Enseignement scientifique Terminale - 2024
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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
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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
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Fiches histoire
Annexes
Ch. 5
Activité 4 - documentaire
Distribution de l'énergie électrique
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Introduction
L'énergie électrique est produite dans les centrales. Elle doit être transportée à
travers le réseau électrique vers les différents points de distribution. Lors de ce
transport, une partie de l'énergie est dissipée à cause de l'effet Joule.
Problématique
Comment optimiser la distribution de l'énergie électrique en limitant l'effet Joule ?
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- Puissance électrique
- Effet Joule
- Loi d'Ohm
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Documents
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Doc. 1De la centrale au consommateur
En Europe, les producteurs d'électricité sont reliés aux
consommateurs (particuliers, industries) par un vaste réseau
de transport, constitué de lignes à haute tension (HT) de
plus de 50 kV, à moyenne tension (MT) de 1 kV et 50 kV et à
basse tension (BT) à moins de 1 000 V. Des transformateurs
permettent d'augmenter ou d'abaisser la tension entre les
différents types de lignes.
Depuis l'arrivée des énergies renouvelables, le réseau est contrôlé par des smart grids.
Depuis l'arrivée des énergies renouvelables, le réseau est contrôlé par des smart grids.
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Doc. 2Schéma d'un smart grid
Les smart grids sont des technologies intégrées au réseau de
production et de consommation d'électricité. Ils ont pour
objectif de collecter des données afin d'optimiser la production
et la consommation, notamment en améliorant l'injection
d'énergie électrique provenant de sources d'énergie
intermittentes (solaire et éolien).
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Doc. 3Constitution d'un câble électrique
Pour conduire le courant électrique, les câbles haute tension
sont constitués d'une âme en cuivre conductrice (au centre)
dont la section peut atteindre 2 500 mm2. Pour protéger la
circulation du courant des influences extérieures, l'âme est
recouverte par une enveloppe isolante, un écran métallique
et une gaine extérieure.
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Doc. 4Effet Joule
Lorsqu'un matériau est traversé par un courant électrique, il
s'échauffe inévitablement en raison de sa résistance R. Ce phénomène
est appelé effet Joule. La puissance dissipée P_{\mathrm{J}} par le conducteur
vaut :
\begin{array}{l|l} P_{\mathrm{J}}=R \cdot I^2 & \begin{array}{l} P_{\mathrm{J}}: \text { puissance dissipée par effet Joule }(\mathrm{W}) \\ R: \text { résistance électrique }(\Omega) \\ I: \text { intensité du courant électrique }(\mathrm{A}) \end{array} \end{array}
Dans certains cas, l'effet Joule est intéressant : dans un four électrique ou un grille-pain, l'énergie dégagée sert à chauffer des aliments.
Dans d'autres cas, l'effet Joule est un inconvénient : l'énergie dégagée est perdue et se dissipe dans l'environnement sans possibilité de la récupérer.
\begin{array}{l|l} P_{\mathrm{J}}=R \cdot I^2 & \begin{array}{l} P_{\mathrm{J}}: \text { puissance dissipée par effet Joule }(\mathrm{W}) \\ R: \text { résistance électrique }(\Omega) \\ I: \text { intensité du courant électrique }(\mathrm{A}) \end{array} \end{array}
Dans certains cas, l'effet Joule est intéressant : dans un four électrique ou un grille-pain, l'énergie dégagée sert à chauffer des aliments.
Dans d'autres cas, l'effet Joule est un inconvénient : l'énergie dégagée est perdue et se dissipe dans l'environnement sans possibilité de la récupérer.
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Doc. 5Modélisation du réseau électrique
Le réseau électrique peut être modélisé par le circuit suivant.
Modélisation du réseau électrique où U_{\text {chute }} est la baisse de tension due à l'effet Joule, bien plus faible que U_{\mathrm{HT}} la haute tension
Modélisation du réseau électrique où U_{\text {chute }} est la baisse de tension due à l'effet Joule, bien plus faible que U_{\mathrm{HT}} la haute tension
À la sortie d'une centrale, la tension est de quelques kilovolts
(kV) pour une puissance P_{\text {centrale }}=1 GW. Mais un
transformateur élève la tension pour assurer le transport de
l'électricité en très haute tension avec U_{\mathrm{HT}}=400 kV. Cela
permet un transport à des intensités de courant plus faibles
pour une même puissance.
En France, on compte plus de 100 000 km de lignes à haute et très haute tension.
En France, on compte plus de 100 000 km de lignes à haute et très haute tension.
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Doc. 6Influence de différents paramètres
sur la résistance
La résistance d'un câble électrique dépend de plusieurs paramètres :
L'âme des câbles électriques est généralement réalisée en cuivre, mais peut aussi être en aluminium.
R=\rho \cdot \frac{L}{S} \left\lvert\, \begin{aligned}
& R: \text { résistance électrique }(\Omega) \\
& \rho: \text { résistivité du matériau }(\Omega \cdot \mathrm{m}) \\
& S: \text { section }\left(\mathrm{m}^2\right) \\
& L: \text { longueur }(\mathrm{m})
\end{aligned}\right.
L'âme des câbles électriques est généralement réalisée en cuivre, mais peut aussi être en aluminium.
| Matériau | Cuivre | Or | Aluminium |
|---|---|---|---|
Résistivité \left(\times 10^{-8}\; \Omega \cdot m\right)
|
1,7
|
2,2
|
2,8
|
Résistivité de quelques métaux
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Retrouvez sur les smart grids
ainsi qu'une explication de l'offre et de la
demande.
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Questions
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1. Doc. 1 et Doc. 2 Expliquer les raisons pour lesquelles la
production et la consommation d'énergie électrique
nécessitent l'utilisation de smart grids.
2. Doc. 4 Identifier pourquoi l'effet Joule est un inconvénient
dans le cas du transport de l'électricité.
3. Doc. 5 Justifier, à l'aide de la loi d'Ohm et de l'expression
de la puissance électrique, la relation permettant
de calculer la puissance dissipée par effet Joule
P_J. Comment évolue cette puissance P_J si l'intensité I
du courant électrique est divisée par 2 ?
4. Doc. 3, Doc. 4, Doc. 5 et Doc. 6 Lister les leviers permettant de réduire les
pertes par effet Joule et indiquer, en justifiant, celui
qui a le plus fort impact.
5. Bilan Répondre à la problématique en citant deux
actions principales mises en place pour optimiser le
transport et la distribution de l'électricité en Europe.
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Smart grid : technologie de collecte de données et de pilotage
permettant d'optimiser la distribution d'électricité.
Transformateur : dispositif électrique permettant de modifier la tension électrique avec un très bon rendement.
Transformateur : dispositif électrique permettant de modifier la tension électrique avec un très bon rendement.
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