1°) STI2D Antilles 2013 B-2-2 Transfert d’énergie sous forme électrique
Le principe de fonctionnement de la pile à combustible a été inventé en 1839 par W. Grove. Le dispositif est continûment alimenté en combustible, par exemple du dihydrogène dans une pile à hydrogène, et en dioxygène atmosphérique. De façon générale, le fonctionnement électrochimique d’une cellule élémentaire de pile à hydrogène peut être décrit selon le schéma ci-dessous.
Chaque cellule élémentaire est constituée de deux compartiments disjoints alimentés chacun en gaz réactifs dioxygène et dihydrogène. Les deux électrodes sont séparées par l’électrolyte, solution qui laisse circuler les ions. Du platine est inséré dans les deux
électrodes poreuses.
On utilise cette pile comme source d’énergie d’un moteur électrique d’une voiture.
Pour cette pile, les demi-équations des réactions aux électrodes s’écrivent respectivement à l’anode et à la cathode :
H2(g)= 2H+(aq)+2e- et O2(g)+ 4H+(aq)+4e-= 2H2O(l)
a) Le dihydrogène joue-t-il le rôle de réducteur ou d’oxydant dans la réaction à l’anode ? Justifier la réponse.
b) Montrer que l’équation de la réaction globale de fonctionnement s’écrit : 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l)
c) Par comparaison au carburant étudié en B-2-1, quel avantage présente cette pile pour l’environnement ?
d) A l’aide de l’annexe 3 :
- Proposer une solution pour limiter le volume de dihydrogène dans le réservoir.
- Citer un problème auquel est confrontée la technologie des piles à hydrogène.
Annexe 3 :
Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène est particulièrement propre puisqu'il ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais jusqu'en 2010, la
fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité non négligeable de platine nécessaire et au coût des membranes échangeuses d'ions.
Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en
dihydrogène. Sur Terre, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O, c'est-à-dire l'eau), au soufre (sulfure d'hydrogène, H2S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz naturel ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit d'utiliser des combustibles fossiles, 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.
Le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bars), 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. Le dihydrogène n'est donc pas une source d'énergie primaire, c'est un vecteur d'énergie.
2°) STI2D métropole 2013 B.1. L’accumulateur Li-Mn
B.1.1. Vérifier si le choix du type d'accumulateur (batterie) est judicieux pour réaliser un trajet journalier moyen et pour recharger l’accumulateur (annexe B1).
B.1.2. Préciser à quelles grandeurs physiques correspondent les indications 8,8 Ah et 422 Wh qui figurent sur le descriptif technique en annexe B1.
B.1.3. Calculer l’intensité I du courant constant pouvant être débité pendant un durée de 6 h jusqu’à la décharge complète de l’accumulateur.
B.1.4. Calculer la durée Δt d’utilisation de l’accumulateur (jusqu’à sa décharge complète) si la puissance consommée par le moteur et les équipements vaut P = 140 W.
B.1.5. Après avoir consulté le principe de l’accumulateur Li-Mn (annexe B2), compléter le document réponse DR2 en indiquant :
· les sens de déplacement des porteurs de charges (électron et ion lithium) et le sens du courant I lorsque la batterie se décharge.
· les polarités de l'accumulateur.
· les noms des électrodes et des réactions qui s'y produisent.
Justifier chacune des réponses et écrire notamment l'équation de la réaction chimique qui se produit au niveau de l'électrode en carbone (C).
B.1.6. Lors de la recharge de l'accumulateur, donner la nature (continue ou alternative) et la valeur de la tension U (annexe B3).
Annexe B1 - Extrait du descriptif technique
Motorisation électrique : Moteur 250 W ; 48V High Torque Brushless BionX Nombre de programmes moteur : 4 en assistance / 4 en régénération + booster + mode piéton 6 km/h + récupération d’énergie.
Principe d’assistance : proportionnel à l’effort de pédalage - capteur de couple intégré au moteur.
Console Ordinateur de bord LCD avec indicateur de charge batterie - gâchette - Commande séquentielle de changement de mode et booster.
Batterie Li-Mn 48 V 8,8 Ah 422 Wh downtube amovible avec antivol et indicateur de charge intégré. Temps de recharge batterie : 5 à 7 h (80 à 100 %).
Autonomie mini 80 km ; autonomie maxi 130 km.
Annexe B2 - Principe d'un accumulateur Li-Mn
Dans un accumulateur Lithium-ion, des atomes de lithium s'intercalent dans les cavités des réseaux cristallins. On utilise une électrode en oxyde métallique lithié (LiMnO2) et
une électrode en carbone C séparés par un électrolyte : on obtient ainsi un
accumulateur déchargé. Puis, à l'aide d'un générateur, on force le lithium à passer, sous forme ionique Li+, à travers l'électrolyte, pour rejoindre l'électrode en carbone, où il rencontre un électron pour reformer un atome de lithium.
Théoriquement, 6 atomes C peuvent accueillir 1 atome Li. Lorsque toutes les cavités sont occupées, la batterie est chargée à son maximum de capacité. Le lithium est alors prêt pour le voyage retour ! Ci-dessous, un accumulateur chargé.,
3°) STI2D Nouvelle-Calédonie Rempl. 2013
C.II.1) Sur le document réponse DR3, l'accumulateur fonctionne-t-il en charge ou en décharge ? Justifier.
C.II.2) Compléter le schéma du document réponse DR3, en faisant apparaître le sens de déplacement des électrons et la borne positive de l'accumulateur.
C.II.3) En déduire la demi-équation d'oxydo-réduction au niveau de l'électrode en plomb.
S'agit-il d'une oxydation, d'une réduction ?
C.II.4) De même, écrire la demi-équation d'oxydo-réduction au niveau de l'électrode en oxyde de plomb. S'agit-il d'une oxydation, d'une réduction ?
C.II.5) Quel type de conversion d'énergie se produit-il lors de cette utilisation de l'accumulateur
?
C.II.6) Expliquer la différence entre une pile et un accumulateur.
C.III. Ci-dessous, sont reproduits les schémas d'une batterie Li-ions, l'une chargée et l'autre déchargée.
Dans ces batteries, ce sont les ions lithium Li+ qui se déplacent entre les deux électrodes, sans jamais réagir.
C.III.1) Faire un schéma correspondant à la charge de cette batterie, en schématisant les éléments nécessaires (générateur, sens du courant et des électrons, mouvement des ions lithium dans l'électrolyte).
C.III.2) Faire un schéma correspondant à la décharge de cette batterie, en schématisant les éléments nécessaires (récepteur, sens du courant et des électrons, mouvement des ions lithium dans l'électrolyte).
C.IV. D'après l'annexe I et l'annexe 4, justifier le choix technologique des accumulateurs pour le Tûranor Planet Solar, en citant au moins trois raisons.
ANNEXE 1 : DESCRIPTION
L'attribut le plus passionnant de cet énorme bateau à double coque ne s'entrevoit que du ciel : des panneaux solaires de la société Solon AG de Berlin sont installés sur le pont, mettant en oeuvre des cellules solaires haute efficacité fabriquées par la société américaine SunPower Corporation (San José en Californie). Un total de 825 modules, équipés de 38.000 cellules photovoltaïques individuelles sur une surface totale de 537 mètres carrés (flaps et « ailerons arrière » compris). Ils collectent l'énergie qui sera ensuite stockée dans six blocs de douze batteries chacun (648 cellules fonctionnant selon la toute dernière technologie du lithium-ion sans maintenance de la société GAIA à Nordhausen). Chacun de ces six blocs pèse juste un peu moins de deux tonnes (des batteries au plomb conventionnelles de même capacité auraient pesé sept fois plus pour une durée de vie moindre).
Le TÛRANOR PlanetSolar est dirigé par deux propulseurs en fibres de carbone avec hélices à contre rotation de la société Turbo Marine Composite Technology GmbH à Hohen Luckow, près de Rostock en Allemagne. Le diamètre de chacun de ces propulseurs est de près de deux mètres, le double de ce qui se fait habituellement pour un bateau de cette taille, ce qui rend la propulsion plus efficace.
Lorsque la moitié du propulseur est dans l'air et l'autre plongée dans l'eau, un effet de roue se crée. Il est alors possible de gouverner le bateau sans l'aide du safran. Quatre moteurs
électriques qui viennent de Nuremberg, deux par arbre de transmission, délivrent 120 kW et leur efficacité énergétique de plus de 90 % est incroyablement élevée.
En navigation solaire, le défi principal est de combler le temps dépourvu de soleil au moyen d'un dispositif de stockage et d'une propulsion efficace, et c'est à quoi ces nouvelles
technologies font face avec succès. « Nous sommes en train de démontrer, à notre façon, que
la navigation motorisée peut fonctionner sans carburant », selon les propos succincts d'Immo Ströher, entrepreneur et propriétaire du PlanetSolar TÛRANOR.
ANNEXE 4 : DOCUMENT C.E.A.
(Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives) Les données caractéristiques d'un accumulateur :
Les principales caractéristiques d'un accumulateur sont les suivantes :
L a t ension, expr imée en v ol t s (V), cor r espond au pot ent iel d' oxy do- r éduct ion ent r e l es deux
électrodes de la batterie.
L a char ge él ect r ique est l a quant i t é d' él ect r ons que peut cont enir l ' accumul at eur , el l e se
mesure en ampère-heure (A.h). La capacité de charge électrique correspond à la charge maximale fournie par l'accumulateur, c'est-à-dire entre le moment où il est chargé à sa pleine capacité et le moment où il est complètement déchargé (cycle complet de décharge) ; pour certaines technologies employées, cette capacité diminue progressivement au fur et à mesure des cycles de l'accumulateur (vieillissement).
Al or s que l a char ge él ect r ique n' est compar abl e que pour des t ensions égal es, l a not ion
d'énergie stockée permet de comparer différents types d'accumulateurs ou batteries de tensions différentes ; elle se mesure en watt-heure (W.h).
Les performances d'un accumulateur, quelle que soit la technologie utilisée, sont pour l'essentiel définies par trois critères :
La densité d'énergie massique (ou volumique), en watt-heure par kilogramme, W.h/kg (ou en watt-heure par litre, W.h/L), correspond à la quantité d'énergie stockée par unité de masse (ou de volume) d'accumulateur. Elle va définir son autonomie.
La 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. Ce critère donne une idée de la conductivité intrinsèque de l'accumulateur, qui doit offrir le moins de résistance possible au courant.
La 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 un niveau d'énergie supérieur à 80 % de son énergie nominale, cette valeur étant celle la plus souvent demandée pour les applications mobiles.
Bref historique des technologies d'accumulateurs :
Jusqu'à la fin des années 1980, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage des véhicules, notamment) et les accumulateurs nickel-cadmium : NiCd. Dans la technologie au plomb, les réactions chimiques impliquent l'oxyde de plomb constituant l'électrode positive et le plomb de l'électrode négative, toutes deux plongées dans une solution d'acide sulfurique qui constitue l'électrolyte.
La technologie au plomb comprend plusieurs inconvénients : poids, fragilité, utilisation d'un liquide corrosif. Cela a conduit au développement d'accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d'électricité restituée à la décharge) mais développant une force
électromotrice moindre (différence de potentiel aux bornes du système en circuit
ouvert). Leurs électrodes sont soit à base de nickel et de cadmium (technologie NiCd), soit à base d'oxyde de nickel et de zinc, soit à base d'oxyde d'argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer. Toutes ces technologies utilisent une solution de potasse comme électrolyte. Elles se caractérisent par une grande fiabilité mais leurs densités d'énergie massique restent relativement faibles (30 W.h/kg pour le plomb, 50 W.h/ kg pour le nickel-cadmium).
Au début des années 1990, avec la croissance du marché des équipements portables, deux nouvelles filières technologiques ont émergé : les accumulateurs nickel-métal hydrure (NiMH) et les accumulateurs au lithium (Li).
Les premiers, utilisant une électrode positive à base de nickel et une électrode négative constituée d'un alliage absorbant l'hydrogène, toutes deux plongées dans une solution de potasse concentrée, atteignent une densité d'énergie massique de ± 80 W.h/kg, supérieure d'au moins 30 % à celle des accumulateurs NiCd.
La technologie NiMH, qui équipe aujourd'hui la plupart des véhicules hybrides en circulation - Honda et Toyota notamment -, offre plusieurs avantages par rapport aux technologies
précédentes :
- elle ne contient ni cadmium ni plomb, deux matériaux très polluants ; - elle permet de stocker plus d'énergie que le NiCd.
DR3 – Batterie au plomb
4°) STI2D Polynésie 2013 LA TOYOTA PRIUS PLUG-IN, UNE HYBRIDE RECHARGEABLE
M. SOLAIRE, en parcourant le dossier de presse de l’INES, s’est arrêté sur la Toyota Prius Plug-in hybride. Toujours aussi curieux M. SOLAIRE va vous demander quelques
éclaircissements.
B.1 Présenter à M. SOLAIRE, sous la forme d’un tableau, en précisant les avantages et les inconvénients (lorsqu’ils sont mentionnés), des accumulateurs au plomb, au Nickel- Cadmium (NiCd) et au Nickel métal hydrure (NiMH). Vous pouvez vous aider du
document 8.
B.2 Sur les premières Toyota Hybride Prius on trouve un accumulateur « Nickel-métal hydrure (NiMH) ».
Les demi-équations des réactions aux électrodes lors de la
décharge sont les suivantes :
Ni(OH)2(s) + OH –(aq) = NiOOH(s) + H2O(l) + e
-
(1) M(s) + H2O(λ) + e-
= MH(s) + OH –(aq) (2)Bilan du fonctionnement de l’accumulateur lors de sa décharge : Ni(OH)2(s) + M(s) NiOOH(s) + MH(s)
B.2.1 Dans cet accumulateur le métal M est un oxydant. Que signifie ce terme ? Préciser le couple oxydant/réducteur auquel il appartient.
B.2.2 Le métal subit-il une oxydation ou une réduction lors de la décharge ?
B.2.3 Quelle est la nature du pôle constitué par le métal : positif ou négatif ? Justifier.
B.2.4 A l’aide de la demi-équation (1), calculer la quantité maximale d’électrons ne - (en mol) pouvant circuler dans le circuit sachant que l’accumulateur contient 23 g d’hydroxyde de Nickel Ni(OH)2.
Données : masses atomiques molaires
M(Ni) = 58,7 g.mol -1M(O) = 16,0 g.mol -1M(H) = 1,00 g.mol -1
B.2.5 La capacité d’un accumulateur est la quantité maximale d’électricité en coulomb qu’il peut débiter. Montrer qu’elle est voisine de 6,7 A.h.
Rappel : la capacité Q se calcule à l’aide de relation Q = ne- x F ne- : quantité d’électrons (en mol) qui circule dans le circuit.
F : Faraday : 1 F = 96320 C.mol-1 1 A.h = 3600 C
B.2.6 Écrire l’équation de la réaction qui a lieu lors de la charge de l’accumulateur.
B.2.7 La Toyota Prius Plug-in est, quant à elle, équipée d'un accumulateur lithium-ion d’énergie E = 4,40 kW.h et de tension U = 207 V. Le temps de recharge complète via une prise de courant classique est t = 90 minutes.
M. SOLAIRE se demande si une « prise 16 A » (supportant un courant d’intensité
maximale 16 A) suffit ou s’il faut absolument une « prise 32 A » (utilisée par exemple pour le four d’une cuisine).
Calculer l’intensité du courant de charge et répondre à son interrogation.
B.2.8 En analysant le document 9 et en argumentant, indiquer un critère possible retenu par Toyota pour justifier l’équipement de ses futures Prius d’accumulateurs lithium-ion plutôt que des accumulateurs Nickel-métal hydrure (NiMH) ?
DOCUMENT 8 RELATIF A LA QUESTION B.1 Bref historique des technologies d’accumulateurs (D’après dossier de presse du CEA) :
Jusqu’à la fin des années 1980, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage des véhicules, notamment) et les accumulateurs nickel-cadmium NiCd. Dans la technologie au plomb, les réactions chimiques impliquent l’oxyde de plomb constituant l’électrode positive et le plomb de l’électrode négative, toutes deux plongées dans une
solution d’acide sulfurique qui constitue l’électrolyte.
La technologie au plomb présente plusieurs inconvénients : poids, fragilité,
utilisation d’un liquide corrosif. Cela a conduit au développement d’accumulateurs alcalins, de plus grande capacité (quantité d’électricité restituée à la décharge) mais développant une force électromotrice moindre (différence de potentiel aux bornes du système en circuit ouvert). Leurs électrodes sont, soit à base de nickel
et de cadmium (technologie NiCd), soit à base d’oxyde de nickel et de zinc, soit à base d’oxyde d’argent couplé à du zinc, du cadmium ou du fer. Toutes ces
technologies utilisent une solution de potasse comme électrolyte. Elles se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d’énergie massique
restent relativement faibles (30 W.h/kg pour le plomb, 50 W.h/kg pour le nickel cadmium).
Au début des années 1990, avec la croissance du marché des équipements portables, deux nouvelles filières technologiques ont émergé : les accumulateurs nickel-métal hydrure (NiMH) et les accumulateurs au lithium (Li).
Les premiers, utilisant une électrode positive à base de nickel et une électrode négative constituée d’un alliage absorbant l’hydrogène, toutes deux plongées dans une solution de potasse concentrée, atteignent une densité d’énergie massique de +/- 80 W.h/kg, supérieure d’au moins 30 % à celle des
accumulateurs NiCd.
La technologie NiMH, qui équipe aujourd’hui la plupart des véhicules hybrides en circulation - Honda et Toyota notamment -, offre plusieurs avantages par rapport aux technologies précédentes :
- elle ne contient ni cadmium ni plomb, deux matériaux très polluants ; - elle permet de stocker plus d’énergie que le NiCd.
DOCUMENT 9 RELATIF A LA QUESTION B.2.8
Comparatif batteries lithium-ion (Li-ion) et nickel-métal hydrure (NiMH)
