Le défi énergétique, sciences, Bac L, ES  2018

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Un puits canadien.  Métropole.
Dans le cadre de la loi sur la transition énergétique, on doit réduire la consommation énergétique des bâtiments. Pour cela, certains particuliers installent chez eux des puits canadiens.
À seulement quelques mètres de profondeur, la température du sol est d’environ 12 °C(1) toute l’année contrairement à l’air extérieur dont la température peut varier entre - 20 °C et 35 °C(1).
(1) Données pour la France métropolitaine.
Le principe simplifié du puits canadien est de faire passer de l’air extérieur dans un tuyau enterré d’une longueur d’environ 30 mètres où il se réchauffera en hiver ou se refroidira en été.

Source : d’après http://www.criirad.org.
Question 1.
Parmi les propositions ci-dessous, identifier celle qui correspond à la désintégration spontanée du radon 22286Rn
Proposition A :
22286Rn ---> 21884Po + 42He. Vrai.
La conservation de la charge est respectée : 86 = 84 +2.
La conservation du nombre de nucléons est respectée : 222 = 218 +4.
Cet élément radioactif se désintègre en émettant un rayonnement alpha.
Proposition B : 23892U ---> 22286Rn +4 42He + 20-1e.
Il s'agit de la désintégration de l'uranium et non pas celle du radon.
Proposition C : 22286Rn + 42He.---> 22688Ra.
Il ne s'agit pas d'une désintégration qpontanée.

Question 2 Question 2
Déterminer le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs de radon initialement présents se désintègrent.


Question 3.
Le propriétaire d’une maison d’une surface de 75 m² utilisait en moyenne par hiver une énergie de 8 000 kWh pour se chauffer. Cette énergie était fournie par une chaudière électrique d’une puissance de 20 kW. Il a fait installer un puits canadien et fait un premier bilan après l’hiver.
Sa chaudière électrique a fonctionné 40 heures de moins qu’auparavant durant la période hivernale.
3.1. Donner l’expression littérale reliant les grandeurs énergie et puissance.
Energie ( kWh) = Puissance ( kW) x durée ( h).
3.2. Montrer par un calcul que le gain énergétique réalisé est de 800 kWh.
20 x40 = 800 kWh.
3.3. Commenter le résultat obtenu.
L'économie d'énergie est d'environ 10 %. Le puits canadien peut être amorti assez rapidement.

Question 4.
Citer un avantage et un inconvénient d’installer un puits canadien. Justifier brièvement.
Avantage : économie d'énergie.
Inconvénient :En construisant une maison neuve, on prévoit d'enterrer 30 m de tuyau  dans le sol. Ce n'est pas toujours possible dans une maison ancienne.
Entretien difficile de la partie souterraine ; émanationss de radon, humidité stagnante.


 



Le réseau életrique de l'île de Graciosa. Polynésie.
L'&lzctricité est produite grâce à une centrale photovoltaïque d'une puissance maximale de 1 MW et d'un parc éolien d'une puissance maximale de 4,5 MW. A cet ensemble est associé un système de batteries capable de stocker une énergie de 3,2 MWh. ce système permet de gérer efficassement l'énergie électrique issue des panneaux photovoltaïques et des éoliennes sans l'injecter directement dans le réseau électrique.
 Les habitants consomment 13,5 GWh par an, ce qui correspond à une puissance moyenne consommée de 1,5 MW. Actuellement les deux tiers de  cette énergie sont issus de ressources en énergies renouvelables.
On cherche à savoir si le micro-réseau de cette île peut renndre l'île complètement indépendante.
Question 1. Indiquer deux problèmes liés à l'utilisation des ressources  en énergies fossiles.
Les énergies fossiles s'épuissent, ne se renouvellant pas.
De plus leurs combustions produit du dioxyde de  carbone, gaz à effet  de serre, qui contribue au réchauffement global de la planète.
Question 2  Calculer l'énergie électrique , issues des ressources en énergies renouvelables consommée sur cette île en une année.
13,5 x 2 / 3 = 9 GWh.
Question 3. Discuter de l'intérêt de l'association d'une cenntrale photovoltaïque  avec un parc éolien ainsi que des batteries.
Lorsqu'il fait soleil et lorsqu'il y a du vent, l'excès d'énergie électrique produite est stockée dans les batteries.
En l'absence  de vent ou de soleil ( la nuit par exemple), les batteries restituent l'énergie électrique stockée.
Question 4. Compléter le schéma de la chaîne énergétique du réseau électrique de l'île, lorsque les batteries se chargent en y plaçant les différentes formes d'énergie.

Question 5. Calculer la durée moyenne d'autonomie électrique  de l'île lorsque les batteries sont entierement chargées et lorsqu'elles fournissent seules l'énergie électrique aux habitants.
Les batteries sont capable de stocker une énergie de 3,2 MWh.
La puissance moyenne consommée est de 1,5 MW.
Durée d'autonomie : 3,2 / 1,5 = 2,1 heures.
Question 6. Proposer une évolution du réseau, respectueuse de l'environnement, pour accroître l'autonomie de l'île.
Le principe des barrages appliqué en mer.

---> Réseaux électriques, les flèches indiquent le sens des déplacements.
-->  Sens des déplacements d'eau.
1 : fonctionnement en période de forte demande en électricité et de faible production des éoliennes. L'eau de mer remplit l'atoll en passant par les turbines.
2. Fonctionnement en période de faible demande en électricité et de forte production des éoliennes. Des pompes électriques vident le réservoir de l'atoll.
D'après les Echos le 24 / 09 / 2009.
 Le réservoir de l'atoll est utilisé pour cultiver des algues, dont le rôle est à la fois d’absorber du dioxyde de carbone CO2 lors de leur croissance et de servir de matière première pour la fabrication de biocarburants.





Die Energiewende, la transition énergétique allemande. Liban.
Suite à l'accident nucléaire de Fukushima au Japon en 2011 l'Allemagne a engagé un processus de transition énergétique avec les objectifs suivants : réduire la consommation d’énergie, sortir définitivement du nucléaire en fermant ses dernières centrales en 2022 et développer les énergies renouvelables. Une des conséquences de ce processus de transition est le passage d'une production électrique basée sur les ressources en énergie fossiles vers une production basée sur les ressources en énergie renouvelables.
D’après www.latribune.fr/opinions/tribunes/20140425trib000826956/les-consequence-de-la-transition-energetique-en-allemagne.html (consulté le 15 juillet 2017)
Question 1.1  Définir l’expression « ressource d’énergie renouvelable » et donner trois exemples.
L'énergie solaire, l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne sont des énergies renouvelables. Elles sont inépuisables et se renouvellent naturellement est rapidement. Le pétrole, le charbon sont des énergies fossiles qui s'épuisent.
Question 1.2 À partir du graphique, comparer quantitativement la part des ressources fossiles et la part des ressources renouvelables.

Energie renouvelable + hydraulique + biomasse = 24 +3 +7 = 34 %.
Energies d'origine fossile : (gaz + fioul +charbon) = 9+1+42=52 %.
Question 2.1. Citer un inconvénient de la production d’énergie électrique par voie éolienne et en déduire un intérêt de la centrale hybride de Prenzlau.
L'énergie éolienne ne fournit de l'électricité que lorsqu'il a du vent ( production intermittante ).
En cas de vent  fort, ( excès de production électrique ) la centrale hybride produit du dihydrogène par électrolyse de l'eau. Le dihydrogène est stocké, mélangé à du biogaz.
En cas de vent faible, ce mélange  est utilisé par les centrales de cogénération pour produire de l'électricité.
2.2. Reporter les lettres A, B, C, D et E figurant sur le schéma de la centrale. Face à chacune de ces lettres, inscrire l’expression qui lui correspond parmi la liste suivante : centrales de cogénération, énergie électrique, réseau électrique, énergie thermique.
Une même expression pourra être utilisée plusieurs fois.

Question 3. Sachant que la consommation annuelle moyenne d’énergie thermique d’une maison individuelle avoisine les 40 MWh, estimer le nombre de maisons potentiellement alimentées grâce à une centrale de cogénération.
1 année est estimée à 9 000 heures.
La puissance thermique moyenne  des deux centrales de cogénération est Pth =2 x 0,40  =0,80 MW.
Energie correspondante : 0,80 x 9000 = 7200 MWh.
Nombre de maisons : 7200 / 40 =180.

La centrale Romanche-Gavet. Pondichéry.

La caverne centrale contient les turbines et l’alternateur.
Question 1 : Définir le caractère renouvelable d’une ressource d’énergie et en citer deux exemples.
L'énergie solaire, l'énergie hydraulique, l'énergie éolienne sont des énergies renouvelables. Elles sont inépuisables et se renouvellent naturellement est rapidement. Le pétrole, le charbon sont des énergies fossiles qui s'épuisent.
Question 2 :
Reproduire puis compléter la chaîne énergétique suivante correspondant au fonctionnement simplifié de cette centrale hydroélectrique en identifiant la forme d'énergie dans chaque rectangle :

Question 3 : Les centrales hydroélectriques ne produisent pas de l’énergie en continu.
3a) En moyenne quelle est la durée de fonctionnement (en heure) à plein régime de l’ancienne installation durant une année ?
Une puissance de 82 MW* pour une production énergétique annuelle moyenne de l’ordre de 405 GWh**.
Enérgie ( MWh) / puissance ( MW) = 405 x 1000 / 82 = 4939 heures.
3b) En considérant que la nouvelle centrale fonctionne environ 254 jours par an, calculer l’énergie qu’elle pourra produire sur une année.
Puissance électrique : 92 MW.
Energie (MWh) = puissance ( MW) x durée (heure)=: 92 x 254 x24 = 5,6 105 MWh = 560 GWh..
Question 4 :  Les avantages présentés de cette nouvelle centrale sont-ils justifiés ?
Plus puissant, mieux intégré au paysage et respectueux de l’environnement, les avantages de cette nouvelle centrale sont justifiés.

Les centrales thermiques. USA.
Question 1. Dans le schéma énergétique suivant, associer à chaque numéro la forme d'énergie mise en jeu.

Question 2.
2.1. les centrales thermiques à combustible nucléaire font intervenir la réaction de fission. Définir ce terme.
Des atomes d'uranium instables, bombardés par des neutrons, se cassent en deux atomes plus petits, en libérant de l'énnergie.
2.2. Parmi les équations suivantes, reconnaître l'équation modélisant un exemple de fission. Nommer la réaction modélisée par l'autre équation.

Question 3. Poser le calcul qui permettrait de déterminer l'énergie électrique maximale que la centrale de Gol peut fournir pendant la période sucrière.
la période sucrière s'étale du 1er juillet au 31 décembre. Soit 6 mois ou environ 6 x30x24=4320 heures.
Puissance maximale 95 MW.
Energie ( MWh) = puissance ( MW) x durée (heures) = 95 x4320 = 4,1 105 MWh.
Question 4.
4.1. Nommer le type de transformation chimique qui intervient dans cette centrale.
Réaction de combustion.
4.2. Le glucose de formule C6H12O6 que l'on retrouve dans la bagasse subit cette transformation. Quels sont les produits de  cette réaction chimique ?
Eau et dioxyde de carbone.
Question 5. Donner un onconvénient majeur sur le plan environnemental de chaque type de centrale .
Les centrales nucléaires produisent des déchets radioactifs qu'il faut stocker et surveiller pendant des millénaires.
Les centrales thermiques à combustibles fossiles produisent du dioxyde de carbone, gaz à effet de serre.