Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3211 et n°ENSSCI3193
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Partie A – La bataille des courants (1884-96)
Document 1 – Alternatif et continu, deux courant ennemis
New York est une ville pionnière en matière d’électrification. Le premier réseau urbain d’alimentation électrique en courant continu y est installé en 1882 par Thomas Edison, le père de l’ampoule à incandescence. Cependant ce réseau subit de nombreuses pannes en raison de la forte intensité du courant qui circule dans ses câbles électriques[…], ce qui requiert des câbles volumineux qui surchauffent ou tombent sous l’effet de leur propre poids.
En 1884, Edison embauche un jeune ingénieur Serbe, Nikola Tesla, pour résoudre ce problème. Ce dernier propose rapidement le recours à l’alternatif, un courant électrique qui varie à intervalles réguliers car d’autres ingénieurs viennent d’inventer un transformateur qui fonctionne avec ce type de courant et qui permet d’élever la tension électrique, du coup en gardant un courant de faible intensité dans les réseaux de distribution.
Edison fait la sourde oreille. Six mois plus tard, Tesla claque la porte et rencontre l’industriel Georges Westinghouse, concurrent d’Edison, avec lequel il met au point la première distribution commerciale de courant alternatif en mars 1886.
De cette époque va naître une guerre commerciale entre Edison et Tesla pour imposer un mode de distribution électrique que l’on appellera la guerre des courants. […]
Cette controverse technologique se terminera finalement par la victoire du courant alternatif suite à l’obtention du contrat d’électrification de la ville de Buffalo, à 40 km des chutes du Niagara, en 1896 par la compagnie de Tesla et de Westinghouse.
Source : D’après Marie-Christine de La Souchère, La Recherche, 2018.
1- Expliquer ce que l’on entend par la guerre des courants et identifier les principaux protagonistes de cet affrontement.
Le document est un texte qui explique la concurrence entre deux technologies de distribution d’électricité. En effet, il y a deux possibilités la distribution par courant continu (même tension au cours du temps) et par courant alternatif (tension variable au cours du temps. La tentative d’imposition d’u système sur un autre est ce que l’on appelle la guerre des courants. Les protagonistes sont d’un côté Edison pour le courant continu et de l’autre Westinghouse et Tesla pour le courant alternatif.
2- Décrire les problèmes techniques que rencontrait le réseau électrique en courant continu installé par Edison à New York en 1882.
D’après le document1, le réseau en courant continu tombe souvent en panne car ce système de distribution requiert une forte intensité qui nécessite des câbles volumineux. Ils sont trop lourds et tombent ou ils surchauffent à cause de l’effet Joule
3- Présenter la solution proposée par Nikola Tesla pour résoudre les problèmes liés au courant continu.
La solution proposée par Tesla est d’utiliser du courant alternatif en mettant à profit l’invention d’un transformateur. En effet le courant alternatif en élevant la tension permet de réduire l’intensité du courant pour une puissance constante ( P=UI).
Partie B – Le réseau de transport de l’électricité
Une entreprise de distribution d’électricité transporte de l’électricité depuis une centrale électrique située à 150 km d’une grande ville. Le transport d’énergie sous forme électrique emprunte un réseau de lignes aériennes que l’on peut comparer au réseau routier. Pour minimiser les pertes d’énergie, ce transport s’effectue via une ligne à haute tension.
Document 2 – Données sur le transport de l’énergie électrique
Puissance électrique produite par la centrale et transportée vers les consommateurs : P0 = 600 MW
Tension électrique appliquée à la ligne à haute tension : U = 250 kV Résistance de la ligne à haute tension : R = 30 Ω
Puissance dissipée par effet Joule le long de la ligne : PJ = R × I2 où I est l’intensité du courant électrique circulant dans la ligne électrique
Rappel :
1 MW = 106 W
1 kV = 103 V
Source : d’après contribution à l’étude des systèmes PV/Stockage distribués : impact de leur
intégration à un réseau fragile, Xuan Linh Dang,2014 (https://api.semanticscholar.org/CorpusID:170339454)
4- En utilisant les données du document 2 et la formule littérale reliant la puissance à l’intensité et à la tension électrique : P = U × I, montrer que la valeur de l’intensité I du courant électrique circulant le long de la ligne à haute tension est de 2 400 A.
Valeur de l’intensité
On sait que $P=U\times I$ avec P en W, U en V et I en A
Donc $I=\frac{P}{U}$
Application numérique :
$I=\frac{600\times10^6}{250\times10^3 }$
I=2400A
On a bien I =2400A comme demandé par l’énoncé
5- À l’aide du document 2, déterminer comment varie la puissance dissipée par effet Joule si l’intensité du courant électrique est divisée par deux. Écrire sur votre copie le numéro de la proposition correcte.
| P1 : elle ne varie pas | P2 : elle est divisée par 2 | P3 : elle est divisée par 4 | P4 : elle est multipliée par 4 |
Divisons I de moitié :
$P=R I^2$ si $I’=I/2$ alors $I’^2=I^2/4$
Donc si l’on divise l’intensité par 2 la puissance est divisée, elle, par 4.
La proposition juste est la P2
6- Calculer la valeur de la puissance dissipée par effet Joule PJ le long de la ligne à haute tension.
On sait que $P_J=R\times I^2$
Donc $P_J=30\times(2400)^2$
$P_J=1.7\times10^8J$
7- À puissance transportée fixée, expliquer pourquoi l’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule.
Plus l’intensité est plus faible, moins il y a d’effet Joule ( car Pj=RI2) et comme on a aussi P=UI a puissance constante augmenter la tension revient à diminuer l’intensité.
Il y a tout intérêt pour diminuer les pertes par effet Joule à augmenter la tension.
Partie C – La régulation du réseau du transport d’électricité en Europe
8- Justifier en une phrase la cohérence entre le document 4 page suivante et la première phrase du document 3 suivant : « Le réseau électrique européen est alimenté par du courant alternatif dont la fréquence est d’environ 50 Hz ».
L’observation du document 4 permet de voir que sur 24h la fréquence du réseau varie entre 50.04 Hz et 49.91 Hz, Les valeurs fluctue donc bien aux environs de 50Hz. Les documents sont bien cohérents
9- Indiquer à quelle heure on observe la fréquence la plus basse. Proposer une explication à cette observation.
D’après le document 4 l’heure à laquelle la fréquence est la plus basse est 19h. Le document 3 nous informe que lorsque la fréquence est basse c’est parce que la demande en électricité est plus élevée que la puissance des générateurs et la puissance fournie est prise sur l’énergie de rotation des générateurs qui sont alors ralentis. 19h est donc une heure de forte consommation d’électricité. Cela est cohérent avec les habitudes en France, vers 19h les magasins sont encore ouverts ainsi que les bureaux et en plus les foyers commencent à faire fonctionner chauffage et appareils électroménagers permettant de préparer le repas.
10- Repérer l’intervalle où la fréquence dépasse 50 Hz. Conclure sur l’équilibre entre production et consommation électrique durant ces heures.
D’après le document 4 la fréquence sur le réseau est supérieure à 50Hz entre minuit et 6 heures du matin. En vertu de ce quie st expliqué dans le document 3 nous comprenons que la consommation d’électricité est dans cet intervalle inférieure à la production. Cet intervalle est appelé « heures creuses ». D’une part, l’électricité est utilisée à ce moment pour remonter l’eau dans les barrages, et une politique commerciale essaye d’encourager les consommateurs à faire fonctionner une partie de leurs appareils à ce moment-là.
Document 3 – Le réseau électrique européen
Le réseau électrique européen est alimenté par du courant alternatif dont la fréquence est d’environ 50 Hz. La fréquence du réseau électrique est un indicateur clé de l’équilibre entre la production et la consommation d’électricité. En France, RTE (Réseau de Transport d’Électricité) s’efforce de maintenir cette fréquence à 50 Hz.
À chaque instant, la puissance produite par les centrales électriques doit être égale à la puissance prélevée sur le réseau par les consommateurs.
Si la demande d’électricité augmente au-delà de la puissance fournie par les générateurs, le déficit de puissance est alors pris sur l’énergie de rotation des générateurs. Ils ralentissent donc, ce qui signifie que la fréquence du réseau diminue.
Source : d’après https://www.mainsfrequency.com
Document 4 – Variation de la fréquence du réseau sur une période de 24 heures
