également en train de s épuiser car elles sont générées sur des périodes de quelques millions d années. b. Les centrales nucléaires permettent également une meilleure régulation de la production car elles peuvent s adapter à la demande. Elles sont en général de très forte puissance. Elles ne produisent pas de gaz à effet de serre. Cependant, l utilisation de centrales nucléaires pose deux problèmes majeurs : la gestion des déchets nucléaires, ainsi que les pannes techniques graves dont les conséquences sont souvent dramatiques (comme, par exemple, les tristement célèbres cas de Tchernobyl et de Fukushima). 5. a. La filière utilisée en France pour subvenir aux fortes demandes est la filière hydraulique : les barrages. b. Le pic de consommation se situe entre 19 h et 21 h. c. La filière hydraulique convient bien pour répondre à des demandes ponctuelles en énergie car il est facile de libérer l eau à la demande pour faire tourner les turbines des barrages. 6. Les énergies renouvelables interviennent pour une petite quantité dans la production d électricité, que ce soit en France ou dans le monde (moins de 13 % en France, en comptant la filière hydraulique, qui représente à elle seule 9 % de la production française). Les énergies renouvelables sont pour une grande partie d utilisation récente dans la production d énergie : éoliennes, panneaux solaires. Elles ont une faiblesse par rapport aux autres filières : elles ne permettent pas le stockage de l énergie et ne pourront donc pas, de ce fait, rivaliser avec les filières fossiles et nucléaires. En ce qui concerne la filière hydraulique, l installation de centrales est limitée au nombre de sites exploitables. En France, par exemple, les sites pertinents sont pratiquement tous exploités. Cette filière ne peut plus évoluer notablement. PARTIE 5 Séquence 1 Production et transport de l énergie 165
Activité 2 Une pile, ça chauffe? p. 307 1. Le rhéostat est une résistance variable. Sa valeur peut être nulle selon la position du curseur. Dans ces conditions et sans résistance de protection, la pile se retrouverait en court-circuit. La résistance de protection permet donc d éviter ce risque. 2. Les mesures suivantes ont été effectuées avec une résistance de protection de 1,5 W - 7 W. Le rhéostat a une résistance maximale de 33 W. I (A) 0,12 0,15 0,21 0,25 0,31 0,35 0,4 0,5 0,6 0,7 U (V) 4,19 4,13 4,02 3,92 3,79 3,69 3,58 3,37 3,1 2,9 I (A) 0,8 0,9 1,02 1,11 1,2 1,3 1,42 1,56 1,86 1,94 U (V) 2,68 2,46 2,23 2 1,79 1,56 1,29 1 0,4 0,2 5 U (V) 4 3 2 1 0 0 0,5 1 1,5 2 I (A) 3. La droite représente une fonction affine car elle passe par une ordonnée non nulle. De plus, sa pente est négative. Finalement, la fonction qui correspond à la droite tracée ne peut être que U = E k I, avec E et k constants. 4. On trouve une valeur de l ordonnée à l origine égale à 4,46 V. E correspond donc à la tension nominale de la pile. Il s agit de la f.é.m. de la pile. 5. a. La puissance d un dipôle traversé par un courant I et dont la tension à ses bornes est U s exprime par P = U I. Dans le cas de la pile, nous avons vu que U = E - k I. Ainsi, P = (E - k I) I = E I - k I 2. b. Pour que P = E I, il suffit que k soit nulle. Donc pour une pile parfaite, k = 0. 6. a. La loi d Ohm relie le courant I qui traverse la résistance R avec la tension U à ses bornes : U = R I. b. Comme vu à la question 5.a, la puissance d un dipôle traversé par un courant I et dont la tension à ses bornes est U s exprime par P = U I. c. Ainsi, en combinant les deux, on trouve : P = (R I) I. Ainsi P = R I 2. Ceci est l expression de la puissance dissipée par effet Joule. 7. a. Le second terme de la puissance de la pile ressemble à l expression de la puissance dissipée par effet Joule, en supposant que k corresponde à une résistance R (la résistance interne de la pile). b. Ainsi, une pile chauffe car elle possède une résistance interne qui dissipe l énergie par effet Joule sous forme de chaleur. 8. Cette énergie dissipée par effet Joule est une partie de l énergie chimique de la pile. Ainsi, toute l énergie chimique de la pile n est pas fournie au circuit : une partie est dissipée. L expression trouvée à la question 5.a peut s interpréter ainsi : P est la puissance que la pile fournit au circuit, cette puissance est égale à la puissance E I que la pile fournirait au circuit si elle était parfaite (sans résistance), à laquelle on retranche la puissance dissipée par effet Joule. 166
Activité 3 Transport en haute tension p. 308 1. a. En regardant les valeurs des colonnes 1, 2 et 5, on remarque que la longueur est la même et que la résistance augmente lorsque le diamètre diminue. De même, lorsqu on compare les colonnes 1, 3 et 4, on voit que le diamètre ne change pas. Ainsi, plus la longueur est importante et plus la résistance est grande. b. Plus un câble est long, plus sa résistance est grande. Ainsi, étant donné que les câbles ont une très grande longueur, ils ont une grande résistance et donc ils dissipent une quantité importante d énergie par effet Joule. 2. a. Si la puissance est la même, alors le produit de la tension par le courant est le même. Ainsi, si la tension est multipliée par 100, alors le courant est divisé par 100 (si U 1 I 1 = U 2 I 2 et U 2 = 100 U 1, alors I 1 = 100 I 2 ). b. La puissance dissipée par effet Joule dans un câble de résistance R traversé par un courant I 1 est P J = R I 12. c. La puissance dissipée par effet Joule dans un câble de résistance R traversé par un courant I 2 est P JHT = R I 22. PJHT R I2 I d. Le rapport entre P JHT et P J s écrit : 2 2 2 Ê 2 PJ R I I Ë Á 1 ˆ 1 2 2 1 100 Ainsi, P JHT = P J /10 000. 3. En diminuant l intensité du courant qui circule dans les câbles, tout en conservant la puissance transportée, la haute tension permet de diminuer considérablement les pertes par effet Joule. En effet, la puissance dissipée est proportionnelle au carré de l intensité du courant. exercices Compétence 1 : Identifier des problématiques de production de l énergie 1 1. Vrai. 2. Faux. Les énergies fossiles ne sont pas renouvelables car elles nécessitent quelques dizaines de milliers d années pour se former. 3. Faux. L uranium n est pas renouvelé dans la croûte terrestre. C est lors de sa formation que la Terre a acquis une certaine quantité d uranium fissible (cette quantité ne peut donc que diminuer au cours du temps). 4. Faux. La production d énergie par le biais des énergies renouvelables représente moins de 18,5 % de la production mondiale d électricité en 2008. 5. Vrai. 2 1. Les réserves d une ressource non renouvelable s épuisent peu à peu car la durée de formation de ces réserves (quelques millions d années) dépasse largement la durée d utilisation (quelques centaines d années). Il n y a pas épuisement des réserves pour une ressource renouvelable, soit parce qu elle n est pas réellement «consommée» (Soleil, vent, marée) soit parce que sa durée de formation est de l ordre de grandeur de sa durée d utilisation (déchets, bois). 2. a. Charbon, pétrole, gaz naturel. b. Vent, Soleil, marée, bois, déchets. 3. La part de production d énergie par les ressources renouvelables est inférieure à 20 %. 3 1. Fioul, charbon et gaz ne sont pas des ressources renouvelables. En revanche, les déchets et le bois (s il n y a pas de déforestation) sont des ressources renouvelables. PARTIE 5 Séquence 1 Production et transport de l énergie 167
2. Les déchets non recyclables posent un problème en ce qui concerne leur gestion et leur stockage. De ce fait, leur valorisation dans des centrales s est une solution intéressante. 3. a. Le défaut principal est qu une combustion de matériaux organiques, quelle qu elle soit, dégage du dioxyde de carbone, gaz à effet de serre. b. La combustion des déchets ménagers peut générer d autres espèces très nocives ou dangereuses. Ainsi, les déchets doivent être correctement triés afin de limiter les risques. 4. On peut décider à tout moment d augmenter la production d électricité en augmentant la quantité de combustible utilisé. On dispose ainsi d une réserve libérable à volonté. Dans le cas des éoliennes et panneaux photovoltaïques, la production dépend des conditions météorologiques, par nature aléatoires. 4 Bilan mensuel La production d énergie en France en juin 2010 est donnée dans le tableau ci-dessous. Combustibles fossiles Nucléaire Hydro Géothermique/Vent/Solaire/Autres Production totale (Source : Agence internationale de l énergie) 2 552 GWh 29 580 GWh 7 159 GWh 592 GWh 39 883 GWh 1. Donner des exemples de «combustibles fossiles». 2. Classer ces modes de production d électricité en deux catégories : «énergie renouvelable» et «énergie non renouvelable». 3. Convertir les valeurs de Gwh en pourcentages. 1. Exemples de combustibles fossiles : charbon, pétrole, gaz naturel. 2. Énergies renouvelables : hydro, géothermique/vent/solaire/autres. Énergies non-renouvelables : combustibles fossiles, nucléaire. 3. On divise la valeur de l énergie fournie par chacune de ces ressources par la valeur totale, puis on multiplie par 100 : Combustibles fossiles 6,400 % Nucléaire 74,20 % Hydro 18,00 % Géothermique/Vent/Solaire/Autres 1,48 % 5 1. Pour convertir les énergies proposées en tep, on divise chaque valeur d énergie par 49 10 9 (nombre de joules correspondant à 1 tep). Combustible Valeur énergétique en tep Charbon 0,60 Uranium naturel 8,6 10 3 Combustible de fusion nucléaire 7,7 10 6 Méthane 1,1 2. Pour déterminer la masse de combustible nécessaire à la production de 49 10 9 J, on divise 49 10 9 par l énergie produite par 1 tonne de combustible (exprimée en joule) Le résultat est obtenu en tonne. Combustible Masse nécessaire pour produire 49 10 6 J Charbon 1,7 t Uranium naturel 1,2 10-4 t soit 1,2 10 2 g Combustible de fusion nucléaire 1,3 10-7 t soit 1,3 10-1 g Méthane 0,87 t 168
6 1. Une usine marémotrice utilise l énergie créée par le mouvement de l eau en raison des marées afin de mettre en rotation des turbines couplées à des alternateurs. Elle peut profiter de ce mouvement pour stocker l eau et ainsi utiliser son énergie potentielle (comme c est le cas pour l usine de la Rance) ou bien simplement utiliser l énergie cinétique de l eau dans les courants de marées. 2. a. Si la production d énergie enregistre un surplus à un moment donné, on l utilise pour donner de l énergie potentielle à de l eau, en la stockant dans la retenue du barrage. Lors de la libération de l eau, cette énergie sera récupérée et réinjectée dans le. b. L énergie potentielle s exprime par la relation : E pp = m g z où m est la masse de l eau et z l altitude du centre de masse de l eau dans la retenue par rapport au point de référence (le point de référence sera toujours la surface de l eau du fleuve). Lorsqu on pompe à marée haute, on stocke l eau en utilisant une certaine énergie E = m g z. Pendant la marée descendante, l eau stockée ne bouge pas, mais la valeur de z augmente. Cette réserve établie à marée haute avec une «dépense» énergétique raisonnable aura, à marée basse, une très grande énergie potentielle. En revanche, si l énergie est stockée à marée basse, elle risque d être gaspillée si elle n est pas réutilisée avant la montée des eaux (car z sera égal à zéro si la marée monte aussi haut que le niveau de l eau stockée). Compétence 2 : Décrire l effet Joule 7 1. a et b. 2. a et c. 3. b et c. 9 Les exemples liés à l effet Joule sont : 1 et 3. Dans l exemple 2, c est une combustion qui produit l énergie thermique. Dans l exemple 4, c est la compression d un gaz qui produit l énergie thermique. 10 1. L effet Joule permet l échauffement d un fil lorsqu il est traversé par un courant. Si la conséquence d un échauffement important d un fil métallique est la production de lumière, alors l effet Joule pourra être exploité pour produire de la lumière. 2. Dans la lampe à filament, un métal (du tungstène, dont la température de fusion est grande) est chauffé par la traversée d un courant important (c est l effet Joule). Sous l effet de la forte élévation de sa température, il émet de la lumière. Pour que la combustion du métal n ait pas lieu, il est enfermé dans une ampoule privée de dioxygène (on remplace l air par un gaz inerte). 3. Puisque la lumière est produite grâce à une forte élévation de température, une lampe à filament dissipe beaucoup d énergie thermique. Cette énergie perdue représente 95 % de l énergie fournie à la lampe. 11 1. La résistance d un câble de 100 km est R = 6,0 10-2 100 = 6,0 W. La puissance dissipée par effet Joule est donc : P = R I 2 = 6,0 50 2 = 150 00 W = 15 kw. 2. Avec un courant de 50 A, la puissance dissipée par effet Joule atteint une valeur de 25 kw P 25 000 pour une résistance : R 10 W. I2 502 10 Pour obtenir cette résistance, le fil devra avoir une longueur L 1, 7 102 km. 6, 0 10-2 12 1. Les conséquences d une élévation de température trop importante dans un circuit peuvent aller de la destruction d un composant (panne) jusqu au départ d un incendie. 2. Pour recevoir une énergie de 18 J en 1 s, la puissance dissipée par effet Joule doit être : E P D t 18 D 1 18 W. Si on considère que ce fusible a une résistance de 2,0 W, alors le courant maximum admissible pendant une seconde pour ce fusible est : P I = R = 18 2 0 = 3, 0 A., PARTIE 5 Séquence 1 Production et transport de l énergie 169
CoMPÉtEnCE 3 : Interpréter des conversions d énergie 13 1. Faux. Une centrale thermique produit de l énergie à partir d énergie thermique. Cette énergie thermique peut être fournie par la combustion du bois, mais également par d autres combustions (charbon, fioul, gaz de ville), ou bien encore par réaction nucléaire. 2. Vrai. 3. Faux. Pour récupérer l énergie chimique contenue dans la molécule d eau, il faudrait une réaction chimique. Les centrales hydrauliques utilisent l énergie potentielle des réserves d eau contenues en amont des barrages. 4. Faux. Les centrales géothermiques utilisent cette énergie : l eau chauffée par cette chaleur passe à l état de vapeur sous pression et met en rotation une turbine couplée à un alternateur. 14 1. Énergie thermique Soleil, charbon, uranium, biomasse, déchets, gaz Énergie mécanique marée, rivière, vent Énergie lumineuse Soleil 2. Charbon, biomasse, déchets et gaz sont employés dans des centrales thermiques. L uranium est utilisé dans les centrales nucléaires. Le Soleil est exploité à l aide des panneaux photovoltaïques ou bien dans des usines solaires thermiques. La marée fait fonctionner les usines marémotrices. Le vent fait tourner les éoliennes et les centrales hydrauliques (barrages) exploitent l énergie des rivières. 15 1. a. Le réservoir d énergie d une centrale marémotrice est le volume d eau accumulé dans la retenue. b. Il s agit d une énergie potentielle. 2. a. DE élec pompe DE pp réserve d'eau b. eau DE pp chute DE turbine élec alternateur d eau 16 Les centrales qui correspondent au diagramme représenté sont : centrale nucléaire ; centrale au charbon ; centrale au gaz ; four solaire ; centrale à fusion nucléaire ; centrale géothermique ; centrale à bioénergie. 17 «Nevada Solar One» Le Nevada Solar One est une centrale à concentration de l énergie du Soleil construite aux États-Unis. Le schéma ci-dessous présente son principe de fonctionnement. Les miroirs paraboliques concentrent la lumière du Soleil sur un tuyau contenant un fluide. 1. Pourquoi l État du Nevada a-t-il été choisi pour y construire une telle centrale? 2. Représenter la chaîne énergétique depuis le rayonnement solaire jusqu à l alternateur. 3. Pourquoi y a-t-il un «chauffage additionnel»? miroirs paraboliques échangeur thermique chauffage additionnel turbine alternateur fluide caloporteur vapeur tour de refroidissement 170
1. Le Nevada est une région désertique et très chaude des États-Unis. L ensoleillement y est très abondant. L énergie thermique récupérable dans le fluide caloporteur y est abondante. 2. rayonnement solaire fluide turbine alternateur DE élec 3. Un chauffage additionnel a été placé pour chauffer le fluide en l absence de soleil (cela revient alors à une centrale plus «classique»). Cet ajout permet de gérer la production d électricité de façon plus régulière et maîtrisée. 18 1. Un alternateur est constitué de deux pièces : l une fixe, appelée stator et constituée d un enroulement de fils de cuivre, l autre, mobile, est appelée rotor. Le rotor est constitué d un aimant (ou d un électroaimant) qui tourne à l intérieur du stator. Le passage des pôles de l aimant du rotor devant l enroulement de fils de cuivre génère dans ce dernier un courant. 2. Centrales utilisant un alternateur : barrage hydro, centrale nucléaire, centrale hydrolienne, centrale au charbon, tour solaire, centrale au gaz, éolienne, four solaire, centrale à fusion nucléaire, centrale géothermique, centrale à bioénergie. Centrale n utilisant pas d alternateur : centrale solaire photovoltaïque. 19 1. a. La turbine sert à transmettre l énergie cinétique du mouvement de la vapeur sous pression à l alternateur, afin de le mettre en rotation. b. La vapeur sous pression appuie sur les pales de la turbine lors de son passage et la met en rotation. 2. Le réservoir d énergie se trouve dans le cœur du réacteur : c est le combustible nucléaire (uranium ou plutonium). 3. réaction nucléaire fluide turbine alternateur DE élec Exercices de synthèse 20 1. Les câbles s sont de plus en plus souvent enfouis pour des raisons esthétiques et de sécurité (ils sont moins accessibles et donc moins exposés aux incidents d origine humaine, animale ou météorologique). 2. Le coût du métal utilisé dans les câbles enfouis est plus important. Comme il s agit du constituant principal des lignes à haute tension, le coût total est plus élevé dans le cas d une ligne enfouie. 3. Puisqu il conduit mieux l électricité, le cuivre possède une résistance plus faible. De ce fait, la puissance thermique dissipée par effet Joule est plus faible. En fait, l échauffement dû à l effet Joule sur les lignes aériennes est si important qu il interdirait tout enfouissement de tels câbles : la chaleur se dissipe moins sous terre et les conséquences pourraient être alors désastreuses. 21 1. a. La chaleur contenue dans le sol est due à des transformations nucléaires de type radioactivité naturelle. Il s agit pour l essentiel de la désintégration de l uranium, du thorium et du potassium. b. La radioactivité naturelle existe et produit de la chaleur, que l Homme exploite cette chaleur ou non. Cette source peut donc être exploitée sans risque de pénurie. Le noyau de la Terre n est en effet pas près de se refroidir. PARTIE 5 Séquence 1 Production et transport de l énergie 171
2. réaction nucléaire fluide turbine alternateur DE élec 22 1. La chaleur produite dans les centrales thermiques est perdue dans le circuit de refroidissement : de la vapeur d eau s échappe par les tours de refroidissement. 2. Les centrales s actuelles sont éloignées des villes. De ce fait, il se poserait le problème du transport de la chaleur sur de longues distances. 3. source de chaleur fluide turbine alternateur DE élec de chauffage 23 1. a. Le pouvoir calorifique de l essence est DH = 35,5 MJ L -1. b. Ainsi, la combustion de 2,5 L d essence dégage une énergie DE = 2,5 35,5 = 89 MJ. c. 1 Wh = 3 600 J d où DE = 89 MJ = 25 kwh. Puisque seulement 3,6 kwh sont convertis en énergie, ce moyen de production n est pas très rentable : un part importante d énergie (85 %) est dissipée. 2. La combustion de l essence génère de nombreux gaz dont le dioxyde de carbone (gaz à effet de serre), mais également des polluants comme, par exemple, les oxydes d azote (NOx). 3. Pour les raisons citées en 1 et 2, il apparaît que ce n est pas un bon moyen de produire de l énergie à grande échelle. De plus, l essence étant issue du pétrole, il s agit d une ressource non renouvelable. 24 1. Chaque seconde, l énergie thermique libérée par la combustion du combustible est : DE = 500 MJ. Pour trouver la masse de combustible consommé, on divise cette énergie par la densité énergétique de la source. On trouve ainsi : Source Fioul Bois Charbon Gaz naturel Uranium Masse de matière consommée en 1 s 12 kg 25 kg 17 kg 10 kg 6,5 mg 2. Le bois est le combustible le moins intéressant. La consommation est à peu près identique pour toutes les ressources fossiles. La quantité d uranium consommée par seconde est extrêmement faible comparée à toutes les autres sources. 3. source de chaleur fluide turbine alternateur DE élec 25 1. Pour élever la température d un volume V = 1,0 L d eau (soit 1 000 g) de 80 C, il faut fournir une énergie DE = 80 1 000 = 80 000 cal. Soit DE = 80 000 4,18 = 334 kj. Pour fournir cette énergie en 3 minutes, soit 180 s, il faut une puissance : 172
E P D t 334 000 D 1860 W 180 1, 9 kw. 2. Cette puissance peut être fournie par effet Joule (P = R I 2 ), à l aide d une résistance R = 50 W, à condition qu elle soit traversée par un courant d intensité : P I = R = 1860 50 = 6, 1A. 26 A. 1. En un an, une éolienne de ce type fournit une énergie : DE P Dt 1, 5 106 2 000 3 600 11, 1013 J soit DE 11TJ 3, 0 10 9 Wh 3, 0 GWh. 4, 9 1014 2. a. Il faudrait pour cela : n 1, 6 105 éoliennes. 3, 0 109 b. Cela représente une surface S 1, 6 105 1, 0 105 ª 2 10 10 m2 20 000 km 2 (soit une surface plus grande que la superficie de la région Picardie). 3. L autre défaut de cette technique de production est que l énergie ne peut être produite à la demande, elle dépend du vent. B. 1. En un an, un panneau photovoltaïque de 1,6 m 2 reçoit une énergie : DE R 1, 4 106 1, 6 2, 2 106 Wh. DE Il produit donc une énergie : DE R 2, 2 105 Wh 8, 1 108 10 J. 4, 9 1014 2. a. Il faudrait pour cela : n 2, 2 109 panneaux solaires. 2, 2 105 b. Cela représente une surface S 2, 2 109 1, 6 3, 5 109 m2 3 500 km 2 (soit une surface de l ordre de la superficie du département du Haut-Rhin). 3. Comme dans le cas de l éolienne, l autre défaut de cette technique de production est que l énergie ne peut être produite à la demande, elle dépend de l ensoleillement. En route vers la Terminale 27 1. La production d énergie d un panneau photovoltaïque dépend de la quantité d énergie lumineuse qu il reçoit. Ainsi, dans le Midi de la France, l ensoleillement annuel est plus important que dans le Nord de la France. 2. a. Nous avons vu dans la séquence intitulée «Interaction lumière-matière» (partie 1, séquence 4) que l énergie des photons dépendait de leur fréquence. Ainsi, pour un même nombre de photons reçus, il y a un lien entre l énergie reçue par le panneau et la fréquence des photons : les radiations de haute fréquence (ultraviolets, rayons X fournissent plus d énergie). Cependant, pour chaque photon reçu, un électron est mis en mouvement dans le panneau (si l énergie du photon est suffisante). L énergie fournie par le panneau dépend donc surtout du nombre total de photons reçus. b. Si certaines radiations sont stoppées par l atmosphère, il vaut mieux placer le panneau le plus en altitude possible afin d augmenter le nombre de photons reçus : plus la couche d atmosphère à traverser est fine et plus il y a de photons qui traversent. 3. a. On, voit sur le schéma, que la même surface reçoit plus de rayons lumineux si elle est orthogonale aux rayons (6 rayons) que si elle est inclinée par rapport à cette position (4 rayons). On peut montrer que l énergie reçue par la plaque est proportionnelle à sin a où a est l angle que fait la plaque par rapport à la direction des rayons lumineux : le maximum est pour a = 90. panneau solaire rayons de lumière PARTIE 5 Séquence 1 Production et transport de l énergie 173
b. Le fait d orienter le panneau plein sud permet de l orienter de façon symétrique par rapport à la trajectoire du Soleil. De plus, c est lorsque le Soleil est plein sud que l on reçoit un maximum de puissance lumineuse. À ce moment, l orientation du panneau est optimale (voir question a). Soleil SUD panneau solaire trajectoire du Soleil 28 1. L énergie fournie par les éoliennes et les panneaux solaires dépend des conditions météorologiques et ne peut être fournie à la demande. Le fait de pouvoir stocker cette énergie dans ces structures répond à ce problème. 2. a. L énergie est stockée sous forme d énergie potentielle. b. S = 1,0 km 2 = 1,0 10 6 m 2. Le volume de cette tranche est donc : V = 1,0 10 6 20 = 2,0 10 7 m 3. Ainsi, m = 2,0 10 10 kg (car 1 m 3 d eau pèse 1 000 kg). c. DE = 2,0 10 10 9,8 40 = 7,8 10 12 J. 3. Un atoll de 20 km 2 permet de stocker une énergie DE = 20 7,8 10 12 = 1,57 10 14 J. DE 1, 57 1014 Or, E = P t soit : Dt 31 360 s ª 9 h. P 5 109 174