Un refuge autonome en énergie, bac STI2D biotechnologies Antilles  2019. En poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres d’intérêts. . . ...... ..... Partie A : Chaudière à gazéification Une chaudière très performante, dite à gazéification, permet de fournir une partie du chauffage et de l’eau chaude du refuge. Les fumées sont comprimées afin d’augmenter le rendement et d’élever la température de combustion à 1 600°C. Cette chaudière polycombustible, alimentée la plupart du temps au bois, est aussi utilisée pour incinérer les déchets du refuge. La haute température de combustion permet de brûler carton, papier et plastique ainsi réutilisés pour produire de l’énergie thermique. A.1. Fonctionnement technique La « gazéification » désigne une transformation thermochimique consistant à décomposer par chauffage un solide combustible carboné (charbon, biomasse) en présence de gaz dans le but d’obtenir un mélange gazeux combustible. La réaction de gazéification se passe dans des conditions de température très élevée (plus de 1 000°C). Le gaz de synthèse obtenu à la fin, appelé « syngas » (pour « synthetic gas »), est un mélange de deux gaz combustibles : le monoxyde de carbone (CO) et le dihydrogène (H2). Quatre étapes successives, fortement couplées, sont nécessaires. A.1.1. Quelle étape du processus de gazéification est exothermique ? A.1.2. Quel est son rôle ? L'oxydation des gaz de pyrolyse génère une énergie thermique suffisante à la gazéification. A.1.3. L’un des gaz de pyrolyse produit est le méthane (CH4). Vous écrirez l’équation chimique traduisant la combustion complète de ce gaz. CH4 + 2O2 ---> CO2 +2H2O. A.1.4. Expliquez l’intérêt de l’étape 1 du processus de gazéification. Séchage de la matière humide pour obtenir de la vapeur d'eau. Dans le refuge, dix randonneurs vont prendre une douche. Il faut brûler du bois dans la chaudière pour que tous puissent avoir de l’eau chaude. Données : Volume d’eau utilisé pour une douche en 5 min : V = 65 L Température de l’eau de la douche : θ1 = 38,0 °C Température de l’eau entrant dans la chaudière : θ2 = 6,0 °C Masse volumique de l’eau : ρeau = 1,0 kg.L–1. Capacité thermique massique de l’eau : ceau = 4,18 kJ.kg–1.°C–1 Énergie échangée par un corps lors d’une variation de température : Q = m.c.Δθ 1 W.h = 3600 J. A.1.5. Quelle énergie (en joule) est nécessaire pour que 10 personnes puissent prendre une douche ? Q = 65 x10  x4,18 ( 38-6,0) =8,6944 104 ~8,7 104 kJ. A.1.6. Montrez que cette énergie a pour valeur 24 kW.h. 8,7 104 / 3600 ~24 kWh. A.1.7. Vous déterminerez l’énergie nécessaire à la chaudière à bois de modèle G35 pour fournir l’eau chaude nécessaire à ces douches. Rendement de cette chaudière : 85 %. 24 / 0,85 ~28 kWh. A.1.8. Vous calculerez le temps nécessaire à cette même chaudière pour fournir une énergie égale à 24 kW.h Puissance de la chaudière : 35 kW. Durée (h) = énergie ( kWh) / puissance (kW) = 28 / 35 ~0,8 h. A.1.9. Vous déduirez la masse de bois nécessaire pour fournir cette énergie. Consommation 10,5 kg / h. 10,5 x0,8 =8,4 kg. A.2. Structure et fonctionnement d’une sonde « Lambda » Lors de la combustion dans la chaudière, l’apport du dioxygène de l’air est contrôlé en permanence par un capteur : la sonde « Lambda ». Ce contrôle permet d’optimiser la combustion à n’importe quelle puissance. Le rapport entre la quantité d’air réellement requise et les besoins théoriques en air s’appelle l’indice lambda (symbole : λ). Un indice « λ = 1 » signifie l’arrivée à la chaudière d’une quantité d’air parfaitement adaptée à la combustion. En pratique, l’indice lambda varie entre 0,9 et 1,1 lorsque l’apport en air est correct. La sonde « Lambda » se compose essentiellement d’un corps en céramique spéciale dont les surfaces présentent des électrodes en platine perméables aux gaz. La partie extérieure du corps en céramique baigne dans l’enceinte de la chaudière, sa partie intérieure baigne dans l’air atmosphérique. Les teneurs en dioxygène de l’air sont mesurées des deux côtés des électrodes. La différence entre les deux teneurs engendre une tension électrique au niveau des électrodes. Cette tension oscille de façon alternative entre deux valeurs (minimale et maximale) lorsque la sonde a un apport correct en air. A.2.1. Vous indiquerez quelles sont les grandeurs d’entrée et de sortie de la sonde « Lambda ». Teneur en dioxygène en entrée et tension électrique en sortie. A.2.2. Du point de vue de l’apport en air, vous expliquerez  ce que signifie un indice lambda trop faible (λ < 0,9). Mélange riche en combustible et manque d'air. A.2.3. La tension fournie par la sonde varie selon le graphique suivant. Entre quelles valeurs varie la tension aux bornes de la sonde « Lambda » lorsque l’apport en air est correct (0,9 < λ < 1,1) ? A.2.4. Vous complèterez le gtraphe en indiquant la grandeur physique, l’unité et l’échelle correspondant à l’axe vertical. A.2.5. Vous calculerez la fréquence de cette tension. Fréquence = 1 / T = 1 / 2 = 0,5 Hz. A.2.6.Vous représenterez l’allure de la variation de la tension d’une sonde usagée, ayant une fréquence de régulation deux fois trop lente. Vous justifierez votre réponse. f ' = 0,25 Hz ; période T' = 4 s. ... Partie B : les panneaux solaires hybrides. La moitié du toit du refuge est recouverte de panneaux solaires hybrides permettant de produire de l’énergie thermique et de l’électricité. Les panneaux photovoltaïques usuels produisent beaucoup plus d’énergie thermique (85%) que d’électricité (15%) quand ils sont exposés au soleil. Leur rendement diminue lorsque leur température augmente. Les panneaux hybrides, quant à eux, permettent d’utiliser l’énergie thermique dégagée par les cellules photovoltaïques pour chauffer l’eau du refuge et améliorer le rendement des cellules (gain potentiel de 5% à 15% par un refroidissement adapté). B.1. Fonctionnement technique Les capteurs photovoltaïques sont placés sur la couche supérieure du module. Ils sont reliés au réseau électrique local par différents équipements de régulation et de sécurité. Les capteurs thermiques sont placés en sous-couche, afin de capter l’énergie thermique générée par le fonctionnement des capteurs photovoltaïques. Un fluide caloporteur les parcourt et transmet l’énergie thermique accumulée au ballon d'eau chaude. B.1.1. Les panneaux réalisés en silicium cristallin sont plus chers à l’achat que ceux en silicium amorphe. Vous expliquerez si le surcoût engendré par l’utilisation de panneaux en silicium cristallin se justifie. Le silicium amorphe utilise la partie du spectre solaire comprise entre 0,3 et 0,75 µm. Le silicium moncristallin utilise le spectre solaire entre 0,3 et 1,2 µm. Le rendement est donc plus élevé et le surcoût est justifié. B.1.2. Est-ce que toute l'énergie solaire est convertie en électricité dans un panneau solaire DualSun ? Sinon, que devient le reste ? Moins de 20 % est convertie en électricité ; près de 80 % est converti en énergie thermique. B.1.3. Comment s'appelle le domaine du rayonnement solaire dont la longueur d'onde est immédiatement supérieure à 800 nm ? Infrarouge. B.1.4. Pour quelle longueur d'onde la densité d'énergie solaire est-elle maximale ? Ebtre 0,5 et 0,6 µm. B.1.5. Pour quelle longueur d'onde la réponse du panneau DualSun est-elle la meilleure ? Entre 0,9 et 1 µm. B.2. Puissance et rendement du panneau solaire photovoltaïque B.2.1. Vous retrouverez par le calcul la valeur de la puissance nominale électrique (250 W) d’un panneau solaire DualSun. A la puissance nominale : tension = 30,82 V ; intensité = 8,14 A. 30,82 x8,14 ~ 251 W. En moyenne, pendant une journée d’ensoleillement estival, la puissance du rayonnement solaire reçu à l’endroit où est situé le refuge est de 1000 W.m–2. B.2.2. Vous calculerez la superficie du panneau photovoltaïque en mètre carré. Longueur : 1,66 m ; largeur : 0,990 m; surface : 0,990 x1,660 =1,64 m2. B.2.3. Vous calculerez le rendement électrique de ce panneau et vérifierez qu’il est en accord avec les données. ( 15,40 %). Puissance solaire reçue : 1000 x 1,64 = 1640 W. rendement = puissance nominale / puissance solaire reçue = 250 / 1640 x100 ~15,2 %. La partie supérieure du panneau photovoltaïque est en fait réalisée de petites cellules assemblées les unes aux autres. La puissance maximale annoncée du panneau dépend donc de la puissance moyenne calculée à partir des cellules. On a effectué des mesures rassemblées sur le tableau suivant. Cellule 6 pouces n° 1 2 3 4 5 6 7 8 Pmax ( W) 4,20 4,25 4,12 4,27 4,31 4,35 4,30 4,19 B.2.4. Vous calculerez la puissance moyenne des cellules. (4,20 +4,25 +4,12 +4,27 +4,31 +4,35 +4,30 +4,19) / 8 ~4,25 W. B.2.5. Vous calculerez l'incertitude de mesure. Ecart type : 0,075 ; incertitude : 3,50 x0,075 / 8½ ~0,09. B.2.6. Vous en déduirez un encadrement de la puissance d'un panneau et la comparerez aux 250 W annoncés. [4,25 -0,09 ; 4,25 +0,09) soit : [4,16 ; 4,34 ]. Puissance des 60 cellules de 6 pouces constituant un panneaux  : [249,6 : 260,4 ]. La valeur annoncée appartient à cet intervalle. B.3. Centrale de surveillance Afin de suivre la production, un boîtier informatisé fournit des informations aux résidents du chalet : tension, intensité, énergie stockée, ainsi que les informations de la mini-station météorologique placée sur le toit à proximité des panneaux. Il est équipé de capteurs et de convertisseurs. B.3.1. Étude de convertisseurs : vous complèterez le document réponse avec les propositions suivantes : grandeur analogique échantillonnée / grandeur numérique / grandeur analogique / suite de valeurs discrètes / succession continue de valeurs / suite discontinue de valeurs numériques. B.3.2. La tension mesurée est-elle une grandeur numérique ou analogique ? Justifier votre réponse. La tension mesurée est numérique, elle peut prendre une succession continue de valeurs. B.3.3. Sachant que le convertisseur mesure une tension de 0 à 15 V et qu'il numérise en 10 bits, quel sera le pas de mesure ? 15 / 210 ~0,015 V. .... PARTIE C : le parc de batteries chargées par énergie hydraulique. Le surplus d’électricité d’origine solaire produit sert à remonter de l’eau dans un bassin de stockage situé quelques dizaines de mètres plus haut que le refuge. Cette eau va alimenter une microcentrale hydroélectrique qui prend le relais en l’absence de soleil. Cette solution permet d’avoir recours à un tout petit parc de batteries de 950 A.h jouant le rôle de tampon afin d'éviter de solliciter en permanence le système hydraulique et servant simplement à assurer l’alimentation pour l’électronique des appareils. C.1. La microcentrale hydraulique Données : Le bassin de stockage se trouve à 120 m au-dessus de la turbine. Masse volumique de l’eau : ρeau = 1000 kg.m–3 Intensité de la pesanteur : 9,80 N.kg–1 Pression atmosphérique : 980 hPa Puissance mécanique Pm (W) associée à un couple de forces de moment C (N.m) en rotation à la vitesse angulaire ω (rad.s-1): Pm = ω.C Principe fondamental de l’hydrostatique : ΔP = ρ.g.h C.1.1. Vous complèterez le diagramme énergétique représenté en utilisant les termes suivants : énergie mécanique, alternateur, énergie thermique, énergie cinétique, turbine, énergie électrique. C.1.2. Une vanne est positionnée avant la turbine. Elle doit être assez résistante. Vous calculerez la valeur de la pression qu’elle doit supporter. ΔP = ρ.g.h = 1000 x9,80 x120 ~1,18 106 Pa. C.1.3. La vanne a pour effet de réduire la section de la conduite forcée. Vous expliquerez quelle est la conséquence de cet effet dans le cas d’un écoulement stationnaire et incompressible. La conservation du débit impose une augmentation de la vitesse du fluide si la section de la conduite diminue. C.1.4. La puissance mécanique de la turbine est de 65 kW et le couple de forces s’exerçant sur la turbine a un moment égal à 960 N.m. Vous en déduirez la vitesse de rotation de la turbine en tours par minute. w = 65 103 / 960 =67,7 rad /s. 67,7 / (2 x3,14) ~10,8 tours / s ou 647 tours / minute. C.2. Principe de fonctionnement d'une batterie Plomb Acide Les batteries utilisées pour stocker l’énergie sont l’assemblage de plusieurs accumulateurs au plomb branchés en série. La valeur nominale de la tension d’une batterie est égale à 12 V. Deux électrodes en plomb plongent dans une solution d’acide sulfurique. L’une des électrodes est recouverte d’oxyde de plomb (PbO2(s)). Le fonctionnement met en jeu deux couples d’oxydoréduction dont l’un est : Pb2+(aq) / Pb(s). Données : Masse molaire atomique du plomb MPb : 207,2 g.mol–1 Q = ne x F avec F constante de Faraday F = 96,5 103 C.mol–1 ; les unités utilisées sont celles du système international. 1 Ah = 3600 C C.2.1. Lors de leur fonctionnement, les accumulateurs au plomb soit se chargent, soit se déchargent. Vous complèterez le tableau suivant. Charge de l'accumulateur Décharge de l'accumulateur Transformation chimique forcée ou spontanée transformation forcée transformation spontannée Mode de fonctionnement électrique générateur ou récepteur Récepteur Générateur La décharge de la batterie est décrite. C.2.2. Vous écrirez la demi-équation électronique de la réaction ayant lieu à l’électrode de plomb pour l’élément chimique relatif au plomb. C.2.3. Est-ce une oxydation ou une réduction ? Oxydation du plomb à l'anode négative : Pb(s) ---> Pb2+aq + 2e-. C.2.4. La deuxième demi-équation électronique en jeu dans la transformation est : 2 e- + 4 H+(aq) + PbO2 (s) = Pb2+(aq) + 2 H2O Déduisez le couple d’oxydoréduction intervenant. PbO2(s) / Pb2+aq. On étudie la charge de la batterie. C.2.5. Vous représenterez le sens de déplacement des électrons dans les conducteurs électriques et le sens de déplacement des ions H+ dans l’électrolyte. C.2.6. Vous écrirez l’équation chimique de la réaction lors de la recharge de la batterie. Pb2+(aq) + 2 H2O ---> 2 e- + 4 H+(aq) + PbO2 (s). Pb2+aq + 2e- ---> Pb(s). Ajouter et simplifier : 2Pb2+(aq) + 2 H2O ---> Pb(s)+ 4 H+(aq) + PbO2 (s). C.2.7. Lorsque le parc de batteries est chargé, vous déterminerez pendant combien de temps on peut faire débiter un courant de 4,2 A. Quantité d'électricité stockée dans les batteries chargées : 950 Ah. Durée : 950 / 4,2 ~226 heures. C.2.8. Vous déterminerez quelle quantité de matière d’électrons est en jeu lors de la charge (ou décharge) totale du parc. 950 Ah = 950 x 3600 =3,42 106 C. Quantité de matière d'électrons : 3,42 106 / (9,65 104) ~35,4 mol. C.2.9. À l’aide de la demi-équation donnée en C.2.4., vous calculerez la masse de plomb intervenant lors de la charge (ou décharge) totale du parc de batteries. Quantité de matière de plomb : 35,4 / 2 =17,7 mol. Masse de plomb : 17,7 MPb = 17,7 x207,2 ~3,67 103 g. .

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