Pile à
combustible, piste cyclable solaire, avion et bateau solaire, bac L ES
2016.
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Pile à combustible. Métropole
Question 1 :
Jules Verne a écrit « l’eau est le charbon de l’avenir » ;
Cocher les bonnes cases
dans le tableau ci-dessous.
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Ressource
d'énergie
non renouvelable
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Ressource
d'énergie
renouvelable
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Ressource
d'origine fossile
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eau
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X
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Charbon
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X
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X
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Question 2 :
Jules Verne décrit le « moteur à eau » dans son roman. Préciser comment
il envisage l’obtention
du dihydrogène.
Production grâce à l'électrolyse de l'eau.
Question 3 :
On s’intéresse à la chaîne énergétique de la pile à combustible.
La pile à combustible
convertit de
l'énergie chimique majoritairement en énergie électrique et
minoritairement en énergie thermique.
Question 4 :
On s’intéresse à la pile à combustible utilisée en région Rhône-Alpes.
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est
utilisé(e)
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est
produit(e)
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L'eau
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X
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Le
dioxygène
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X
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Le dihydrogène
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X
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Grâce
au couplage batterie électrique et pile à combustible, l’autonomie des
voitures électriques,
usuellement comprise entre 120 km et 140 km est alors portée à 300 km.
Cette pile à combustible sera constituée de quatre modules de 5 kW
chacun.
Question 5 :
Calculer en kWh l’énergie produite par les quatre modules de la pile à
combustible
si le véhicule effectue un trajet de deux heures.
4 x5 x2 =40 kWh.
Question 6 :
Les voitures utilisant les piles à combustible sont considérées comme
des véhicules hybrides. Elles
utilisent en effet le dihydrogène de leur pile à combustible comme
source d’énergie chimique pour
alimenter une batterie et un moteur électrique.
Peut-on pour autant les classer dans la catégorie « des véhicules
propres » ? Pour cela, avancer
un argument en leur faveur et un autre en leur défaveur, et conclure
quant au qualificatif proposé
« propre ».
Le véhicule à pile à combustible ne rejette que de l’eau.
Le
dihydrogène issu du méthane par reformage ; en prenant en compte ce
fait, ce véhicule rejette en moyenne 15 à 18 grammes de dioxyde
de carbone par kilomètre alors q'un véhicule essence de taille moyenne
en rejette environ 150 grammes par kilomètre.
Argument favorable : moins de rejet de
dioxyde de carbone.
Argument défavorable : la production de dihydrogène à partir d'énergie
fossile rejette du dioxyde de carbone.
C'est néanmoins une énergie "propre" : elle rejette de l'eau et peu de
dioxyde de carbone.
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Piste cyclable solaire. Amérique du
Sud
Piste cyclable solaire
Les futures routes pourront collecter de l'énergie pour leur propre
usage (régulation
thermique, signalisation, éclairage …) et pour les véhicules
électriques à partir de
dispositifs d'alimentation continue route-véhicules.
Dans le cadre du projet SolaRoad, le TNO (l'organisation néerlandaise
pour la recherche
scientifique appliquée) a ainsi conçu des panneaux de cellules
photovoltaïques recouverts
d'une couche de verre trempé rugueux. Une surface d’un mètre carré d’un
tel panneau
produit en un an 50 kWh (soit environ 1 % de la consommation électrique
annuelle
moyenne d’un foyer).
Une piste cyclable de 100 m de long et 4 mètres de large en a été
équipée en 2014 à
Krommenie au Pays-Bas.
Question 1 :
Recopiez et complétez le schéma énergétique suivant :
Question 2 :
Combien de foyers pourraient être alimentés par l’énergie fournie par
cette piste cyclable
pendant un an ?
Surface de la piste : 100 x 4 = 400 m2.
Energie électrique produite : 400 x50 =2 104 kWh.
Nombre de foyers : 2 104 x0,01 = 200.
Question 3 :
Une portion de voie rapide à 4 voies d’environ trente kilomètres
équipée de ce système
produirait en moyenne quotidiennement 60 000 kWh. Une voiture
électrique consomme en
moyenne 3 kWh par jour. Des agglomérations songent à mettre en place de
tels
équipements. Discuter de la pertinence de ce choix du point de vue
énergétique et
environnemental.
Nombre de voitures électriques pouvant être rechargées chaque jour :
60 000 / 3 =20 000.
Nombre de véhicules circulant chaque jour dans une ville de 240
00 habitants : 130 000.
Cette énergie permettrait la recharge d'une voiture sur 6 environ.
Avantages d'une route solaire :
Se pose sur la chaussée existante, sans reconstruction de la route.
Idéal pour l'électrification de zone isolée.
Utilisation d'une surface déja utilisée pour le transport, un atout par
rapport aux centrales solaires.
Diminution de l'émission de dioxyde de carbone par l'utilisation de
nombreuses voitures électriques.
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Avion et bateau solaires. Asie.
Le PlanetSolar »
Le « PlanetSolar » est le plus grand bateau solaire au monde. Ce
catamaran fonctionne uniquement grâce à
l’énergie du soleil capturée par ses 512 m² de cellules
photovoltaïques.
Plusieurs mois de recherches ont permis de déterminer les dimensions et
le design idéal de ce navire destiné en
premier lieu à parcourir les mers d’Est en Ouest. Les ingénieurs ont dû
optimiser la collecte et le stockage de
l’énergie mais aussi l’aérodynamique, la propulsion du bateau et le
choix des matériaux.
Puissance moyenne consommée : 20 kW.
« Le Solar Impulse 2 »
D’une envergure gigantesque équivalente à celle d’un Airbus A340, le
prototype présente des caractéristiques de
construction et d’aérodynamisme jamais rencontrées jusqu’ici qui le
placent dans un domaine de vol encore
inexploré : voler sans carburant mais avec le rayonnement solaire comme
unique source d’énergie de propulsion.
Une surface de 1 m2 de cellules photovoltaïques reçoit du soleil en
moyenne sur 24 h une puissance de 250 W.
Question 1 :
Recopiez et complétez la chaîne énergétique commune aux deux dispositifs présentés puis indiquez
quelle est l’énergie dégradée.
L'énergie thermique est l'énergie dégradée.
Question 2 :
Calculez l’énergie solaire fournie en 24 h à une surface de 1 m² de cellules photovoltaïques de Solar
Impulse 2. Exprimez cette énergie dans deux unités différentes.
250 x24 =6,0 103 Wh = 6 kWh ou 6 x3,6 103 =2,16 104 kJ.
Question 3 :
Si on considère que la puissance solaire fournie est identique pour une même surface de cellules
photovoltaïques installées sur l’avion ou le bateau, évaluez le rendement de la chaîne énergétique de
« Planet Solar ».
Le rendement h est défini par : Putile / Preçue .
Preçue : 250 x750 = 1,875 105 W = 187,5 kW.
P utile : 20 kW ; rendement : 20 / 187,5 ~0,11.
Question 4 : Développez deux arguments scientifiques en faveur de l’idée qu’un tel
défi représente une « solution d’avenir en termes environnementaux ».
Pas de consommation d'énergies fossiles et pas d'émission de dioxyde de carbone.
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Toile solaire photovoltaïque. Polynésie
M et Mme X possèdent un camping-car.
Afin d’augmenter leur autonomie en électricité lors de leurs différents
voyages, ils décident d’équiper leur véhicule d’une toile de store solaire
photovoltaïque de surface S = 3 m².
Cette toile de store permet de
produire de l’ombre tout en générant de l’électricité. L’idée de créer un store
utilisant une ressource d’énergie renouvelable est née du partenariat entre une
société spécialisée dans la fabrication de textiles techniques et une école
d’ingénieurs.
La toile de store, résistante mais souple, intègre des cellules photovoltaïques
souples et ultrafines. L’électricité générée peut être revendue à EDF ou
stockée dans un accumulateur pour un usage ultérieur.
Cette toile peut aussi bien équiper les maisons individuelles que les camping-cars
pour permettre d’augmenter l’autonomie en électricité.
Caractéristiques techniques de la
toile :
épaisseur : ~ 1 mm ; masse de 1 m2 : 900 g ; puissance fournie 40 W m-2.
Question 1. Recopiez
et complétez sur votre copie les chaînes énergétiques correspondant au
fonctionnement de la toile solaire photovoltaïque et de l’accumulateur en phase
de stockage
Question 2. Expliquer en quoi la ressource utilisée par la toile est renouvelable.
L'utilisation de capteurs photovoltaïques n'entamme pas les réserves énergétiques du soleil.
Question 3. En supposant que la toile est dépliée et ensoleillée 4 h par jour, calculer l'énergie produite quotidiennement.
3 x4 x 40 = 480 Wh.
Question 4. Discuter de l'intérêt du dispositif.
Besoins énergétique quotidien de deux personnes en camping-car : 12 000 Wh..
La toile solaire couvre 4 % des besoins énergétiques et les capteurs ont une durée de vie de 20 ans.
L'économie d'énergie ne permet sans doute pas de couvrir les frais d'achat de cette toile.
Par contre dans une région plus ensoleiillée ( 6 h par jour) et avec une toile de 10 m2, on économiserait 6 x10x40=2400 Wh ( 20 %) d'énergie.
Cela devient plus interressant financièrement ; de plus on diminuerait d'autant les émissions de CO2.
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