Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3217 et n°ENSSCI3208
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En 1940, l’auteur de Science-Fiction Isaac Asimov (1920-1992) rédige une nouvelle dans laquelle il imagine un nouveau concept : capter de l’énergie solaire directement dans l’espace et l’acheminer sur Terre grâce à une technologie sans fil.
Cette idée est devenue réalité grâce au premier système expérimental Space Solar Power Demonstrator (SSPD), développé par le California Institute of Technology, et mis en orbite en janvier 2023.
Source : https://www.science-et-vie.com
On cherche à comprendre si ce dispositif pourrait contribuer à la lutte contre le réchauffement climatique.
Partie 1 – Devenir du dioxyde de carbone
1- Parmi les 4 propositions suivantes, recopier l’équation correcte modélisant la réaction chimique de combustion du méthane (CH4) dans le dioxygène.
a. 2 CH4 (g)+ O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O(l)
b. CH4 (g)+ 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O(l)
c. CH4 (g)+ 2 H2O(l) → CO2 (g) + 4 H2 (g)
d. CO2 (g) + 2 H2O(l) → CH4 (g) + 2 O2 (g)
Lors de la combustion du méthane (CH4), le méthane est un réactif (on élimine l’équation d), il réagit avec le dioxygène O2 qui est donc aussi un réactif (on élimine l’équation c). L’équation a n’est pas équilibrée contrairement à l’équation b.
Ainsi, l’équation correcte modélisant la réaction chimique de combustion du méthane (CH4) dans le dioxygène est :
b. CH4 (g)+2 O2 (g) → CO2 (g) +2 H2O(l)
2- Expliquer en quoi la combustion d’un gaz naturel tel que le méthane contribue à l’augmentation de l’effet de serre.
La combustion d’un gaz naturel tel que le méthane produit du CO2.
Or le dioxyde carbone est un gaz à effet de serre.
Ainsi, la combustion d’un gaz naturel tel que le méthane contribue à l’augmentation de l’effet de serre.
La combustion des combustibles fossiles entraine une production de dioxyde de carbone. Celui-ci peut être absorbé par les puits de carbone ou s’accumuler dans l’atmosphère.
Document 1 – Estimation du devenir du dioxyde de carbone en 2100
Le diagramme suivant montre le devenir du dioxyde de carbone selon deux scénarios envisagés par le GIEC.
Scénario SSP1-1.9 : production anthropique faible de dioxyde de carbone.
Scénario SSP5-8.5 : production anthropique importante de dioxyde de carbone.
Source : d’après le résumé à l’intention des décideurs, Document du GIEC 2021
3- À l’aide du document 1, montrer que les puits terrestres et océaniques ne suffiront pas à absorber une production anthropique importante de dioxyde de carbone.
D’après le document 1, pour le Scénario SSP5-8.5 (production anthropique importante de dioxyde de carbone), la masse de CO2 (g) restante dans l’atmosphère est bien supérieure à celle absorbée par les puits terrestres et océaniques.
Ainsi, les puits terrestres et océaniques ne suffiront pas à absorber une production anthropique importante de dioxyde de carbone.
Partie 2 – Fonctionnement du système spatial
Document 2 – Principe de fonctionnement et caractéristiques techniques d’une station solaire spatiale
Le rayonnement solaire est capté par les panneaux photovoltaïques de la station solaire spatiale (1). L’énergie produite par le panneau solaire est envoyée vers un convertisseur qui produit des micro-ondes de longueur d’onde égale à 15 cm, comparable aux ondes radio (2). Ces micro-ondes sont envoyées sur Terre et captées par un récepteur qui les transforme en électricité transmise au réseau électrique (3).
Valeurs estimées pour une puissance électrique finale égale à 900 MW
| Surface des panneaux dans l’espace | 1 km² |
| Surface du récepteur au sol | 10 km² |
| Altitude de mise en orbite | 36 000 km |
| Puissance absorbée par le panneau photovoltaïque | 11 250 W |
Document 3 – Opacité atmosphérique
Une opacité atmosphérique égale à 100 % signifie que les radiations électromagnétiques sont totalement absorbées par l’atmosphère.
Une opacité atmosphérique égale à 0 % signifie que les radiations électromagnétiques ne sont pas absorbées par l’atmosphère.
Source : d’après Wikimédia
4- Recopier et compléter les schémas suivants représentant la chaine de transformation énergétique de la station solaire spatiale.
Schéma 1 :
Schéma 2 :
5- Expliquer, en 1 ou 2 phrases, en quoi le choix des micro-ondes est judicieux dans le cas d’une station spatiale solaire.
Les micro-ondes produites sont de longueur d’onde égale à 15 cm, comparable aux ondes radio.
D’après le document 3, les micro-ondes ont une opacité atmosphérique égale à 0 % ce qui signifie que les radiations micro-ondes ne sont pas absorbées par l’atmosphère. 100% des micro-ondes envoyés par la station seront reçues sur Terre.
Ainsi, le choix des micro-ondes est judicieux dans le cas d’une station spatiale solaire.
On estime que le rendement d’un panneau photovoltaïque terrestre est environ égal à 15 %.
6- Calculer la valeur du rendement attendu pour un panneau solaire installé dans une station spatiale, et le comparer au rendement d’un panneau photovoltaïque terrestre.
Données du document 2 :
- Puissance finale obtenue : 900 MW
- Puissance absorbée par le panneau photovoltaïque : 11 250 W
- Surface des panneaux dans l’espace 1 km2
Le rendement est ensuite défini par :
$Rendement = \frac{\text{Puissance finale obtenue}}{\text{Puissance absorbée par le panneau photovoltaïque}}$
$Rendement = \frac{900\times 10^6}{11\ 250}=80\ 000$ soit $8\ 000\ 000 \%$
Ce résultat est impossible.
Je pense qu’il y a une erreur sur le sujet et je propose :
- Puissance finale obtenue : 900 MW
- Puissance absorbée par le panneau photovoltaïque : 11 250 W par m2
- Surface des panneaux dans l’espace 1 km2
| 11 250 W | 1 m2 |
| Puissance absorbée par les panneaux photovoltaïque | 1 km2 |
$Puissance \ absorbée \ par \ les panneaux \ photovoltaïque \ = \frac{1\times 10^6 \times 11\ 250}{1}$
$Puissance \ absorbée \ par \ les panneaux \ photovoltaïque \ = 1,125\times 10^{10}\ W$
$Rendement = \frac{\text{Puissance finale obtenue}}{\text{Puissance absorbée par les panneaux photovoltaïque}}$
$Rendement = \frac{900\times 10^6}{1,125\times 10^{10}}=0,08$ soit $8 \%$
Le rendement attendu (avec ma correction du sujet) pour un panneau solaire installé dans une station spatiale (8%) est moins élevé que le rendement d’un panneau photovoltaïque terrestre (15%).
Partie 3 – Conclusion
7- Discuter de la pertinence de l’utilisation de panneaux photovoltaïques installés dans l’espace pour produire de l’électricité, dans un objectif de limitation du réchauffement climatique.
Bien qu’avec cette technologie, la production d’énergie soit continue, car il n’y a pas de cycle jour/nuit dans l’espace, le faible rendement des panneaux solaires spatiaux, par rapport à celui des panneaux terrestres (15%), ne les rend pas intéressants.
De plus, les coûts de lancement, de mise en place et de maintenance dans l’espace sont certainement colossaux.
C’est pourquoi il n’est pas pertinent d’utiliser des panneaux photovoltaïques installés dans l’espace pour produire de l’électricité dans un objectif de limitation du réchauffement climatique.