Pédaler pour produire son électricité

Enseignement scientifique Terminale

Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »

Sujet n°ENSSCI3199 et n°ENSSCI3196

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Pour produire de l’électricité, on utilise une énergie primaire qui peut avoir différentes origines. Depuis quelques années, les scientifiques s’intéressent à la transformation de l’énergie produite par le corps humain en énergie électrique, car la production d’électricité sans utiliser les combustibles fossiles est devenu un enjeu majeur dans notre société.

Ainsi, certaines entreprises proposent par exemple à leurs salariés de travailler sur des bureaux-pédaliers afin de recharger leurs appareils, et certaines associations proposent un cinéma itinérant où la projection du film est possible grâce aux spectateurs qui se relaient pour produire l’électricité nécessaire en pédalant.

Ces dispositifs utilisent un alternateur pour produire de l’énergie électrique.

On s’intéresse ici aux méthodes de production d’électricité par pédalage, et à quelques-uns de leurs effets sur la santé.

Document 1 – Produire de l’électricité sans combustion

1- À partir du document 1, indiquer les numéros de la légende correspondant au rotor et au stator.

Le n°1 désigne la bobine fixe : c’est donc le stator (partie fixe de l’alternateur).

Le n°2 désigne l’aimant en rotation : c’est donc le rotor (partie mobile de l’alternateur).

2- Recopier sur votre copie l’affirmation exacte parmi les quatre propositions suivantes :

Lors du fonctionnement d’un alternateur, on peut dire que l’énergie…
a) ..électrique est transformée en énergie mécanique et une partie est perdue sous forme d’énergie thermique ;
b) ..mécanique est transformée en énergie électrique et une partie est perdue sous forme d’énergie thermique ;
c) ….thermique est transformée en énergie électrique et une partie est perdue sous forme d’énergie magnétique ;
d) ….magnétique est convertie en énergie mécanique et une partie est perdue sous forme d’énergie électrique.

Lors du fonctionnement d’un alternateur, on peut dire que l’énergie…

b) ..mécanique est transformée en énergie électrique et une partie est perdue sous forme d’énergie thermique ;

3- Citer deux sources d’énergie primaire permettant de produire de l’énergie électrique sans combustion. Préciser pour chacune s’il s’agit d’une source d’énergie disponible sous forme de stock ou de flux.

Deux sources d’énergie primaire permettant de produire de l’énergie électrique sans combustion :

1. L’énergie solaire : C’est une source d’énergie disponible sous forme de flux.

2. L’énergie hydraulique (barrages) : C’est une source d’énergie disponible sous forme de stock.

Certains modes de production d’énergie sont intermittents ce qui nécessite des solutions de stockage de l’énergie dont certaines sont à l’étude.

4- Citer deux dispositifs qui permettent le stockage de l’énergie.

Deux dispositifs qui permettent le stockage de l’énergie :

1.Les batteries : elles stockent l’énergie électrique sous forme chimique.

2. Les stations de transfert d’énergie par pompage : elles stockent l’énergie sous forme potentielle en pompant de l’eau vers un réservoir en hauteur.

Document 2 – Pédaler pour produire son électricité

Une batterie de téléphone portable stocke approximativement une énergie égale à 10 Wh. Une recharge complète de ce type de batterie à partir d’un chargeur électrique génère approximativement 0,5 gramme d’équivalent CO₂.

Une personne peut produire en pédalant une énergie de 30 Wh. Ainsi, il est possible de recharger cette batterie à 75 % de sa capacité totale en pédalant pendant 15 minutes. Cet effort nécessite une dépense métabolique importante.

Source : d’après connaissancedesenergies.org

5- Définir l’empreinte carbone et l’illustrer avec un exemple issu du document 2.

L’empreinte carbone correspond à la quantité de gaz à effet de serre (principalement le CO₂) émise. Elle s’exprime généralement en grammes ou kilogrammes d’équivalent CO₂.

Par exemple, recharger complètement une batterie de téléphone portable avec un chargeur électrique génère environ 0,5 gramme d’équivalent CO₂. C’est l’empreinte carbone de cette action.

6- En considérant que l’énergie nécessaire au fonctionnement d’un ordinateur portable est égale à 6 fois celle d’un téléphone portable, évaluer la durée totale de pédalage nécessaire pour recharger complètement un téléphone puis un ordinateur.

Recharger une batterie de téléphone portable à 75 %	15 minutes
Recharger une batterie de téléphone portable à 100 %	ttéléphone

$$t_{téléphone}=\frac{100 \times 15}{75}$$
$$t_{téléphone}=20\ minutes$$

Or l’énergie nécessaire au fonctionnement d’un ordinateur portable est égale à 6 fois celle d’un téléphone portable. Le temps de recharge est 6 fois supérieur.

$t_{ordinateur}=6 \times t_{téléphone}$
$t_{ordinateur}=6 \times 20$
$t_{ordinateur}=120\ minutes$

Calculons la durée totale de pédalage nécessaire pour recharger complètement un téléphone puis un ordinateur :

$t_{totale}=t_{téléphone}+t_{ordinateur}$
$t_{totale}=20+120$
$t_{totale}=140\ minutes$
$t_{totale}=2h\ 20\ minutes$
La durée totale de pédalage nécessaire pour recharger complètement un téléphone puis un ordinateur est de 140 minutes soit 2h20 min.

Document 3 – Pédaler pour sa santé

La production de l’électricité dans les centrales thermiques à partir de carburants fossiles émet dans l’air des composés chimiques (SO₂, NO, etc.), et des particules fines, en suspension, de tailles variées.

Ces éléments polluants impactent directement la santé humaine en provoquant notamment des inflammations du système respiratoire, particulièrement chez les personnes fragilisées. Cette pollution atmosphérique contribue ainsi à la diminution de leur longévité.

Des chercheurs ont estimé, au moyen de modèles mathématiques, les conséquences de la réduction des émissions de particules fines de moins de 2,5 mm (notées PM 2,5) sur la surmortalité et l’espérance de vie, selon trois scénarios :

• réduction à 4,9 µg.m^-3 (valeur que l’on peut rencontrer dans un site de haute montagne à faible activité économique) ;
• réduction à 10 µg.m^-3 (valeur recommandée par l’OMS) ;
• réduction à 15 µg.m^-3 (objectif fixé par le plan national santé- environnement de 2009).

Les résultats sont présentés dans les graphiques ci-dessous où les barres matérialisent l’intervalle de confiance à 95 %.

Source : d’après Santé Publique France

7- Réaliser une analyse critique des résultats présentés dans le document 3.

Le document met en évidence une corrélation entre la baisse des particules fines et l’amélioration de la santé (Nombre de décès évités et gain moyen en espérance de vie), avec un lien de causalité probable.

Cependant les incertitudes statistiques très importantes (presque aussi grandes que les résultats eux-mêmes) rendent les résultats peu précis et la causalité n’est pas démontrée.

8- À l’aide des connaissances et des documents 2 et 3, résumer les avantages et les limites d’une production d’électricité en pédalant.

Produire de l’électricité en pédalant présente plusieurs avantages : c’est une méthode propre, sans émission de CO₂, qui permet de réduire l’empreinte carbone (document 2) et d’éviter la pollution liée aux combustibles fossiles (document 3). Elle est également bénéfique pour la santé, car elle implique une activité physique.
Cependant, cette méthode a des limites : elle demande un effort physique important, produit une faible quantité d’énergie et ne permet de recharger que de petits appareils. Par exemple, il faut plus de deux heures d’effort pour recharger complètement un téléphone et un ordinateur.
Ainsi, cette solution est surtout utile pour sensibiliser à la consommation d’énergie, mais elle ne peut pas remplacer nos sources d’énergie au quotidien.

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