Aurélie 19/10/11
 

 

    Le superéthanol E85, pile à combustible et voiture électrique : BTS AVA expert 2011.

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Le super éthanol E85.
L'éthanol est un biocarburant issude cultures végétales ( betteraves, canne à sucre, céréales...) qui constitue une alternative possible à l'essence traditionnelle.
L'utilisation de l'éthanol pur comme carburant pose un certains nombre de difficultés, notamment de démarrage à froid. C'est pourquoi, en Europe, on le trouve mélangé à de l'esence. Cependant, l'utilisation de ce type de carburant dans un véhicule "flex-fuel" qui peut utiliser 2 ou 3 type de carburant ) entraîne une surconsommation par rapport à l'essence pure.
On donne le graphique donnant la surconsommation du moteur en fonction du pourcentage volumique d'éthanol dans le carburant.
Le superéthanol E85 est constitué en volume de 85 % d'éthanol et de 15 % d'essence.
Déterminer graphiquement le pourcentage de surconsommation lié à l'utilisation du biocarburant E85.

Justifier qu'il ne serait pas judicieux de dépasser la valeur de 85 %.
La surconsommation croît très rapidement, le graphe se rapproche de la verticale.
Un constructeur indique une consommation moyenne de 6,80 L aux 100 km pour une véhicule "flex-fuel" fonctionnant à l'essence.
En déduire sa consommation moyenne pour un fonctionnement au carburant E85.
6,80 *1,37 = 9,316~9,3 L.
L'essence est principalement constituée d'octane C8H18.
On donne l'équation de la réaction de combustion complète de l'octane :
2
C8H18 + 25O2 ---> 16 CO2 + 18 H2O.
L'éthanol a pour formule C2H6O.
Ecrire l'équation complète de 2 moles d'éthanol.
2
C2H6O +6O2 ---> 4 CO2 + 6 H2O.
En déduire que la combustion d'une mole d'octane rejette davantage de dioxyde de carbone que celle d'une mole d'éthanol.
Une mole d'octane libère 8 moles de
CO2. Une mole d'éthanol libère seulement 2 moles de CO2.

On donne les masses de dioxyde de carbone rejeté lors de la combustion d'un litre d'essence et d'éthanol ainsi que les pourcentages volumiques des combustibles présents dans le carburant E85.
Combustible essence éthanol
Rejet de CO2 en gramme par litre consommé 2310 1520
Pourcentage volumique dans le superéthanol E85 15% 85%
Calculer la masse de dioxyde de carbone rejeté par litre de carburant E85 consommé.
2310*0,15 + 1520 * 0,85 = 346,5 + 1292 = 1638,5 ~1,6 103 g ~ 1,6 kg.
Calculer la masse de CO2 rejeté ( en kg ) pour 100 km parcourus par un véhicule utilisant de l'essence.
6,8 L d'essence sont consommés : 6,80 *2,31 =15,708~15,7 kg.
Calculer la masse de CO2 rejeté ( en kg ) pour 100 km parcourus par un véhicule utilisant de du carburant E85.
9,3 L de carburant E85 sont consommés : 9,316 *1,638 =15,26 ~15,3 kg.
En déduire la différence de rejet de CO2 pour 100 km parcourus.
15,708 -15,26 =0,448 ~ 0,45 kg de moins pour le carburant E85. A cela, il faut tenir compte du fait que
betteraves, canne à sucre, céréales ont fixé du dioxyde de carbone lors de leur croissance.
Pour un parc automobile de 20 millions de véhicules parcourant en moyenne 20 000 km par an chacun, calculer la masse de dioxyde de carbone  ( en millions de tonnes ) qui  ne sera pas rejeté dans l'atmosphère si on utilise le carburant E85.
20 000 km = 200 * 100 km ; 0,448 kg = 0,448 10-3 t.
20 *200 *
0,448 10-3  = 1,8 millions de tonnes.


La pile à combustible.
La pile à combustible est un générateur intéressant dans la mesure où elle ne rejette que de l'eau. Il s'agit de produire de l'énergie électrique en réalisant la synthèse de l'eau suivant l'équation chimique :
2H2(g) +O2(g) ---> 2H2O(l).
On étudie un véhicule muni d'une telle pile alimentant un moteur électrique.
Le dihydrogène est stocké sous forme gazeuse dans un réservoir en matériau composite et sera assimilé à un gaz parfait. On donne la constante des gaz parfaits R = 8,31 J mol-1 K-1. Ce gaz est stocké dans un réservoir de volume V = 0,150 m3 à la température ambiante q = 20°C sous une pression p = 410 bars.
Montrer que la quantité de matière de dihydrogène est n = 2,53 103 mol.
PV = nRT avec P = 4,10 107 Pa ; T = 273+20 = 293 K.
n = PV / (RT) =
4,10 107 *0,150 / (8,31 *293) =2,5258 103 ~2,53 103 moles.
Calculer la masse de dihydrogène. M(H2) = 2,00 g/mol.
m = n
M(H2) =2,5258 103 *2,00 =5,0517 103 g ~5,05 kg.
La réaction de synthèse de l'eau libère une énergie de 120 MJ par kg de dihydrogène consommé.
Calculer l'énergie électrique totale susceptible d'être produite par la pile après utilisation totale du dihydrogène contenu dans le réservoir.
120 *5,0517 =606,2 ~606 MJ.




On souhaite évaluer l'autonomie du véhicule lors d'un trajet à vitesse constante v = 110 km / k. l'énergie dépensée pour faire avancer le véhicule vient alors compenser l'énergie perdue par frottements. La valeur de la force de frottement est f = 400 N.
Montrer que la puissance développée par le moteur au cours du trajet est Pu = 12,2 kW
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Pu = f v avec v = 110 / 3,6 = 30,555 m/s.
Pu =400 *30,555 =1,22 104 = 12,2 kW.
A cette vitesse, on considère que l'ensemble "pile moteur, transmission " a un rendement de 35%..
Calculer l'énergie mécanique utile.
606,2*0,35 =212,17 ~ 212 MJ.
En déduire la durée maximale ( en heures )  du trajet effectué à 110 km/h.
212,17 MJ = 2,1217 106 J ; durée =
2,1217 108  / 1,22 104  = 1,739 104 s ~4,83 heures.
On s'intéresse à l'utilisation de la pile à combustible pour un parc automobile de 20 millions de véhicules parcourant en moyenne 20 000 km par an.
Calculer le volume de dihydrogène ( millions de m3 ) nécessaire en une année pour l'ensemble des véhicules.
Ce volume est calculé sous une pression de 410 bars.
20 *20 000 / 531 =753,3 millions de réservoirs pleins soit 753,3 *0,150 ~  113 millions de m3.
Donner le nom de la technique industrielle la plus courante de production de dihydrogène.
Il est produit principalement par reformage de combustibles fossiles ou par électrolyse de l'eau. Le principal procédé est le vaporeformage du méthane sous l'effet de la vapeur d'eau.
Quel inconvénient majeur présente la production massive de ce gaz ?
Le mélange dihydrogène - air est explosif, pratiquement en toutes proportions..









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