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1 LENERGIE : cours proposition dévaluation TP de physique appliquée Géneratrice asynchrone Application en essais de système : Panneau solaire de la couveuse.

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1 1 LENERGIE : cours proposition dévaluation TP de physique appliquée Géneratrice asynchrone Application en essais de système : Panneau solaire de la couveuse

2 2 référentiel BTS Electrotechnique } 2 semaines de cours (2 x 3h) + 1TP / élève

3 3 I.LES DIFFERENTES FORMES DENERGIE: 1°/ Introduction : Quest ce que lénergie ? 2°/ Transformation dénergie : 3°/ Conservation de lénergie : II. ENERGIES RENOUVELABLES ? 1°/ Energie solaire : 2°/ Energie hydraulique : 3°/ Energie éolienne : 4°/ Energie de la biomasse : 5°/ Energie géothermique : III. PRODUCTION DENERGIE ELECTRIQUE : 1°/ Energie électrique produite en France 2°/ Centrales électriques : thermique hydraulique nucléaire 3°/ Energie éolienne : 4°/ Energie photovoltaïque et centrales photovoltaïques : 5°/ Cogénération : 6°/ Sources dénergie autonomes :

4 4 1°/ Introduction : Quest ce que lénergie ? L'énergie est difficile à définir simplement autrement qu'à travers ses effets et ses variations : pour le transport, pour le chauffage des habitations, pour l'industrie, pour l'éclairage et autres appareils électriques... Un système possède donc de l'énergie s'il est capable de fournir du travail mécanique ou son équivalent... I. LES DIFFERENTES FORMES DENERGIE: Rem : L'unité du SI pour lénergie est le joule (J). Mais en électricité on utilise aussi le wattheure (Wh), les économistes utilisent plutôt la tonne d'équivalent pétrole (tep avec 1tep=42GJ), les médecins nutritionnistes la calorie (cal avec 1cal=4,18J) thermique mécanique électrique lumineuse chimique

5 5 Radiateur électrique Lampe électrique Moteur électrique Accumulateur en charge Transformateur ÉNERGIE ELECTRIQUE Énergie utile fournie Énergie consommée ELECTRIQUE THERMIQUE (chaleur) RAYONNANTE (lumière) MECANIQUE (travail) CHIMIQUE 2°/ Transformation dénergie : Exemple :

6 6 ÉNERGIE ELECTRIQUE ABSORBEE ENERGIE MECANIQUE (frottements) ENERGIE MECANIQUE UTILE 3°/ Conservation de lénergie : a) Enoncé du principe : lénergie totale dun système isolé reste constante. b) Exemple dapplication : moteur électrique WaWa W mu ENERGIE THERMIQUE (effet joule) ENERGIE DUE AUX PERTES FER Moteur électrique WfWf W fer WjWj W a = W j +W fer + Wf Wf + W um

7 7 c) Rendement : cest le rapport entre lénergie utile en sortie du convertisseur et lénergie reçue par celui-ci. Rem : Cette grandeur est sans unité, et peut sexprimer en %. Exemple : 38% pour une centrale électrique thermique 40% pour un moteur à essence 5% pour une ampoule classique = W utile / W absorbée

8 8 II.ENERGIES RENOUVELABLES ? Une énergie renouvelable est une source dénergie qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à léchelle de lhomme. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique). Aujourd'hui, on assimile souvent par abus de langage les énergies renouvelables aux énergies propres.

9 9 1°/ Energie solaire : Chauffe eau solaire

10 10 Centrales électriques thermiques solaires (miroirs paraboliques ou cylindroparaboliques) Déjà dans lantiquité, les Grecs allumaient la flamme des Jeux olympiques à laide dun miroir parabolique (skafia)

11 11 Fours solaires (ici four dOdeillo dans les Pyrénées-Orientales) Température qui peut atteindre 3800°C traitement thermique de certains matériaux – puissance 1000kW Puissance qui peut atteindre 150MW (californie « solar two ») Centrales électriques thermiques solaires (miroirs plans)

12 12 2°/ Energie hydraulique : L'énergie hydraulique est lénergie mise en jeu lors du déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'eau douce ou l'eau de mer. Ce déplacement va produire un travail mécanique qui est utilisé directement ou converti sous forme d'électricité. Applications : Celle-ci est donc utilisée dans les barrages pour permettrent de produire de lélectricité, mais aussi dans la mer avec lénergie marémotrice, lénergie des vagues et lénergie hydrolienne qui utilisent la puissance due aux déplacements de l'eau de mer pour faire tourner des turbines et entraîner ainsi des alternateurs.

13 13 Usine marémotrice (de la Rance en Bretagne) : qui utilise lénergie due aux marées Hydroliennes : qui utilisent la force des courants marins Barrage hydraulique Puissance 240MW La + grande au monde

14 14 3°/ Energie éolienne : Elle utilise la force du vent. Celui-ci est dû à des différences de pressions atmosphériques locales qui proviennent de différences d'échauffement de l'air par le soleil.

15 15 4°/ Energie de la biomasse : La biomasse (ensemble de la matière végétale) est une véritable réserve dénergie, captée à partir du soleil grâce à la photosynthèse. (processus biologique au cours duquel les végétaux utilisent, grâce à l'énergie lumineuse, le gaz carbonique et l'eau pour produire des sucres (amidons notamment) et rejeter de l'oxygène). Production dénergie par Combustion de résidus forestiers dans chaudière Fermentation (méthanisation) : production de biogaz ou biocarburants 2 grandes tours de biométhanisation, production du biogaz à partir de la partie organique des déchets

16 16 5°/ Energie géothermique : Centrale géothermique en Islande La géothermie consiste à capter la chaleur contenue dans la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de lélectricité. Applications suivant la profondeur : Production délectricité (en France centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe qui permet lalimentation de 9% de besoins de lîle) Réseaux de chauffage urbain Chauffage et climatisation individuelle

17 17 III. PRODUCTION DENERGIE ELECTRIQUE : énergie électrique produite en France en 2006 Calculer la part de production en % pour les différents modes de production dans le tableau. 1°/ Energie électrique produite en France :

18 18 a) Centrale thermique : Une centrale thermique classique produit de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique de combustion de plusieurs milliers de tonnes par jour d'un fossile (charbon, pétrole, gaz), préalablement convertie en énergie mécanique par une turbine à vapeur. 2°/ Centrales électriques : thermique, hydraulique nucléaire Elles transforment des sources dénergie naturelle en énergie électrique.

19 19 b) Centrale hydraulique : Une centrale hydraulique produit de l'énergie électrique en utilisant lénergie hydraulique de leau accumulée dans les barrages. Cette énergie entraîne les turbines dun alternateur.

20 20 c) Centrale nucléaire : Une centrale nucléaire produit de l'énergie électrique en utilisant la fission nucléaire pour produire la chaleur nécessaire à la production de lélectricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée par l'uranium qui constitue le "combustible nucléaire". L'objectif est de faire chauffer de l'eau afin d'obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui produit de l'électricité. (principe similaire à celui dune centrale thermique)

21 21 Exemple 1 : Centrale nucléaire de ST Alban du Rhône (Isère - 50km de Lyon) 2 réacteurs de 1300MW Mise en service : 1985 Produit en moyenne par an 16 milliard de kWh soit par an lénergie consommée par 11 villes comme Lyon.

22 22 4 réacteurs de 925MW Mise en service : 1972 Produit en moyenne par an 25 milliard de kWh soit 40% de la consommation de la région Rhône-alpes. Exemple 2 : Centrale nucléaire du Bugey à Saint-Vulbas (Ain –30km de Lyon)

23 23 3°/ Energie éolienne : Elle peut être utilisée de 2 manières : conservation de lénergie mécanique : navire à voile, pour pomper leau, pour faire tourner la meule dun moulin. transformation en énergie électrique : léolienne ou aérogénérateur directement relié au réseau ou de manière indépendante

24 24 Eolienne à vitesse variable connectée au réseau Voir TP physique appliquée : génératrice asynchrone

25 25 Fonctionnement dune cellule photovoltaïque contact sur zone P contact sur zone N zone dopée P zone dopée N absorption des photons génération des porteurs semi-conducteur collecte des porteurs I 4°/ Energie photovoltaïque et centrale photovoltaïque:

26 26 Panneau solaire : Fabrication des modules Il est fondu (temp : 1430°C) en lingot Le lingot est découpé en briques Les briques sont découpées en plaques Les plaques sont transformées en cellules (dopage bore + phosphore,couche antireflets, contact métalliques) Les cellules sont assemblées pour constituer un module et encapsulées dans du plastique Lénergie nécessaire à la fabrication dun module représente 10% de lénergie que ce module produira pendant sa vie Le silicium est placé dans un creuset

27 27 Applications : 1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance d'environ 100 à 200 W.

28 28 En Allemagne, on trouvait la plus grande centrale solaire photovoltaïque au monde (production de 10 MW (un réacteur nucléaire standard produit environ 1500 MW). Sa superficie est équivalente à 56 terrains de football. En mars 2007, au Portugal, une autre centrale a été inaugurée encore plus grande et pourra produire 11MW (consommation de 8000 foyers), avec panneaux solaires. Mais dautres projet sont en cours dici 2010 au Portugal à « Moura » (62MW) mais aussi en Allemagne (40MW). Centrales électriques photovoltaïques En France à la Réunion : m² / 1,35MW En Allemagne : « la bavaria solar park » Au Portugal à Serpa

29 29 Évolution : Le marché du photovoltaïque est en plein essor avec +de 30% de croissance par an au niveau mondial. Le Japon n°1 mondial et l Allemagne pour l Europe qui est très dynamique. (90% des installations actuelles sont implantées au Japon, en Allemagne et aux États-unis). La production de Silicium destiné au photovoltaïque n étant pas suffisante par rapport à la demande développement de nouvelles cellules à base de Cuivre Indium Sélénium (CIS) (couche déposée + fine et possibilité d utiliser des supports flexibles).

30 30 5°/ Cogénération : La cogénération consiste à produire en même temps et dans la même installation de lénergie thermique (chaleur) et de lénergie mécanique. énergie thermique : chauffage production deau chaude par échangeur. Lénergie mécanique transformée en énergie électrique (alternateur). Elle est ensuite revendue à EDF ou consommée par linstallation. énergie de départ utilisée : gaz naturel, fioul ou toute forme dénergie locale (géothermie, biomasse) ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures ménagères…).

31 31 Exemple de centrale de cogénération (installation Rosen en Italie) : Cette centrale est implantée dans une usine chimique (production de chlore, soude caustique, eau oxygénée). En 1997 la centrale de cogénération a été implantée sur le même site. Elle apporte à lusine : * Une puissance électrique de 356MW pour permettre la continuité de la fourniture électrique en cas de problème sur le réseau électrique national * Une puissance thermique grâce à la production de vapeur surchauffée. Avantages : rendement très bon (>90%) 30% à 40% de lénergie primaire sont transformés en énergie électrique, tandis que 50 à 60% se retrouvent sous forme de chaleur moins démission de polluants dans latmosphère et limitation démission de gaz à effet de serre. Les limites : problème de proximité entre la centrale de cogénération et les différents lieux où on veut récupérer lénergie thermique.

32 32 6°/ Sources dénergie autonomes : a)Piles électriques : Elles transforment lénergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions doxydoréduction. La pile électrique a été inventé en 1800 par Alessandro Volta. Principe de fonctionnement de la pile Daniel : A lélectrode négative on observe une oxydation du zinc : Zn (métal) Zn 2+ (solution) + 2 e- du zinc passe en solution, transformé en ions Zn2+ et des électrons sont libérés vont pouvoir quitter lélectrode et traverser le circuit extérieur. A lélectrode positive on observe une réduction des ions cuivre : Cu 2+ (solution) + 2 e- Cu (métal) Les ions Cu2+ de la solution se déposent à l'état de cuivre sur lélectrode en cuivre. Les électrons nécessaires à cette réduction arrivent à lélectrode positive par le circuit extérieur, en provenance de la lame de zinc. Au bilan on a la réaction doxydo réduction suivante : Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu Rem : le pont salin (KCl) rétablit la neutralité électrique des solutions) Solution de sulfate de zinc (Zn 2+ + SO 4 2- ) Solution de sulfate de cuivre (Cu 2+ + SO 4 2- ) Anode cathode

33 33 Grandeurs caractéristiques : - fém E, résistance interne r : Sa caractéristique tension-courant est U PN =E-rI - Quantité délectricité débitée : Q = I.t avec Q en Coulomb (C) On appelle capacité dune pile la quantité maximale délectricité fournie par la pile. piles électrochimiques usuelles : La pile zinc/carbone ou pile Leclanché (pile saline) (bâton) : capacité de stockage limitée /ne peut être utilisée que dans des appareils qui ne consomment pas beaucoup dénergie (radio, calculette, télécommande, réveil,...) /il arrive quelle coule / deux fois moins cher que les piles alcalines / durent deux à trois fois moins longtemps. La pile alcaline (bâton, bouton): très performante /grande capacité de stockage /longue durée de vie / type de pile très répandu. La pile à oxyde dargent (bouton) : Pour : montres, calculettes, gadgets La pile au lithium (bouton) grande pile bouton / très plate /utilisée dans les montres, les calculettes /mais beaucoup + cher

34 34 b) Accumulateur : Il transforme aussi lénergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions doxydoréduction mais est réversible. Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne l'est pas. (Le terme batterie est alors utilisé pour caractériser un assemblage de cellules élémentaires, en général rechargeables mais attention en anglais on ne fait pas la distinction). Principe de fonctionnement de laccumulateur au plomb : (inventé en 1860 par Planté) Il est constitué de deux plaques de plomb (électrodes) plongée dans une solution d'acide sulfurique (2H + ; SO 4 2- ). Lorsqu'il a été chargé au préalable par un générateur entre ces deux électrodes il existe comme pour une pile une fém. Pendant la décharge : on a une oxydation du plomb à l'anode libérant ainsi des électrons (l'électrode diminue de volume). Ceux-ci arrivent à la cathode où il y a une réduction de l'oxyde de plomb qui se transforme en ions Pb2+ (diminution de la couche d'oxyde de Plomb). Pendant la charge : Un générateur est branché aux bornes de l'accumulateur. On observe là aussi une oxydation à l'anode (qui permet de reformer une couche d'oxyde de plomb, et une réduction à la cathode qui permet de reformer l'électrode de plomb. R Réduction PbO H e - = Pb H 2 O Oxydation Pb = Pb e - CATHODE ANODE 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb Réduction Pb e - = Pb Oxydation Pb H 2 O = PbO H e - CATHODE ANODE 2e - Pb 2+ PbO 2 2e - Pb 2+ Pb e-e- +

35 35 Grandeurs caractéristiques : Suivant la technologie utilisée on aura des tensions plus ou moins grandes. Mais un accumulateur est pour l'essentiel défini par trois grandeurs : Sa densité d'énergie massique (ou volumique), en watt-heure par kilogramme, Wh/kg (ou en watt-heure par litre, Wh/l), correspond à la quantité d'énergie stockée par unité de masse (ou de volume) d'accumulateur. Sa densité de puissance massique, en watt par kilogramme (W/kg), représente la puissance (énergie électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l'unité de masse d'accumulateur. * Sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycles, caractérise la durée de vie de l'accumulateur, c'est-à-dire le nombre de fois où il peut restituer le même niveau d'énergie après chaque nouvelle recharge.

36 36 Jusqu'à la fin des années 80, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l'alimentation de secours de centraux téléphoniques...) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets, éclairage de secours...). Les inconvénients relevés sur la technologie au plomb (poids, fragilité, utilisation d'un liquide corrosif) ont conduit au développement daccumulateur alcalins, de plus grande capacité (quantité d'électricité restituée à la décharge) mais développant une fém plus faible. Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d'énergie massiques restent relativement faibles (30 Wh/kg pour le plomb, 50 Wh/kg pour le nickel- cadmium). Au début des années 90, avec la croissance du marché des équipements portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergées : les accumulateurs nickel-métal hydrure et les accumulateurs au lithium. Différents types d'accumulateurs – Evolution : TypeÉnergie massique Tension d'un élément Durée de vie (nombre de recharges) Temps de charge auto-décharge par moismois Plomb30-50 Wh/kg2 V h5 % Ni-Cd48-80 Wh/kg1,25 V h20 % Ni-Mh Wh/kg1,25 V h30 % Li-ion Wh/kg3,7 V h10 % Li-Po Wh/kg3,7 V h10 %

37 37 c) Pile à combustible : Elles transforment aussi lénergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions doxydoréduction. Principe de fonctionnement dune pile à hydrogène : Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autre le passage du courant par transfert ionique des charges. Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O 2 ) et son réducteur (ici l'hydrogène H 2 ). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène. Le réducteur peut aussi être du méthanol ou du gaz naturel. À l'anode : H 2 2H + + 2e– (oxydation) production de 2 électrons par molécule de dihydrogènedihydrogène. L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique. À la cathode : O 2 + 4H + + 4e– 2H 2 O (réduction) Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule de dihydrogène qui peut être une fine couche de platine divisé sur un support poreux qui constitue l'électrode à hydrogène.

38 38 Intérêts : Fonctionnement propre car elle ne produit que de leau et consomme uniquement des gaz. Difficultés : Une des difficultés majeure réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogènedihydrogène. Dans la nature, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène oxygène(H 2 O), H 2 Oau soufre (H 2 S) H 2 Set au carbone (combustibles fossiles de types gaz ou pétrolespétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossilesfossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique. Ensuite, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bar), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement assez faibles. Applications et perspectives : Dans le domaine spatial tout dabord (années années ) puis grâce à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines (notamment pour alimenter des prototypes d'ordinateurs ordinateurs portablesportables, de téléphone portable ou d'appareil photos ou encore de véhicules proprespropres).

39 39 Travail de recherche documentaire proposé aux élèves : Recherche en amont du cours du principe de fonctionnement dune pile, dun accumulateur, dune pile à combustible …. Recherche des dangers des métaux lourds utilisés dans les piles ou accumulateurs : cadmium, plomb ….

40 40 Cours en lien avec : Proposition dévaluation à partir dun bilan 1 TP de physique appliquée En essais de systèmes : application au panneau solaire du système « couveuse »

41 41 Propositions dévaluations

42 42 1.Evaluation à partir de la production électrique dorigine renouvelable en 2005 et en Production électrique et thermique dorigine renouvelable (source : Observatoire de lénergie) Exploitations : 1°/ Que peut-on dire de lévolution de la production globale délectricité dorigine renouvelable sur les deux années ? 2°/ Calculer en % la part de chacun des domaines dans la production électrique. 3°/ Quel domaine est en plein essor ? Evaluer cette progression. 2.Evaluation sur le principe de fonctionnement des centrales : Questions : 1°/ Expliquer le principe de fonctionnement dune centrale nucléaire. Faire un schéma pour illustrer. 2°/ Expliquer pourquoi les centrales nucléaires sont construites au bord de leau. 3°/ Que séchappe-t-il des réacteur des centrales nucléaires ? 4°/ Quelle(s) différence(s) y a-t-il avec une centrale thermique ?

43 43 3.Faire travailler les élèves à partir de bilans : à poursuivre …..

44 44 1.Analyser un bilan : extraire des informations analyser ces informations retranscrire cette analyse à lécrit …. (pourquoi pas à loral) calculer des pourcentages (moyen de vérifier) 2.Expliquer le principe de fonctionnement dun système: illustrer par un schéma simple restituer à lécrit ou oral le principe Compétences évaluées : }

45 45 GENERATRICE ASYNCHRONE TP de physique appliquée

46 46 Enoncé du TP

47 47 Mesures Caractéristiques

48 48 Panneau solaire de la couveuse Essais de systèmes

49 49 Enoncé

50 50 Difficultés rencontrées Définir lénergie …. Difficultés pour calculer le rendement dun panneau solaire …. Pour passer de grandeurs photométrique (éclairement) aux grandeurs énergétiques ….


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