Enseignement scientifique Terminale - 2024
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Mes Pages
Sciences, climat et société
Ch. 1
L’atmosphère terrestre et la vie
Ch. 2
La complexité du système climatique
Ch. 3
Le climat du futur
Se préparer à l'évaluation - Thème 1
Le futur des énergies
Ch. 4
Deux siècles d’énergie électrique
Ch. 5
Conversion et transport de l’énergie électrique
Ch. 6
Énergie, développement et futur climatique
Se préparer à l'évaluation - Thème 2
Une histoire du vivant
Ch. 7
La biodiversité et son évolution
Ch. 8
L’évolution comme grille de lecture du monde
Ch. 9
L’évolution humaine
Ch. 10
Les modèles démographiques
Ch. 11
De l’informatique à l’intelligence artificielle
Se préparer à l'évaluation - Thème 3
Livret maths
Fiches méthode
Esprit critique et scientifique
Améliorer ses compétences
Fiches histoire
Annexes
Ch. 5
Activité 3 - documentaire
Stockage et conversion d'énergie
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Introduction
Face à l'irrégularité de la disponibilité de certaines ressources en énergie renouvelables
comme le Soleil ou le vent, il faudrait pouvoir stocker le surplus d'énergie afin de
l'utiliser ultérieurement, notamment lors des périodes où la demande est forte.
Problématique
Quels sont les avantages et les inconvénients des méthodes de stockage
de l'énergie ?
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- Formes d'énergie
- Chaînes énergétiques
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Documents
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Doc. 1Principe de fonctionnement d'une STEP
Le barrage de Grand'Maison en Isère a
été mis en service en 1988. La centrale
liée à ce barrage est une STEP (station
de transfert d'énergie par pompage).
Elle permet de remonter l'eau dans le
barrage lorsque la production est supérieure
à la consommation.
Lorsque la demande d'électricité devient
plus importante, la centrale fonctionne
comme une centrale hydroélectrique
normale.
Le bassin supérieur peut contenir une masse d'eau de 132 \times 10^6 \mathrm{~t} et chaque tonne d'eau permet de produire 272 \mathrm{~W} \cdot \mathrm{h} d'énergie électrique. Néanmoins, pour produire 100 \mathrm{~kW} \cdot \mathrm{h} d'énergie électrique lors de la phase de restitution, il faut consommer 125 \mathrm{~kW}\cdot \mathrm{h} d'énergie électrique lors du pompage de la phase de stockage.
Le bassin supérieur peut contenir une masse d'eau de 132 \times 10^6 \mathrm{~t} et chaque tonne d'eau permet de produire 272 \mathrm{~W} \cdot \mathrm{h} d'énergie électrique. Néanmoins, pour produire 100 \mathrm{~kW} \cdot \mathrm{h} d'énergie électrique lors de la phase de restitution, il faut consommer 125 \mathrm{~kW}\cdot \mathrm{h} d'énergie électrique lors du pompage de la phase de stockage.
Schéma animé
Schéma statique
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Doc. 2Stockage à l'aide d'un accumulateur
Ce que l'on appelle « batteries » correspond en réalité à des
accumulateurs. Ils fonctionnent comme une pile lors de
la décharge. Mais sous l'action d'un courant électrique, le
sens de la transformation chimique s'inverse. Les produits
formés lors de la décharge reforment alors les réactifs de
départ : l'accumulateur est de nouveau chargé.
Aujourd'hui, les accumulateurs lithium-ion sont les plus utilisés (smartphones, tablettes, etc.). Ces accumulateurs peuvent atteindre une densité énergétique de 200 \mathrm{~W} \cdot \mathrm{h} par kilogramme de matière et peuvent supporter plusieurs centaines de cycles de charge. Ils ont en moyenne un rendement d'environ 90 %.
Fonctionnement d'un accumulateur au plomb
Aujourd'hui, les accumulateurs lithium-ion sont les plus utilisés (smartphones, tablettes, etc.). Ces accumulateurs peuvent atteindre une densité énergétique de 200 \mathrm{~W} \cdot \mathrm{h} par kilogramme de matière et peuvent supporter plusieurs centaines de cycles de charge. Ils ont en moyenne un rendement d'environ 90 %.
Schéma animé
Schéma statique
Supplément numérique
Visualisez schématiquement les déplacements .
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Doc. 3Volant d'inertie
Un volant d'inertie permet de stocker de l'énergie sous
forme cinétique avec un rendement de 80 % et une densité
énergétique de plusieurs centaines de watts-heures par kilogramme.
Durant le stockage, un moteur 1 convertit l'énergie
électrique en énergie cinétique faisant tourner la roue 2.
En phase de restitution, le moteur 1 devient générateur et
convertit l'énergie cinétique en électricité faisant ralentir la
roue 2 et alimentant le circuit 3.
Ce système est employé dans le métro de Rennes où une roue de 2,5 tonnes est installée au centre d'une ligne. Lors du freinage de la rame, une partie de l'énergie sert à accélérer la roue et cette énergie est restituée au redémarrage de la rame. Cela permet au métro d'économiser l'équivalent d'une dizaine de jours de consommation électrique par an.
Ce système est employé dans le métro de Rennes où une roue de 2,5 tonnes est installée au centre d'une ligne. Lors du freinage de la rame, une partie de l'énergie sert à accélérer la roue et cette énergie est restituée au redémarrage de la rame. Cela permet au métro d'économiser l'équivalent d'une dizaine de jours de consommation électrique par an.
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Doc. 4Dihydrogène, futur du stockage ?
Il est possible de former du dihydrogène \mathrm{H}_2 par décomposition
de l'eau
\mathrm{H}_2 \mathrm{O} en utilisant de l'énergie électrique
(électrolyse).
Ensuite, la transformation inverse peut être réalisée dans une pile à combustible. Elle produit de l'eau et de l'électricité.
Cette méthode de stockage présente deux inconvénients :
2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow 2 \mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2
Ensuite, la transformation inverse peut être réalisée dans une pile à combustible. Elle produit de l'eau et de l'électricité.
2 \mathrm{H}_2+\mathrm{O}_2 \rightarrow 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}
Cette méthode de stockage présente deux inconvénients :
- la molécule de dihydrogène \mathrm{H}_2 est si petite qu'elle passe à travers la plupart des matériaux ; étant gazeux, le dihydrogène occupe un très grand volume. Ainsi, il faut le conserver à des pressions très élevées et des températures très faibles, ce qui implique de gros enjeux technologiques ;
- pour restituer 100 \mathrm{~kW} \cdot \mathrm{h}, il faut consommer 440 \mathrm{~kW} \cdot \mathrm{h}, ce qui engendre un rendement médiocre.
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Questions
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1. Doc. 1, Doc. 2, Doc. 3 et Doc. 4 Pour chaque système décrit, nommer la
forme d'énergie stockée.
2. Doc. 1 Schématiser les chaînes énergétiques liées
aux deux phases de fonctionnement de la STEP.
3. Doc. 1 Calculer le rendement et la densité énergétique d'une STEP.
4. Doc. 4 Calculer le rendement du stockage par dihydrogène
\mathrm{H}_2.
5. Bilan Comparer les différents modes de stockage
vis-à-vis des critères suivants :
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3. Doc. 1 Calculer le rendement et la densité énergétique d'une STEP.
- contraintes sur l'environnement ;
- densité d'énergie ;
- rendement.
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Densité énergétique : quantité d'énergie stockée en watt-heure
(W·h) pour 1 kg du matériau de stockage.
Rendement : dans le cadre du stockage, rapport entre l'énergie électrique restituée après stockage et l'énergie électrique consommée pour le stockage.
Rendement : dans le cadre du stockage, rapport entre l'énergie électrique restituée après stockage et l'énergie électrique consommée pour le stockage.
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