La « BoitaWatt », un concentré d’énergie et une innovation durable …

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Texte intégral

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ANNALES des sujets – DEFI ENERGETIQUE PARTIE 2 (6 points) Amérique du sud 2016

Après le chemin de muletier, la voie romaine, puis l’autoroute, voici venu le temps des routes de cinquième génération.

Dans un avenir plus ou moins proche, celles-ci intégreront diverses évolutions techniques qui contribueront à mieux répondre aux objectifs du développement durable. Les voies de circulation constituent en effet une réserve de surface exploitable pour la production d’énergie électrique d’origine solaire.

Document 1 : 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.

D’après « Pour la science n°450 Avril 2015 »

Document 2 : Nombre de véhicules en circulation dans trois agglomérations (données 2014)

Villes Bordeaux Périgueux St Brieuc

Habitants 240 000 29 900 45 900

Nombre de véhicules 130 100 15 400 25 300

À partir des connaissances et de l’étude des documents, répondez aux questions suivantes.

QUESTIONS : 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 ? 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.

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Asie 2016

Les nouveaux défis énergétiques

Document 1 : « 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.

On peut considérer que la puissance moyenne consommée par le bateau correspond à la puissance délivrée par les cellules photovoltaïques, appelée aussi puissance utile.

D’après http://www.planetsolar.org

Document 2 : « 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.

D’après http://info.solarimpulse.com

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D’après http://blog.crdp-versailles.fr/

QUESTIONS : Question 1 :

Recopiez et complétez la chaîne énergétique commune aux deux dispositifs présentés puis indiquez quelle 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.

Aide aux calculs :

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 ».

On rappelle que le rendement η peut être défini par :

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Aide aux calculs :

Question 4 :

À partir des documents fournis, développez deux arguments scientifiques en faveur de l’idée qu’un tel défi représente une « solution d’avenir en termes environnementaux ».

Métropole 2016

Jules Verne écrivait dans « L’Île mystérieuse » parue en 1875 : « […] L’eau décomposée en ses éléments constitutifs […] sans doute par l’électricité. […] Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour utilisée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. […] L’eau est le charbon de l’avenir. »

Aujourd’hui, ce qu’on appelle abusivement le « moteur à eau » est-il encore un rêve d’écrivain ?

Document 1 : la pile à combustible

Son principe fut découvert en 1839 par William R. Grove. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité.

Actuellement, il existe différents types de piles à combustible. Par exemple :

– micro-pile à combustible (microPAC), qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile ;

– pile capable de produire 1 MW pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif ; – pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports.

Principe général de fonctionnement d’une pile à combustible :

Source : d’après http://eduscol.education.fr/ et http://www.cea.fr/

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Document 2 : l’hydrogène présent partout mais disponible nulle part

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’Univers. Sur notre planète, on a noté quelques émanations de dihydrogène naturel, mais non exploitables en quantités significatives et à des coûts compétitifs.

Production à partir des énergies fossiles

Aujourd’hui, 95 % du dihydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbures (par exemple du gaz naturel constitué essentiellement de méthane CH4) sous l’action de la chaleur pour en libérer le dihydrogène. Mais la production de dihydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Production par décomposition de l’eau

L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en dioxygène et dihydrogène sous l’action d’un courant électrique. Cette solution est la plus intéressante en termes d’émission de gaz à effet de serre, à condition toutefois d’opérer cette dissociation à partir de sources d’énergie elles-mêmes non émettrices de dioxyde de carbone.

Production directe à partir de la biomasse

Cette solution est attrayante car la quantité de dioxyde de carbone émise au cours de la conversion de la biomasse en dihydrogène est à peu près équivalente à celle provenant de la photosynthèse.

Source : d’après http://www.cea.fr

Document 3 : la voiture électrique

La région Rhône-Alpes va servir de cadre à la première expérimentation jamais réalisée en France mettant en œuvre une importante flotte de véhicules utilitaires hybrides.

En effet ces véhicules utiliseront une pile à combustible et par conséquent du dihydrogène (embarqué dans des bouteilles) en complément du moteur électrique équipé d’une batterie. 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.

En théorie, le véhicule à pile à combustible ne rejette que de l’eau mais on estime qu’avec le dihydrogène issu du méthane par reformage, il rejette en moyenne 15 à 18 grammes de dioxyde de carbone par kilomètre. Un véhicule essence de taille moyenne rejette environ 150 grammes de dioxyde de carbone par kilomètre.

Source : d’après http://www.usinenouvelle.com/ et http://www.voiture-electrique-populaire.fr/

QUESTIONS : Question 1 :

Jules Verne a écrit « l’eau est le charbon de l’avenir ».

Répondre à la question 1 sur l’annexe à rendre avec la copie.

Question 2 :

Jules Verne décrit le « moteur à eau » dans son roman. Préciser comment il envisage l’obtention du dihydrogène.

Répondre à la question 2 sur l’annexe à rendre avec la copie.

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Question 3 :

On s’intéresse à la chaîne énergétique de la pile à combustible.

Répondre à la question 3 sur l’annexe à rendre avec la copie.

Question 4 :

On s’intéresse à la pile à combustible utilisée en région Rhône-Alpes.

Répondre à la question 4 sur l’annexe à rendre avec la copie.

Question 5 :

Calculer en kWh l’énergie produite par les quatre modules de la pile à combustible du document 3, si le véhicule effectue un trajet de deux heures.

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 ».

ANNEXE

À RENDRE AVEC LA COPIE PARTIE 2 : LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE

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À l’aide de vos connaissances et des documents, répondre aux questions 1 à 4.

Question 1 :

Jules Verne a écrit « l’eau est le charbon de l’avenir ».

Cocher les bonnes cases dans le tableau ci-dessous :

ressource d’énergie non renouvelable ressource d’énergie renouvelable ressource d’origine fossile eau

charbon

Question 2 :

La production du dihydrogène envisagée par Jules Verne dans son roman est une : Cochez uniquement la réponse exacte :

□ Production grâce aux énergies fossiles

□ Production grâce à l’électrolyse de l’eau

□ Production grâce à la biomasse

Question 3 :

La chaîne énergétique de la pile à combustible correspond à la : Cochez uniquement la réponse exacte :

□ Proposition 1

□ Proposition 2

□ Proposition 3

Question 4 :

On s’intéresse à la pile à combustible utilisée en région Rhône-Alpes.

Cochez uniquement les bonnes cases du tableau :

est utilisé(e) est produit(e) L’eau

Le dioxygène Le dihydrogène

Polynésie 2016

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.

www.lemoniteur.fr

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Document 1 : La toile de store solaire photovoltaïque

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 :

Caractéristiques Données du fabricant

Epaisseur Environ 1mm

Masse de 1m² 900 g

Puissance fournie par 1 m² 40 W

Durée de vie des cellules photovoltaïques 20 ans

Document 2 : Besoins énergétiques quotidiens moyens de deux personnes en camping-car en été

Eclairage Pompe à eau

Electroménager Téléviseur Divers

Energie quotidienne consommée

(en Wh)

1000 50 10 000 500 450

QUESTIONS : À partir de vos connaissances et de l’étude des documents, répondez aux questions suivantes : 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.

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Question 2 :

Le texte parle de « ressource d’énergie renouvelable ». Expliquez en quoi la ressource utilisée par la toile est renouvelable.

Question 3 :

En supposant que la toile du camping-car est dépliée et ensoleillée 4 h par jour, calculez l’énergie électrique produite quotidiennement.

Question 4 :

Discutez de l’intérêt du dispositif.

Pondichery 2015

Le 27 juin 2014, a eu lieu l'inauguration de la centrale hydre-éolienne de l'île d'EI Hierro, petite île espagnole dans l'archipel des Canaries. Elle s'apprête à devenir la première île au monde totalement autonome en électricité grâce aux ressources d'énergie renouvelables.

En effet, la centrale associe des éoliennes ayant chacune une puissance moyenne de 2 MW et une Station de Transfert d'Energie par Pompage (STEP), constituée de deux bassins, l'un à 700 m au-dessus du niveau 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 des 10 000 habitants de cette île ainsi que celle des usines de dessalement d'eau de mer.

L'excès d'électricité 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.

Schéma de la STEP :

QUESTIONS :

1) Calculez le nombre d'éoliennes installées sur le parc.

2) Complétez les chaînes énergétiques sur la feuille annexe correspondant au fonctionnement d'une éolienne et de la STEP lors de la phase de pompage en identifiant la forme d'énergie dans chaque rectangle.

3) En supposant que le parc éolien fonctionne 12 h par jour et 300 jours par an, calculez l'énergie électrique produite annuellement.

4) En intégrant le fonctionnement de toutes les infrastructures de l'île, on suppose que la consommation annuelle

d'électricité s'élève à environ 2500 kWh/habitant. Montrez alors que l'énergie produite par le parc éolien est suffisante pour couvrir les besoins de l'île.

5) Expliquez en quoi l'association du parc éolien et de la STEP va permettre à l'île de devenir « totalement autonome en électricité grâce aux ressources d'énergie renouvelables ».

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Métropole 2015

Le saut démographique mondial (7 milliards d’habitants en juin 2011, plus de 9 milliards à l’horizon 2050), couplé au fort développement des pays en voie de développement va se traduire par une augmentation de la consommation d’énergie mondiale (estimée au double de la consommation actuelle). Face à la demande, chercheurs et ingénieurs travaillent à d’autres solutions.

Document 1 : des cellules pas comme les autres …

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 nommée « Annabelle », du nom d’une variété d’hortensia, ressemble à un tableau (cf illustration ci-dessous) représentant cette fleur dont les pétales bleuissent au soleil. Au-delà de ce changement de couleur, cette cellule est également 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-tableau deviennent blancs.

D’après les Techniques de l’Ingénieur – vite s’informer – 21 Août 2014

Capture d'écran d'un reportage vidéo de l'AFP sur la cellule solaire japonaise "hortensia"

Document 2 : le thorium, futur nucléaire vert ?

Tout comme l'uranium 238 ( ) dont il est la seule alternative, le thorium est parfois considéré comme l'avenir du nucléaire. À Grenoble, les chercheurs du LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie) travaillent sur un réacteur à sels fondus fonctionnant au thorium, le « molten salt fast reactor ».

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 au thorium, « ce qui résoudrait tous les problèmes de ressources

énergétiques pour les 10 siècles à venir » indique Elsa Merle-Lucotte, enseignante à Grenoble et chercheuse au LPSC.

« Enfin, les réacteurs au thorium réduiraient naturellement 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 durant des milliers d'années.»

Source : d’après Grenoble IN'Press - Institut polytechnique de Grenoble

QUESTIONS : Question 1 :

1.1. Indiquer si la ressource énergétique utilisée par les cellules solaires est renouvelable ou non-renouvelable.

Justifier brièvement la réponse.

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1.2. Recopier sur votre copie la chaîne énergétique ci-dessous correspondant à la production d’électricité par une cellule photovoltaïque classique. La compléter en précisant dans les rectangles la nature des énergies mises en jeu.

1.3. L’énergie moyenne stockée par un téléphone portable chargé à 100 % est de 20 Wh. Certaines applications gourmandes en énergie nécessitent une puissance de 2 W. Calculer la durée d’utilisation du portable dans ces conditions. Justifier.

1.4. Calculer l’énergie qu’une cellule solaire « Annabelle » est capable de stocker. Justifier.

Question 2 :

Le document 2 propose un autre combustible fissile que l’uranium pour les centrales nucléaires.

2.1. L’uranium 238, l’uranium 235, l’uranium 233 sont des isotopes. Définir le terme isotope.

2.2. Une suite de réactions nucléaires élémentaires permet de faire passer du thorium 232 à une forme fissile de l’uranium. La première de ces réactions correspond à l’équation de réaction ci-dessous.

est le symbole du neutron.

Déterminer les valeurs de A et Z. Justifier.

2.3. Citer un des avantages majeurs que présente l’utilisation du thorium 232.

2.4. Indiquer si l’expression « futur nucléaire vert » est appropriée. Expliquer brièvement.

Métropole septembre 2015

La production d’énergie utilise des ressources diverses, certaines étant renouvelables et d’autres non renouvelables. Les estimations de la consommation d’énergie mondiale montrent que celle-ci va fortement augmenter dans les années à venir.

Document 1 : part des différentes ressources dans la production d’énergie dans le monde en 2013.

Source : d’après l’agence internationale de l’énergie – rapport 2014

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Document 2 :

Concrètement, 1 kWh c’est :

Appareil utilisé Durée d’utilisation

Sèche-cheveux Une demi-heure soit 0,5 h

Lampe basse consommation usuelle Un jour à un jour et demi

Smartphone Environ quatre mois

Source : d’après l’énergie en questions : la contribution d’EDF au débat sur la transition énergétique.

Document 3 :

Les mouvements de la mer sont une source inépuisable d'énergie. [...]

Les hydroliennes sont des sortes d'éoliennes sous-marines. Le déplacement de l'eau par les courants marins fait tourner leurs pales. L'énergie mécanique générée est convertie en électricité par un alternateur.

En France, EDF possède un essai pilote depuis octobre 2011 et regarde cette technologie avec intérêt du fait de son plus faible impact sur l'environnement que l'éolien offshore (1). Par exemple, l'acceptation par la population locale de l'expérimentation de Paimpol / Bréhat a été obtenue sans problème majeur, alors que l'implantation d'éoliennes offshore était rejetée.

Les hydroliennes seront installées en concertation avec les pêcheurs dans une zone destinée à la reproduction naturelle des espèces où la pêche est interdite.

(1) Une éolienne est dite offshore lorsqu'elle est installée sur une plateforme à la surface de la mer, loin des côtes. Le terme anglais "offshore" signifie littéralement "hors

côte".

Source : d'après http://www.connaissancedesenergies.org

QUESTIONS : Question 1 :

1.1. Définir l‘expression « ressource non renouvelable » et donner un exemple.

1.2. Calculer la part de l’utilisation de ressources fossiles dans le monde en 2013 et la comparer à celle des ressources renouvelables.

1.3. Citer deux effets majeurs liés à l’augmentation de la consommation mondiale d’énergie.

Question 2 :

En utilisant le document 2, calculer la puissance nécessaire au fonctionnement d’un sèche-cheveux.

Question 3 :

3.1. Recopier sur votre copie la chaîne énergétique ci-dessous correspondant à la production d’électricité par une hydrolienne. La compléter en précisant dans les rectangles la nature des énergies mises en jeu.

3.2. Citer deux avantages d’une hydrolienne.

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Nouvelle Calédonie 2015

Le projet MYRTE ou une nouvelle énergie verte : l'hydrogène

Localisé en Corse sur le site de Vignola, près d'Ajaccio, le projet Mission hYdrogène Renouvelable pour l'inTégration au réseau Electrique (MYRTE) [...] a été lancé en 2007.

L'installation inaugurée le 9 janvier 2012 comprend une plate-forme expérimentale couplant 3700 m² de panneaux photovoltaïques et un électrolyseur. Ce dernier convertit l'énergie électrique reçue des panneaux photovoltaïques en énergie chimique avec production de dihydrogène et de dioxygène. Cette énergie chimique peut ensuite être convertie via une pile à combustible, qui consomme le dihydrogène et le dioxygène en produisant de l'énergie électrique. Cela permet d'alimenter le réseau pendant les heures de forte consommation, y compris le soir alors que les panneaux photovoltaïques ne produisent plus. Le recours aux centrales thermiques est ainsi réduit, et la limite d'intégration des énergies renouvelables à la hauteur de 30 % est respectée (arrêté du 23 avril 2008)

Sources : d'après http://myrte.univ-corse.fr Document 1 : schéma de principe de l'installation MYRTE

1 : Centrale photovoltaïque (560 kW) 2 : Stockage de dihydrogène et dioxygène 3 : Electrolyseur

4 : Pile à combustible (100 kW)

Source : d'après http://smartgrids-cre.fr

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Document 2 : influence de la météo sur la production énergétique de panneaux photovoltaïques

Source : d'après dossier de presse inauguration MYRTE 9 janvier 2012

QUESTIONS : Question 1 :

Citer deux inconvénients causés par l'utilisation des centrales thermiques au gaz ou au fioul.

Question 2 :

2.1. Déduire du document 2 la situation météorologique du 11 avril 2010 et du 26 avril 2010 sur le site de la station MYRTE.

2.2. En déduire l'intérêt principal du couplage des panneaux photovoltaïques à la pile à combustible.

Question 3 :

Compléter le chaine énergétique (a, b, c, d, e) représentée sur la feuille annexe à rendre avec la copie en identifiant la forme d'énergie appropriée parmi : énergie chimique, énergie électrique, énergie thermique, énergie lumineuse. Une forme d'énergie peut être utilisée plusieurs fois.

Question 4 :

À l’aide du document 1, calculer la valeur de l'énergie électrique maximale fournie par les panneaux photovoltaïques pour une durée d'ensoleillement de 10 heures. Justifier.

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Polynésie septembre 2015

Document 1 : Diminuer sa consommation électrique

Impossible de se passer de la lumière des lampes électriques : en moyenne, chaque ménage français a chez soi 25 points lumineux, achète 3 lampes par an et consomme entre 325 et 450 kWh par an pour son éclairage.

Diminuer cette consommation, c’est facile ! C’est une affaire de comportement : éteindre en quittant une pièce, valoriser la lumière du jour, choisir des abat-jour clairs, dépoussiérer les lampes…

C’est aussi une affaire d’équipement : trop gourmandes en énergie, les lampes à incandescence ne peuvent plus être mises sur le marché par les fabricants, seuls les stocks existants sont actuellement commercialisés. Des lampes plus économes et plus performantes sont disponibles à l’achat :

– les lampes fluo-compactes, appelées aussi basse consommation (LFC ou LBC), – les diodes électro-luminescentes ou LED,

– les lampes halogènes.

D’après : Guide Ademe 2014 « bien choisir son éclairage »

Document 2 : Vous pensiez « watt » ? Passez au lumen !

Pour choisir une lampe à incandescence, vous utilisiez sa puissance électrique. La comparaison est compliquée avec les lampes plus performantes dont l’efficacité lumineuse change avec la puissance. L’augmentation de la quantité de lumière produite n’est plus directement proportionnelle à l’augmentation de puissance.

Il est plus judicieux de se laisser guider par le flux lumineux émis par une lampe, exprimé en lumen ou par l’efficacité lumineuse, en lumen par watt (plus l’efficacité lumineuse est grande plus la lampe émet de lumière pour la même consommation électrique).

D’après : Guide Ademe 2014 « bien choisir son éclairage »

Document 3 : Comparaison des types de lampe

type de lampe lampe LED lampes fluo-compactes ou basse consommation

lampe à incandescence

flux lumineux en lumen 420 450 400

puissance en W 6 9 40

durée de vie en h 20 000 8000 1000

prix d’achat indicatif en

15 5 2

QUESTIONS :

A l’aide des documents et de vos connaissances, répondez aux questions suivantes : Question 1 :

Citez la grandeur physique exprimée en kWh dans le document 1.

Proposez une autre unité pour cette grandeur.

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Question 2 :

Nommez la grandeur qui permet une comparaison pertinente des trois lampes.

Question 3 :

Calculez l’efficacité lumineuse de chacune des lampes du document 3.

Justifiez alors l’interdiction totale depuis 2012 des lampes à incandescence.

Question 4 :

En tenant compte du prix d’achat et de son remplacement, l’utilisation d’une lampe fluo-compacte a un coût de 33 euros pour une durée de fonctionnement de 20 000 h.

En approximant le prix du kWh à 0,10 €/kWh, déterminez quelle est la lampe la plus économique entre la LED et la fluo-compacte pour une durée d’utilisation de 20 000 h.

Martinique septembre 2015

La « BoitaWatt », un concentré d’énergie et une innovation durable …

La «BoitaWatt» est une invention nantaise, élaborée par EDF en 2011, dont l’objectif est de rendre l’accès à l’énergie plus facile et de manière autonome dans les pays pauvres ou émergents, en utilisant des sources d’énergies

renouvelables.

La « BoitaWatt » utilise à la fois une éolienne et des panneaux photovoltaïques pour produire de l’électricité, qui peut être directement utilisée, mais qui peut aussi être stockée dans des batteries* puis restituée à la demande.

Elle fournit, en fonction des conditions locales, entre 25 et 50 kWh par jour.

*Une batterie est un ensemble d’accumulateurs électrochimiques.

Les habitants d’Ankadibé, petit village de Madagascar, devant la « BoitaWatt » alimentant un cabinet dentaire. Le container offre un petit local technique pour la production électrique et un grand espace aménagé en cabinet dentaire pour soigner les patients.

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QUESTIONS : Question 1 :

Citer les deux sources d’énergie utilisées par la « BoitaWatt ».

Question 2 :

Expliquer l’utilité des batteries installées dans la « BoitaWatt ».

Indiquer leur intérêt pour le fonctionnement du cabinet dentaire.

Question 3 :

On estime la puissance électrique totale des appareils et des éclairages du cabinet dentaire à 5 kW.

On suppose qu’en un jour la « BoitaWatt » produit une énergie de 40 kWh.

Calculer la durée maximale de fonctionnement des appareils et des éclairages du cabinet en une journée.

Faire apparaître le calcul menant au résultat.

Question 4 :

Dans l’éolienne, l’alternateur est un convertisseur d’énergie. Il convertit : – de l’énergie mécanique en énergie chimique

– de l’énergie thermique en énergie électrique – de l’énergie mécanique en énergie électrique – de l’énergie électrique en énergie thermique.

Recopier la proposition correcte sur votre copie.

Question 5 :

Noter sur votre copie le numéro de la chaîne énergétique réalisée par les batteries pendant leur charge, en vue du stockage de l’électricité.

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Question 6 :

Donner deux intérêts et un inconvénient de la « BoitaWatt ».

Pondichery 2014

Document : le premier train solaire roule en Belgique

À bord, rien ne le distingue d'un autre convoi. Mais à l'extérieur, ce sont des wagons d'un genre nouveau, seulement alimentés par les rayons du soleil et non à l'électricité issue des centrales nucléaires ou au gaz. Pour la première fois, lundi 6 juin, ce "train vert" a roulé en Europe, sur 25 km, près d'Anvers, dans le nord de la Belgique. La raison de cet exploit : 16 000 panneaux photovoltaïques installés sur le toit du tunnel ferroviaire, de 3,4 km de long, de la ligne à grande vitesse qui relie Anvers à Amsterdam. Depuis, tous les trains effectuant la traversée d'Anvers circulent grâce à l'électricité produite localement.

Au départ, le tunnel, construit dans une réserve naturelle, avait un tout autre objectif écologique : éviter d'abattre des arbres protégés dont la chute aurait pu interrompre le trafic. Plus tard, ces dalles sont apparues idéales pour accueillir des panneaux solaires. D'une surface de 50 000 mètres carrés, soit environ 8 terrains de football, elles peuvent produire 12 MWh par jour.

"Pour les entreprises ferroviaires, les panneaux solaires sont le meilleur moyen pour réduire l'empreinte carbone des trains. Vous pouvez par ailleurs utiliser des espaces qui n'ont pas d'autre valeur économique et les projets peuvent être livrés en moins d'un an dans la mesure où l'énergie solaire est moins critiquée que l'éolien", déclare dans les colonnes du Guardian Bart Van Renterghem, un autre responsable d'Enfinity.

L'électricité produite par le "tunnel du soleil" en un an ne correspondra toutefois qu'à celle consommée par

l'ensemble des trains belges en un jour. Mais pour les concepteurs du projet, davantage de surfaces comme les toits de gares ou de hangars et les nombreux terrains vagues qui jouxtent les voies, pourraient être utilisées afin

d'installer des panneaux.

D'après: http://ecologie.blog.lemonde.fr

QUESTIONS :

À l'aide des documents et de vos connaissances, répondez aux questions suivantes : Question 1 :

Donnez la signification en toutes lettres du symbole MWh utilisé dans le document et précisez à quelle grandeur il fait référence.

Question 2 :

Calculez la puissance moyenne des panneaux solaires installés sur le tunnel.

Question 3 :

Identifiez deux sources d'énergie renouvelable et deux sources d'énergie non renouvelable citées dans le document.

Question 4 :

Expliquez et commentez la phrase «les panneaux solaires sont le meilleur moyen pour réduire l'empreinte carbone des trains ».

Question 5 :

On s'intéresse à la chaîne énergétique d'un panneau photovoltaïque.

Complétez le schéma sur la feuille annexe 1 (à rendre avec la copie) en indiquant les formes d'énergie.

(19)

ANNEXE 1 À RENDRE AVEC LA COPIE

PARTIE 2: THÈME « LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE » Question 5 :

La chaine énergétique d'un panneau photovoltaïque est schématisée par :

Emirats Arabes Unis 2014

L’incinération ne constitue pas seulement une solution pour se débarrasser des déchets. Elle est aussi génératrice d’énergie. Qu’ils soient issus des ménages, de l’industrie ou de l’agriculture, de nombreux déchets peuvent se transformer en énergie thermique ou en énergie électrique.

Document 1 : schéma de principe de fonctionnement d’une centrale thermique

1- La combustion des déchets dégage de l’énergie thermique.

2- Cette énergie thermique chauffe l’eau de la chaudière qui se transforme en vapeur.

3- La vapeur fait tourner la turbine qui entraine l’alternateur qui produit l’énergie électrique.

4- La vapeur est ensuite refroidie à l’aide d’un condenseur pour retrouver son état liquide.

D'après: www.drim.univ-rennes1

Document 2 : production de déchets ménagers dans différents pays européens.

Pays Masse de déchets ménagers produits en kg par jour et par habitant

Nombre d’habitants (en millions)

Norvège 2,2 5

France 1 64

République Tchèque

0,8 11

(20)

Document 3 : répartition de la production électrique en France (chiffres de 2012).

Origine de la production En GWh/jour En pourcentage

Thermique nucléaire 1 110 75,6

Thermique classique

Charbon 49 3,3

Fuel 18 1,2

Gaz 64 4,4

Total 131 8,9

Hydraulique 175 11,9

Eolien 41 2,8

Photovoltaïque 11 0,8

Total 1 468 100

Données :

Tableau des préfixes du système international d’unités

Nom du préfixe Symbole Valeur

kilo k 103

méga M 106

giga G 109

QUESTIONS :

Question 1 :

Complétez la chaine énergétique sur la feuille annexe correspondant au fonctionnement de l’alternateur en identifiant la forme d’énergie dans chaque rectangle.

Question 2 :

Chaque kilogramme d’ordures ménagères incinéré peut produire une énergie électrique égale à 2 kWh.

Justifiez le fait que cette seule source d’énergie ne peut pas couvrir la production quotidienne d’énergie électrique en France.

Question 3 :

Après avoir défini les termes « énergie renouvelable » et « énergie fossile », déterminez le pourcentage de chacune de ces énergies dans la production française d’électricité.

Question 4 :

En France, une grande part de l’électricité est d’origine nucléaire. Voici l’exemple d’une réaction pouvant se produire au sein d’un réacteur nucléaire.

Répondre à la question sur la feuille annexe.

(21)

ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE PARTIE 2 : THÈME « DÉFI ÉNERGÉTIQUE »

Question 1 : Complétez la chaîne énergétique suivante correspondant au fonctionnement de l’alternateur en identifiant la forme d’énergie dans chaque rectangle :

Question 4 : voici l’exemple d’une réaction pouvant se produire au sein d’un réacteur nucléaire :

Cette réaction est :

Cochez uniquement la réponse exacte

□ une fusion nucléaire

□ une fission nucléaire

□ un changement d’état

□ une combustion

Métropole 2014 Document 1 :

"Une centrale électrique est une usine qui produit de l’énergie électrique. Il en existe plusieurs sortes : des centrales thermiques à combustibles fossiles, les centrales thermiques à combustibles nucléaires, les centrales hydrauliques....

Toutes sont basées sur le même principe : faire tourner une turbine couplée à un alternateur qui fabrique de l’électricité.

La différence de fonctionnement se situe au niveau de la production d’énergie mécanique lors de l’entraînement de la turbine. Dans les centrales hydrauliques, l’eau des barrages actionne la turbine. Dans les centrales thermiques classiques, un combustible fossile est brûlé pour transformer de l’eau en vapeur, produisant de l’énergie thermique pour entraîner la turbine. Dans les centrales thermiques nucléaires, les noyaux d’uranium remplacent le combustible fossile. En se scindant, ces gros noyaux libèrent de l’énergie

D'après: D’après le site du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives www.cea.fr/jeunes/themes/l_energie_nucleaire

(22)

Document 2 :

On appelle période radioactive (ou demi-vie) la durée au bout de laquelle la moitié d’une population de noyaux radioactifs s’est désintégrée.

Document 3 : période radioactive de quelques déchets radioactifs Noyau

radioactif Période radioactive

cobalt 60 5,2 ans

tritium 12,2 ans

césium 137 30 ans

américium 241 432 ans radium 226 1600 ans plutonium 239 24 110 ans neptunium 237 2 140 000 ans

Source : d’après www.science.gouv.fr

QUESTIONS :

Question 1 :

Citer les trois différentes ressources énergétiques nommées dans le document 1.

Préciser parmi ces trois ressources, quelles sont celles qui sont non renouvelables ? Question 2 :

Recopier, en complétant les cases 1 et 3, la chaîne énergétique ci-dessous qui correspond à celle d’une centrale thermique à combustible nucléaire.

(23)

Question 3 :

Dans les centrales nucléaires, les déchets produits contiennent de nombreux noyaux radioactifs : césium, strontium, …De tels noyaux se désintègrent plus ou moins rapidement au cours du temps.

3a) Sachant que le noyau atomique de strontium est composé de 38 protons et 52 neutrons, écrire sur votre copie la représentation correcte de ce noyau parmi les 4 propositions ci-dessous:

3b) En utilisant le document 2, déterminer graphiquement la période radioactive du strontium.

3c) A partir du document 3 et de vos connaissances, expliquer en quoi la gestion des déchets radioactifs peut poser problème.

Martinique 2014

Document 1 : les applications de la radioactivité, quels déchets ?

Toute activité humaine produit des déchets. L'utilisation des propriétés de la radioactivité dans de nombreux

secteurs engendre chaque année des déchets radioactifs. Ces déchets émettent de la radioactivité et présentent des risques pour l'homme et l'environnement. Ces déchets proviennent pour l'essentiel des centrales nucléaires, des usines de traitement des combustibles usés ainsi que des autres installations nucléaires civiles et militaires qui se sont développées au cours des dernières décennies.

On compte également plus de 1000 petits producteurs qui contribuent aussi, à un degré moindre, à la production de déchets radioactifs : laboratoires de recherche, hôpitaux, industries...

Les déchets radioactifs sont variés. Leurs caractéristiques diffèrent d'un déchet à l'autre : nature physique et chimique, niveau et type de radioactivité, durée de vie (ou période radioactive) …

En France, les déchets radioactifs sont classés en fonction de leur mode de gestion : PERIODE RADIOACTIVE Vie très courte

(période < 100 jours)

Vie courte (période ≤ 31

ans)

Vie longue (période > 31 ans) ACTIVITE

MASSIQUE*

Très faible activité TFA (< 100

Bq/g)

Gestion par décroissance radioactive sur le

site

de production puis évacuation dans les

filières conventionnelles

Stockage de surface

(Centre Industriel de Regroupement, d’Entreposage et de Stockage – CIRES) Faible activité

FA (< 105 Bq/g)

Stockage de surface (centre

de stockage de

l’Aube)

Stockage de faible profondeur

(à l’étude) Moyenne

activité MA (< 106

Bq/g)

Stockage réversible profond (à l’étude) Haute activité

HA (> 106 Bq/g)

Stockage réversible profond (à l’étude)

*L’activité massique est l’activité rapportée à 1 g d’échantillon.

D’après http://www.andra.fr

(24)

Document 2 : iode et radioactivité

Un accident nucléaire peut s'accompagner de la formation d'iode 131 (noté ), radioactif.

Il provient de la réaction de fission de l’uranium 235 (noté ) indiquée ci-dessous :

Cet iode radioactif pénètre dans le sang par les voies respiratoires, par la peau ou par l'absorption d'aliments contaminés. En effet, la glande thyroïde, un organe régulateur très important dans notre organisme, accumule indifféremment l'iode radioactif ou l'iode ordinaire (noté ) jusqu'à saturation. L'irradiation prolongée de cet organe augmente donc le risque de cancer et d'autres affections de la thyroïde. Ce sont les foetus, les bébés, les jeunes enfants qui courent le plus grand risque.

Prendre des comprimés d’iode ordinaire en cas d’accident nucléaire permet d’empêcher le corps d'accumuler de l'iode radioactif. De la même façon qu'une éponge gorgée d'eau claire n'absorbe pas d'eau polluée, la glande thyroïde saturée d'iode ordinaire n'accumule pas d'iode radioactif. Les particules radioactives sont alors tout simplement éliminées par l'urine et les selles.

Document 3 : activité et période radioactive

L’activité massique, notée A, d’un échantillon de matière radioactive est définie par le nombre de désintégrations par seconde et par gramme ; elle se mesure en becquerel par gramme (Bq/g).

Certains éléments fortement radioactifs ont une activité massique de l’ordre de plusieurs milliards de milliards de becquerels par gramme. D'autres ont une faible activité massique, de l’ordre de quelques dizaines de becquerels par gramme. Les éléments radioactifs sont appelés radionucléides.

On appelle période radioactive le temps au bout duquel la moitié de la quantité d'un même radionucléide aura naturellement disparu par désintégration ; l’activité est donc divisée par deux au bout d'une période radioactive.

Données :

1. Activités massiques de quelques éléments présents dans les déchets d’une centrale nucléaire :

RADIOELEMENT PERIODE ACTIVITE MASSIQUE

Iode 131 8 jours 4,6 millions de milliards de Bq/g

Césium 137 …. 3 200 milliards de Bq/g

Plutonium 239 24 000 ans 2,3 milliards de Bq/g

Uranium 235 704 millions d'années 8 000 Bq/g

D’après http://www.andra.fr 2. Évolution de l’activité massique A du césium 137 en fonction du temps.

(25)

QUESTIONS :

Question 1 :

a- En France, la classification des déchets radioactifs repose sur deux paramètres. En utilisant le document 1, identifier ces deux paramètres.

b- En utilisant les documents, expliquer comment, en France, on gère les déchets radioactifs tels que l’uranium 235.

Question 2 :

Dans une centrale nucléaire, sous le choc d’un neutron, un noyau d’uranium 235 ( ) peut se casser en un noyau de césium 140 ( ) et un noyau de rubidium 93 ( ). Il se forme aussi 3 neutrons selon la réaction :

Répondre à la question 2 sur l'annexe 1, page 11/13, à rendre avec la copie.

Question 3 :

On s’intéresse maintenant au césium 137 ( ) qui est aussi un des produits formés lors de la fission de l’uranium 235.

a- On veut déterminer la période radioactive du césium 137.

Répondre à la question 3a sur l'annexe 1, page 11/13, à rendre avec la copie.

b- Dans le cas du césium 137, déterminer l’activité massique restante à l’échelle d’une vie humaine. En déduire le problème environnemental posé.

Question 4 :

Comme indiqué dans le document 2, l’iode radioactif 131 provient de la réaction de fission de l’uranium 235.

a- Il existe à la fois l’iode 127 ( ) non radioactif et l’iode 131 ( ) radioactif. Ces noyaux ont le même numéro atomique. Nommer de tels noyaux.

b- Connaissant le numéro atomique de l’uranium et celui de l’yttrium, expliquer comment on peut retrouver le numéro atomique de l’iode à partir de l’équation du document 2.

ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE THEME « LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE »

QUESTION 2

Dans une centrale nucléaire, sous le choc d’un neutron, un noyau d’uranium 235 ( ) peut se casser en un noyau de césium 140 ( ) et un noyau de rubidium 93 ( ). Il se forme aussi 3 neutrons selon la réaction :

Cette réaction est :

Cochez uniquement la réponse exacte

□ une réaction de combustion

□ une réaction de fission

□ un changement d’état

□ une réaction de fusion

(26)

QUESTION 3

Sur le graphique ci-dessous, faire apparaître le tracé permettant de déterminer la période radioactive du césium 137.

Noter sa valeur.

Graphique : évolution de l’activité massique A du césium 137 en fonction du temps

TCésium137 = ………….

Métropole septembre 2014

Document 1 : principe de fonctionnement d’une centrale STEP : Station de Transfert d’Énergie par Pompage (Source : connaissance des énergies)

(27)

Document 2 : interaction entre nucléaire et STEP pour réguler les variations de consommations

QUESTIONS :

Question 1 :

A partir du document 1 et de vos connaissances, expliquer, dans une centrale STEP, le principe du pompage dans le cas de la phase de stockage d’énergie (graphique de gauche).

De même, indiquer en quoi le turbinage permet une restitution d’énergie (graphique de droite) Question 2 :

Compléter le schéma énergétique sur la feuille réponse (voir Annexe Page 7/7).

Question 3 :

A partir des documents et de vos connaissances, expliquer l’intérêt de l’utilisation d’une STEP dans la régulation de la production d’énergie électrique.

Polynésie 2014

La ferme houlomotrice de la baie d’Audierne.

La France souhaite développer l’utilisation des énergies marines (vent, houle, courant, marée) pour produire de l'électricité. Avec 2730 km de côtes, la Bretagne dispose d’un potentiel naturel exceptionnel pour ce développement.

Dans ce cadre, c’est au large de Plozévet, dans la baie d’Audierne, que la première ferme houlomotrice sera mise en service en 2017.

Document 1 :

D’après http://www.letelegramme.fr

(28)

La ferme houlomotrice sera basée sur la technologie Waveroller. Concrètement, il s’agit de trois battants animés par la houle, le mouvement provoqué par les vagues produit de l’électricité. Chaque battant a une puissance mécanique maximale de 1,0 MW et produit de l’électricité avec un rendement moyen de 50 % suivant les conditions de vagues sur le site. Les appareils sont situés entre 8 et 20 mètres de profondeur et à quelques centaines de mètres du rivage, là où la houle est la plus forte.

Document 2 :

Les vagues océaniques sont constantes et les conditions océaniques peuvent être exactement connues plus de 48 heures à l’avance. Par opposition, des prévisions exactes sur le vent ne sont disponibles que 5 à 7 heures à l’avance.

Un autre facteur rendant l’énergie houlomotrice particulièrement attractive pour générer de l’électricité est sa forte densité de puissance, en comparaison avec la faible densité de puissance des énergies solaire ou éolienne.

D’après http://aw-energy.com

Comparaison des densités de puissance moyennes de diverses énergies renouvelables

Solaire 150 W/m² Surface horizontale au sol

Eolien 400 W/m² Surface verticale à 50 m de hauteur

Houle 2500 W/m² Surface verticale entre 0 et 20 m de profondeur

D’après http://www.ifremer.fr

Document 3 :

Sur la façade atlantique française, la puissance moyenne transmise par les vagues est de l’ordre de 45 kW par mètre de ligne de cote. En intégrant ces données autour des iles britanniques on obtient une puissance de l’ordre de 120 GW, soit environ quatre fois la demande électrique de ce pays. Pour la France, le même calcul conduit à une énergie annuelle de 417 TWh, très proche de la consommation électrique totale annuelle (480 TWh en 2012).Il s’agit là bien sûr d’ordres de grandeur globaux, qui montrent simplement que la récupération de quelques pourcents de cette ressource constituerait un appoint appréciable d’énergie.

D’après http://www.ifremer.fr Données :

Tableau des préfixes du système international

d’unités

Nom du préfixe Symbole Valeur

Méga M 106

Giga G 109

Téra T 1012

QUESTIONS :

Question 1 :

En vous appuyant sur vos connaissances, expliquez pourquoi l’énergie houlomotrice peut être qualifiée de renouvelable.

Question 2 :

À l’aide des données du document 1 et de vos connaissances, effectuez une étude énergétique de la ferme houlomotrice :

a) Calculez en mégawatt la puissance électrique maximale de la ferme houlomotrice et comparez-la à celle d’une éolienne « offshore » qui est de 1,7 MW.

b) Montrez que l’énergie électrique maximale que peut fournir la ferme houlomotrice pendant deux heures est égale à 3,0 MWh puis calculez sa valeur en MJ sachant que 1 MWh est égal à 3600 MJ.

c) En considérant que l’énergie électrique nécessaire à la charge d’une batterie de voiture électrique est de 0,10 MWh, calculez combien de batteries peuvent être chargées avec l’énergie produite par la ferme pendant deux heures.

(29)

Question 3 :

En vous basant sur le document 1, complétez le schéma de la chaîne énergétique d’un Waveroller.

Répondre à la question sur la feuille annexe à rendre avec la copie.

Question 4 :

En vous basant sur les documents et sur vos connaissances, citez quatre arguments montrant l’intérêt de développer des fermes houlomotrices le long des côtes.

ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE THEME « LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE »

QUESTION 3

En vous basant sur le document 1, complétez le schéma de la chaîne énergétique d’un Waveroller.

Métropole 2013 Document 1 :

Pour un « trafic voyageur » T, la consommation d’énergie C dépend du mode de transport choisi (train, bus, voiture…

avion).

On définit, en économie, l’efficacité énergétique E d’un mode de transport par la relation : E = C / T

Pour un « trafic voyageur » T donné, un mode de transport sera d’autant plus efficace que la consommation d’énergie C sera faible.

La consommation C s’exprime en Millions de tep(1).

Le « trafic voyageur » T s’exprime en Milliards de kilomètres (parcourus par l’ensemble des voyageurs).

L’efficacité énergétique E s’exprime en Millions de tep /Milliards de kilomètres.

(1) La tep, tonne d'équivalent pétrole représente une unité d'énergie. 1 tep correspond à l’énergie dégagée par la combustion d’une tonne de pétrole.

(30)

Document 2 :

Efficacité énergétique moyenne selon le mode de transport

(Source : ADEME, Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie) Mode de transport Train-tram-

métro

Bus-Car Deux roues motorisées

Voiture Avion

E 0,012 0,017 0,035 0,040 0,065

Trafic voyageurs en France 2011

(Source : Insee, Institut national de la statistique et des études économiques)

Mode de transport Voiture Autobus Car Trnsport ferré Transport aérien

T 812,7 51,1 104,0 13,5

Production électrique en France 2009

(Source : Commissariat Général du Développement Durable – Octobre 2010)

Hydraulique Eolien,

photovoltaïque

Thermique Classique

Thermique Nucléaire

Millions de tep 4,9 1,1 5,3 35,3

% dans la production électrique française

11% 2% 11% 76%

QUESTIONS

Question 1 : (0,5 point)

A partir de vos connaissances, préciser la principale source d’énergie primaire utilisée pour le déplacement d’un voyageur en voiture.

Question 2 : (0,5 point)

D’après les documents 1 et 2, donner le mode de transport permettant, pour un trafic-voyageur donné, la consommation C la plus faible.

Question 3 : (2 points)

D’après les documents 1 et 2, calculer la consommation d’énergie C engendrée par les déplacements en voiture en 2011 en France.

Question 4 : (2 points)

Déterminer la valeur et le pourcentage de l’énergie électrique, d’origine renouvelable, produite en France en 2009.

Question 5 : (1 point)

Répondre à la question 5 sur la feuille réponse en annexe à rendre avec la copie.

(31)

ANNEXE 1

À RENDRE AVEC LA COPIE PARTIE 2 : LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE Question 5 :

Depuis la fin des années 1970, l’ensemble des sites français permettant la production d’énergie électrique, d’origine hydraulique, a été aménagé. Dans le cadre du développement durable, à moyen terme (10 ans), 20% du trafic voiture se fera avec du tout électrique.

Dans cette perspective, parmi les quatre propositions, choisir le mode de production énergétique qu'il faudra développer :

□ Thermique fossile.

□ Thermique nucléaire.

□ Éolien, photovoltaïque.

□ Hydraulique.

Martinique 2013

Document 1 : l’énergie solaire

Le soleil est à l’origine de nombreuses ressources énergétiques exploitées sur Terre (énergie solaire, énergies fossiles

…). L’énergie solaire possède l’énorme avantage d’être inépuisable à l’échelle de la durée de vie du soleil, soit 5 milliards d’années. En plus, elle est extraordinairement abondante, puisque l’irradiation que le Soleil fait parvenir sur la Terre chaque année représente plus de 10 000 fois la consommation mondiale actuelle d’énergie primaire, toutes formes et tous usages confondus.

Il existe de nombreuses façons d’utiliser efficacement l’énergie solaire directe pour nos besoins. […] La plus connue est l’utilisation passive du soleil qui va, par exemple, réchauffer votre maison en passant par les fenêtres et en étant stockée dans les murs. Il est donc nécessaire pour optimiser cet apport gratuit de chaleur de renforcer l’isolation du bâtiment. L’énergie solaire va aussi permettre de chauffer de l’eau à destination des usages sanitaires ou du système de chauffage d’une maison grâce à des capteurs solaires thermiques. […] Il est également possible de produire de l’électricité à partir de l’énergie solaire en utilisant des panneaux photovoltaïques.

D’après http://www.photovoltaique.info

Document 2 : produire son électricité

En produisant de l’électricité chez vous, de façon décentralisée, modulable et non polluante, vous participez à la limitation des pollutions et des rejets de gaz à effet de serre. […]

Jouez la carte du solaire !

C'est l'énergie renouvelable la plus facilement valorisable pour vous. […]. Le dispositif de production le plus courant est le solaire photovoltaïque. 25 m² de modules peuvent produire en un an l’équivalent de la consommation électrique (hors chauffage, cuisine et eau chaude) d’une famille de 4 personnes, soit environ 2500 kWh.

La production électrique individuelle prend tout son sens quand elle s’intègre dans une démarche de maîtrise des consommations d’énergie : utilisation

d’équipements électriques performants, suppression des veilles inutiles, habitudes d’économies d’énergie. Et tout cela, bien sûr, dans le cadre d’une maison

énergétiquement performante.

C'est en général sur le toit de votre maison que vous trouverez la place nécessaire (10 à 30 m²) à l'installation de modules photovoltaïques. Mais vérifiez la bonne orientation de votre toit : au sud, c'est l'idéal (pour l'hémisphère Nord). Sud-est ou sud-ouest, c'est encore possible.

D’après http://ecocitoyens.ademe.fr/mon-habitation/renover/produire-son- electicite

(32)

Document 3 : cellule photovoltaïque au silicium

Le rendement d’une cellule photovoltaïque au silicium reste faible, voisin de 15 %. Le silicium, abondant sur Terre, constitue 28 % de l’écorce terrestre. Son extraction, sa purification et la technologie mise en œuvre pour réaliser les cellules restent coûteuses.

QUESTIONS

Question 1

Le document 1 mentionne les énergies fossiles.

a- Citer deux sources d’énergie fossile.

b- Donner deux arguments en faveur d’une diminution de l’utilisation des énergies fossiles.

Question 2

D’après le document 2, la consommation électrique annuelle d’une famille de 4 personnes vaut « 2500 kWh ».

Répondre à la question 2 sur l’annexe à rendre avec la copie.

Question 3

Le document 1 différencie trois types d’énergie solaire : le solaire passif, le solaire thermique et le solaire photovoltaïque.

Répondre à la question 3 sur l’annexe à rendre avec la copie.

Question 4

D’après le document 3 :

a- Quelle est la quantité d’énergie produite par un panneau photovoltaïque au bout d’un an ?

b- Au bout de combien d’années un panneau photovoltaïque est-il rentable d’un point de vue énergétique ? Question 5

Dans le document 2, on peut lire que les panneaux photovoltaïques permettent de produire de l’électricité de

« manière non polluante ». Commenter et critiquer cette phrase en utilisant les documents et en vous appuyant sur vos connaissances.

(33)

ANNEXE 1

À RENDRE AVEC LA COPIE PARTIE 2 : LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE Question 2 :

La valeur 2500 kWh correspond à : Cocher uniquement la réponse exacte

□ l’énergie consommée en une heure.

□ la puissance consommée en une heure.

□ l’énergie consommée en un an.

□ la puissance consommée en un an.

Question 3 :

Dans une maison exposée plein sud équipée de panneaux photovoltaïques et de capteurs solaires thermiques, l’énergie solaire utilisée pour faire fonctionner un téléviseur est :

Cocher uniquement la réponse exacte

□ le solaire thermique.

□ le solaire passif.

□ le solaire photovoltaïque.

□ aucun des trois.

(34)

Polynésie septembre 2013

Document : assurer l’approvisionnement énergétique en toute sécurité

Question 1 :

Quel type de réaction nucléaire est utilisé dans la centrale de Fessenheim ?

Question 2 : défaut de vision

Un des principaux défis européens est la mise en service du réacteur ITER.

Pourquoi utilise-t-on le terme de « défi » ?

(35)

Question 3 : On s’intéresse aux réactions de fission.

Répondre sur la feuille-réponse en « annexe à rendre avec la copie ».

Question 4 : On s’intéresse à « la centrale nucléaire nouvelle génération EPR ».

Répondre sur la feuille-réponse en « annexe à rendre avec la copie » Question 5 : On s’intéresse aux capacités de production des centrales et des réacteurs nucléaires.

Répondre sur la feuille-réponse en « annexe à rendre avec la copie »

Question 6 :

Pour assurer l’approvisionnement énergétique en toute sécurité, d’autres options peuvent être aussi choisies, notamment augmenter la part des énergies renouvelables.

Donner 2 exemples d’énergies renouvelables en justifiant le terme« renouvelable ».

ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE PARTIE 2

A l’aide des connaissances et du document, choisir la(les) proposition(s) exacte(s) : Question 3 : La (les) proposition(s) correspondant à une réaction de fission est (sont) :

Question 4 :

On s’intéresse à la capacité de production de la centrale nucléaire « nouvelle génération » EPR. A partir du document, on peut déduire que la centrale nucléaire « nouvelle génération » EPR serait capable de fournir : Cocher uniquement la proposition exacte

une énergie électrique de 1650 MW une puissance électrique de 1650 MW.

une énergie électrique de 1300 MW.

une puissance électrique de 1300 MW.

(36)

Question 5 :

On s’intéresse aux capacités de production des centrales et des réacteurs nucléaires. En exploitant le document, on peut déduire que :

Cocher uniquement la proposition exacte

la capacité de production d’un réacteur de Fessenheim est de 900 MW et, en 2011, plus de la moitié des réacteurs nucléaires français dépassait une capacité de production de 900 MW.

la capacité de production d’un réacteur de Fessenheim est de 1300 MW et, en 2011, plus de la moitié des réacteurs nucléaires français dépassait une capacité de production de 900 MW.

la capacité de production d’un réacteur de Fessenheim est de 900 MW et, en 2011, plus de la moitié des réacteurs nucléaires français ne dépassait pas une capacité de production de 900 MW.

la capacité de production d’un réacteur de Fessenheim est de 1300 MW et, en 2011, plus de la moitié des réacteurs nucléaires français ne dépassait pas une capacité de production de 900 MW.

Martinique septembre 2013

Document 1 : les gestes écologiques Quelle ampoule choisir ?

Condamnées à l’extinction, les ampoules à filament sont peu à peu remplacées par les lampes fluocompactes (LFC).

Toutes coûtent plus cher que la bonne vieille ampoule d’Edison (ampoule à filament), un surcoût compensé par une facture d’électricité allégée. En effet, une LFC de 13 W émet la même quantité de lumière (exprimée en lumens) qu’une ampoule à filament de 60 W.

L’institut national de la consommation (INC), qui a récemment testé 14 LFC, a montré que la moitié résiste moins de quatre ans quand elles sont allumées 10 fois par jour. Cependant, pour des allumages peu fréquents, les LFC durent plus longtemps.

Même si elles ont progressé, les LFC accusent encore un léger retard à l’allumage, de quelques secondes à deux minutes selon les marques.

Piles jetables ou accumulateurs électrochimiques ?

Les accumulateurs actuels peuvent se recharger à tout moment (inutiles qu’ils soient vides), de 400 à 1000 fois et évitent ainsi l’achat de nombreuses piles jetables. En effet, pour fournir 1kW d’énergie sur dix ans, il faudrait environ 500 piles jetables contre une cinquantaine d'accumulateurs.

D’après "Ça m’intéresse", Mars 2012 Document 2 : l’énergie électrique

L’électricité est une forme d’énergie secondaire, car on doit d’abord la créer à partir d’une énergie primaire. Le procédé implique une perte d’énergie qui diffère suivant la méthode utilisée.

L’électricité une fois créée, ne peut pas être stockée contrairement à d'autres formes d’énergie. On ne peut pas conserver l’électricité dans un récipient comme le pétrole ou le bois !

Un accumulateur électrochimique est un moyen de stocker de l'énergie permettant une production facile et rapide d'électricité. Il met en jeu une réaction chimique.

D’après http://www.eco-energie.ch

Document 3 : répartition de la production totale brute d’électricité en France en 2010 Origine de la production d'électricité Part de l’énergie (%)

Nucléaire 75,3

Thermique classique 11,0

Hydraulique 11,9

Eolienne 1,7

Photovoltaïque 0,1

Production totale nette 100,0

D’après http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr

Figure

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Références

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