Cellule solaire, l'arbre à vent, le chauffage nucléaire, centrale hydro-éolienne. Bac L, ES 2015

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Métropole.
Les cellules solaires traditionnelles convertissent la lumière en électricité en exploitant l'effet photovoltaïque. Un professeur de l'université de Tokyo a mis au point des cellules photovoltaïques capables de stocker l'électricité. Il en a fait des objets de décoration. Une cellule solaire nomée "Annabelle", du nom d'une variété d'hortensia, ressemble à un tableau représentant cette fleur dont les pétales bleuissent au soleil. Au delà de ce changement de couleur, cette cellule est capable de stocker de l'énergie, et permet de recharger deux fois un téléphone portable. Une fois que la cellule est vidée de son énergie, les pétales bleus des motifs floraux de la cellule du tableau deviennent blancs. ( d'après techniques de l'ingénieur - vite s'informer - 21 août 2014).
Indiquer si la ressource énergétique utilisée par les cellules solaires est renouvelable ou no-renouvelable. Justifier.
L'énergie solaire est renouvelable : son utilisation n'entame pas les réserves énergétiques contenues dans le soleil.
Compléter la chaîne énergétique ci dessous.

L'énergie moyenne stockée par un téléphone portable chargé à 100 % est de 20 Wh. Certaines applications nécessitent une puissance de 2 W. Calculer la durée d'utilisation dans ces conditions.
Puissance ( W) fois durée ( heure) = énergie ( Wh).
Durée = 20 / 2 = 10 heures.
 Calculer l'énergie qu'une cellule solaire "Annabelle" est capable de stocker.
Cette cellule solaire est capable de recharger deux fois le téléphone portable. Elle peut donc stocker 40 Wh.
Le thorium, futur nucléaire vert ?
Infiniment plus abondant dans la nature que l'uranium 235 fissile usuellement utilisé, le thorium peut être transformé par une suite de réactions nucléaires, en uranium 233, également fissile. D'où l'idée de développer des réacteurs surgénérateurs fonctionnant qu thorium, ce qui résoudrait tous les problèmes de ressources énergétiques pour le dix siècles à venir. Ce type de réacteur réduirait la production de déchets à vie longue. Les déchets produits par les réacteurs au thorium sont radioactifs pendant 10 à 15 ans seulement dans leur grande majorité, et seule une fraction de 0,01 % est radioactive pendant des milliers d'années. ( Institut polytechnique Grenoble).
Définir le terme isotope.
Des isotopes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons ; ils ont le même numéro atomique Z.
Une suite de ractions nucléaires permet  de faire passer le thorium 232  à une forme fissile de l'uranium. La première de ces réactions correspond à l'équation ci-dessous :
23290Th  +10n --->
AZTh .
Déterminer A et Z.Justifier.
Conservation de la charge : 90 +0 = Z ; conservation du nombre de nucléons : 232 +1 = A ; A = 233.

Citer un des avantages majeurs que présente l'utilisation du thorium 232.
Le thorium 232 est beaucoup plus abondant que l'uranium 235 et les déchets radioactifs issus de cette filière ont, majoritairement, une durée de vie courte.
Indiquer si l'expression " futur nucléaire vert" est approprié.
Le mot nucléaire fait penser aux bombes nucléaires, aux accidents nucléaires ainsi qu' à la gestion de déchets radioactifs. Le mot vert fait référence à la nature et aux énergies renouvelables. L'expression n'est pas appropriée.




Asie. L'arbre à vent.
C'est un système de production d'électricité en forme d'arbre. Haut de 8 m avec un tronc en acier, ces branches comportent 80 à 100 feuilles en plastique injecté, existant en trois teinte de vert, qui remplacent les pales classiques. Les feuilles font office de mini-éolienne.

Arbre à vent Eolienne
Vitesse du vent nécessaire
pour un fonctionnement optimal
supérieur à 7 km/h compris entre 50 et 90 km/h
Puissance moyenne 2,5 kW 1800 kW
Hauteur 8 m 80 m
Coût d'achat approximatif 20 000 € 3 millions d'euros
Compléter la chaîne énergétique correspondant au fonctionnement d'une des feuilles de l'arbre à vent.


Le concepteur envisage d'installer des arbres à vent dans les rues. Calculez le nombre de réverbères consommant une puissance P = 100 W qui pourraient être alimenter par un seul arbre.
2,5 kW = 2500 W ; 2500 / 100 = 25.
Calculer l'énergie produite par l'arbre à vent en un jour  s'il fonctionne 10 heures par jour.
Energie ( kWh) = puissance (kW) fois durée ( heure) = 2,5 *10 = 25 kWh.
Epliquer la phrase " Avec l'arbre à vent,on pourrait presque dire que c'est la fin de l'intermittence de l'éolien".
Une éolienne ne fonctionne que si la vitesse du vent est comprise entre 50 et 90 km/h. Elle doit être installée dans des endroits où le vent atteignant ces vitesses est fréquent. Elle ne fonctionne donc qu'une partie du temps et est souvent à l'arrêt.
L'arbre à vent fonctionne dès que la vitesse du vent dépasse 7 km /h. Cela est fréquent dans de nombreux endroits.
Expliquer pourquoi l'arbre à vent peut contribuer à la diminution de l'effet de serre.
L'arbre à vent produit de l'électricité à partir d'une énergie renouvelable, le vent. Il ne produit pas de dioxyde de carbone, principal gaz à effet  de serre.




Centres étrangers : le chaufage nucléaire.
Sur l'énergie produite par la fission des atomes dans un réacteur nucléaire, un tiers seulement est récupéré en énergie électrique. Les deux tiers restants se perdent dans la nature, la chaleur non récupérée étant rejetée dans l'air ou dans les fleuves et les océans bordant les centrales. Au lieu de la rejeter, on pourrait l'exploiter , en cogénération, pour le chauffage urbain ou l'industrie et vite subvenir à la moitié de la consommation de la France en chauffage. L'investissement serait de l'ordre de 20 milliards d'euros, mais le gain réalisé sur les achats d'hydrocarbures qui alimentent les réseaux de chaleur serait d'environ 10 milliards par an. Cela procurerait aux utilisateurs un chauffage à très bas prix, tout en contribuant à la décarbonisation de l'économie. Sortir du nucléaire est une hérésie. Les risques inhérents au nucléaire resteraient entiers, à commencer par la production de déchets radioactifs et la pollution provoquée par l'extraction de l'uranium. ( Pierre de Hir, le Monde 30 octobre 2013).
Expliquer pourquoi les ressources fissiles ne peuvent pas être considérées comme une source d'énergie renouvelable.
Les ressources fissiles ne se renouvellent pas ; leur utilisation contribue à leur diminution, voir à leur disparition à moyen terme.
Choississez l'équation de la réaction nucléaire à l'origine de la production d'énergie dans une centrale nucléaire.
Fission de l'uranium 235 sous l'action d'un neutron : 23592 U + 
10n ---> 9236 Kr +14156 Ba + 3 10n .
Expliquer le passage souligné ci-dessus.
Certains déchets radioactifs produits par les centrales nucléaires depuis 40 ans, ont une durée de vie longue ( plusieurs milliers d'années). Leurs gestion et leur stockage  durera de nombreux siècles, après l'arrêt des réacteurs nucléaires.
Expliquer en quoi consiste la cogénération nucléaire.
Un tiers de la chaleur produite est convertie en électricité. Plutôt que de rejeter  les deux tiers restants, on pourrait l'utiliser  pour le chauffage urbain et industriel.
Une centrale nucléaire est constituées de deux réacteurs produisant chacun une puissance électrique maximale de 1,30 103 MW. Montrer qu'une telle centrale peut produire en un an une énergie thermique maximale  supérieure à 45 106 MWh.
Puissance électrique de la centrale : 2*1,30 103 = 2,60 103 MW.
Puissance thermique rejetée de la centrale: 2*
2,60 103 = 5,2 103 MW.
Dans une années il y a  : 365*24 =8760 heures.
Energie ( MWh) = puissance (MW) *durée ( heure).
5,2 103 *8760 =4,5 107 MWh.

Pondichéry : centrale hydro-éolienne.
La centrale associe des éoliennes ayant  chacune une puissance  moyenne de 2 MW et une station de transfert  d'énergie par pompage ( STEP) constituée de deux bassins, l'un 700 m au dessus du nieau de la mer, l'autre 650 m plus bas.le parc éolien, d'une puissance moyenne totale de 10 MW, couvrira amplement la demande en électricité de 10 000 habitants de cette île ainsi que celle des usines de dessalement de l'eau de mer. L'exès d'éléctricité produite servira à propulser l'eau de mer du bassin inférieur vers le supérieur de la STEP. Et en cas de nécessité, l'énergie hydraulique prendra le relais, en relâchant l'eau dans un bassin.

Calculer le nombre d'éoliennes installées :
Puissance totale / puissance d'une éolienne = 10 / 2 = 5.
Compléter le schéma énergétique correspondant au fonctionnement d'une éolienne et de la STEP.


En supposant que le parc éolien fonctionne 12 h par jour pendant 300 jours par an, calculer l'énergie électrique produite annuellement.
Durée de fonctionnement : 12*300 = 3600 heures.
Energie électrique ( MWh) = puissance électrique ( MW) fois durée ( heure) = 10*3600 = 3,6 104 MWh.
La consommation annuelle d'électricité est de 2, 5 MWh par habitant. Montrer que le parc éolien est suffisant pour couvrir les besoins.
Energie consommée par an par les habitants : 2,5 *10 000 = 2,5 104 MWhL'énergie consommée est inférieure à celle produite.
Expliquer en quoi l'association du parc éolien et de la STEP va permettre à l'île de devenir totalement autonome en électricité.
Pomper l'eau vers un réservoir en altitude est un moyen de stocker l'énergie électrique excédentaire. En absence de vent, l'énergie électrique sera produite par les turbo-alternateurs d'une centrale hydraulique. L'île, suffisamment ventée, sera autonome en énergie électrique



  

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