Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3181
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Partie 1 – Le charbon
Le charbon est un terme générique qui désigne des roches sédimentaires carbonées (qui contiennent un taux de carbone > 50 %) telles que le lignite, la houille et l’anthracite.
Document 1 – Les cellules végétales
Les cellules végétales sont entourées d’une paroi épaisse qui se voit au microscope. Elle est constituée de plusieurs macromolécules dont la cellulose ou la lignine.
Photographie de cellules végétales
(MEB)
Modèle moléculaire d’un segment de lignine
Source : https://eduterre.ens-lyon.fr
Document 2 – Le lignite
Les molécules du lignite contiennent essentiellement les éléments chimiques C, H et O.
Voici un exemple de molécule constituant le lignite.
Observation microscopique d’éléments contenus dans le lignite
Source : https://eduterre.ens-lyon.fr
1- À partir des documents 1 et 2, donner les indices qui amènent à penser que le charbon a une origine végétale.
L’énoncé nous dit que le terme charbon désigne des roches sédimentaires carbonées comme le lignite.
Dans le document 2 qui est constitué d’un modèle moléculaire, de texte et d’une photo au microscope (type MEB, vu l’échelle), nous donne des informations sur le lignite.
Le document qui est aussi constitué d’un modèle moléculaire, de texte et d’une photo au microscope (MEB), nous donne des informations sur les cellules végétales.
Si nous comparons le s2 photos qui sont sur le même ordre de grandeur d’échelles, nous pouvons apprécier une similitude de structure entre la matière végétale et le lignite.
De plus, si nous comparons les 2 modèles moléculaires nous pouvons aussi percevoir qu’il y a une grande proximité, en effet l’organisation des deux fragments de molécules est très proche, seules quelques groupes et quelques liaisons sont différentes.
Nous en déduisons que ce sont des indices qui amènent à penser l’origine végétale du lignite et donc du charbon
2- Écrire l’équation qui modélise la combustion complète du charbon. On considérera que le charbon est du carbone C.
Une combustion est une réaction impliquant comme réactif le dioxygène
C + O2 →CO2
3- À partir des documents 1 et 3 (page suivante) et de vos connaissances, expliquer pourquoi la combustion du charbon déséquilibre le cycle du carbone et conduit à une modification du climat.
Le document 3 est un schéma qui montre le cycle du carbone.
Il met en jeux les échanges entre 4 différentes réserves,
Atmosphère ( 770 GTc)
Biosphère ( 610gTc)
Hydrosphère ( 39000 GTc)
Lithosphère ( 50005000 GTc)
Premièrement la combustion constitue un échange entre la lithosphère et l’atmosphère, c’est à dire entre deux réserves qui ne sont pas du tout sur le même ordre de grandeur de stockage.
De plus, nous savons que le CO2 généré est un GES .
La combustion des roches sédimentaires provoque un transfert important de carbone entre la lithosphère et l’atmosphère pouvant augmenter fortement la quantité de carbone contenue dans l’atmosphère. Celle-ci se fait sous forme de CO2, un GES et donc va provoquer un changement climatique par blocage de la chaleur par l’atmosphère.
Document 3 – Cycle du carbone
Source : https://coursgeologie.com
Partie 2 – La centrale
Document 4 – Production d’électricité par des centrales à charbon
Malgré les dommages qu’elles causent au climat, en raison des gaz à effet de serre qu’elles émettent, les centrales électriques au charbon sont encore promises à un bel avenir. Selon le rapport annuel du Global Energy Monitor publié mardi 26 avril, des projets de construction ou d’extension sont en cours dans trente-quatre pays, essentiellement en Chine.
Au total, le monde, qui compte plus de 2 400 centrales à charbon dans 79 pays- pour une capacité de production totale de près de 2 100 gigawatts) -, a prévu d’augmenter de 456 gigawatts sa capacité de production électrique via de nouveaux projets de centrales à charbon, constate le rapport, qui salue néanmoins la tendance globale au ralentissement des implantations, sauf l’an passé.
Source : d’après Le Monde du 26 Avril 2022
4- Schématiser la chaine de transformation énergétique d’une centrale à charbon en faisant apparaître les transferts énergétiques entre réservoir(s) et convertisseur(s).
5- En utilisant le document 4, déterminer le pourcentage d’augmentation prévu pour la production d’électricité par des centrales à charbon dans le monde.
$$\text{Augmentation}=\frac{\text{energie produite en plus}\times 100}{\text{energie totale produite}}=\frac{456\times 100}{2100}=22\ %$$
L’augmentation de production est de 22 %
6- Expliquer pourquoi, dans le texte de l’article du Monde, le rapport « salue néanmoins la tendance globale au ralentissement des implantations » des centrales à charbon.
Bien que des pays font le choix de construire plus de centrales à charbons d’autres font le choix d’utiliser des alternatives qui ne dépendent pas du charbon. Par exemple en France, il n’y a que3% de la production totale qui provient du charbon et elle devrait s’annuler d’ici quelques années. Même la chine prévoit de construire plus de centrales thermiques nucléaires qui viennent limiter les centrales à charbon.
7- Citer deux autres méthodes qui permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter de combustion.
Deux méthodes qui ne nécessitent pas de combustion pour produire de l’électricité sont
- Le photovoltaïsme
- – l’éolien
Partie 3 – Transport de l’énergie
Les pertes d’énergie dans un câble électrique dites pertes « en ligne » sont essentiellement dues à l’effet Joule (effet thermique qui se produit lors du passage du courant électrique).
EDF subit des pertes énergétiques importantes par effet Joule dans les câbles transportant l’énergie électrique.
Document 5 – Résistance du fil électrique
La résistance d’une portion de fil de longueur L et de section s est donnée par la relation suivante : $R=\rho\frac{L}{s}$, avec L en m et s en m2.
Pour le cuivre $\rho=1,7\times 10^{-8}\ \Omega.m$.
Document 6 – Rappel : effet Joule
La puissance dissipée par effet Joule dans un conducteur ohmique est :
𝑃 = 𝑅 × 𝐼²
avec 𝑅 la résistance en Ω et 𝐼 l’intensité en A.
Document 7 – Puissance, intensité et tension
Pour une tension (efficace) 𝑈 = 230 V, l’intensité I nécessaire pour alimenter un appareil de puissance 𝑃 = 4 kW est de 17,4 A.
Pour une tension (efficace) 𝑈 = 1500 V, l’intensité I nécessaire pour alimenter un appareil de puissance 𝑃 = 4 kW est de 2,7 A.
8- Vérifier que la résistance d’un fil électrique d’un fil de cuivre long de 1,0 km et de section 𝑆 = 16 mm² est de 1,1 × 10−3Ω .
Nous utilisons la formule donnée par l’énoncé :
$$R=\rho\times\frac{L}{S}$$
$$R=1.7\times10^{-8}\times\frac{1000}{16\times10^{-6}}$$
R = 1.1 Ω
Il y a un souci dans l’énoncé
9- Vérifier que l’énergie dissipée par effet Joule avec une intensité de 𝐼 = 17,4 A vaut environ 0,33 J.
On utilise la valeur de l’énoncé pour R
Nous pouvons donner la puissance en utilisant la formule du doc 6
P=R×I2
P=1.1×10-3×(17.4)2
P = 0.33 W
E =P×t avec t en secondes
Toutes les secondes nous avons bien une perte d’énergie de 0.33 J
10- Sachant qu’avec une intensité de 𝐼 = 2,7 A l’énergie dissipée par effet Joule est de 0,008 J, justifier le choix d’EDF de faire circuler le courant sous haute tension (1500 V) au lieu d’une basse tension (230 V).
Le document 7 nous donne des informations de consommation.
Pour un même appareil nécessitant 4kW nous avons des intensités utilisées différentes
Comparons les deux effets joules
$$Rapport=\frac{P\ joule\ à\ 230V}{P\ joule\ à\ 1500V}=\frac{0.33}{0.0008}=41.2$$
La perte par effet Joule est 41.2 fois plus grande avec une basse tension (230V) qu’avec une haute tension ( 1500V), nous comprenons le choix qui est fait par EDF de faire circuler le courant avec une haute tension et non une basse tension