L’ENERGIE :

1. L’ENERGIE : • cours • proposition d’évaluation • TP de physique appliquéeGéneratrice asynchrone • Application en essais de système : • Panneau solaire de la couveuse

2. référentiel BTS Electrotechnique } 2 semaines de cours (2 x 3h) + 1TP / élève

3. LES DIFFERENTES FORMES D’ENERGIE: • 1°/ Introduction :Qu’est ce que l’énergie ? • 2°/ Transformation d’énergie : • 3°/ Conservation de l’énergie : • II. ENERGIES RENOUVELABLES ? • 1°/ Energie solaire : • 2°/ Energie hydraulique : • 3°/ Energie éolienne : • 4°/ Energie de la biomasse : • 5°/ Energie géothermique : • III.   PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE : • 1°/ Energie électrique produite en France • 2°/ Centrales électriques : thermique hydraulique nucléaire • 3°/ Energie éolienne : • 4°/ Energie photovoltaïque et centrales photovoltaïques : • 5°/ Cogénération : • 6°/ Sources d’énergie autonomes :

4. I. LES DIFFERENTES FORMES D’ENERGIE: 1°/ Introduction :Qu’est ce que l’énergie ? L'énergie est difficile à définir simplement autrement qu'à travers ses effets et ses variations : pour le transport, pour le chauffage des habitations, pour l'industrie, pour l'éclairage et autres appareils électriques... Un système possède donc de l'énergie s'il est capable de fournir du travail mécanique ou son équivalent... mécanique lumineuse thermique électrique chimique Rem : L'unité du SI pour l’énergie est le joule (J). Mais en électricité on utilise aussi le wattheure (Wh), les économistes utilisent plutôt la tonne d'équivalent pétrole (tep avec 1tep=42GJ), les médecins nutritionnistes la calorie (cal avec 1cal=4,18J)

5. 2°/ Transformation d’énergie : Exemple : Énergie consommée Énergie utile fournie Radiateur électrique Lampe électrique Moteur électrique Accumulateur en charge Transformateur THERMIQUE (chaleur) RAYONNANTE (lumière) ÉNERGIE ELECTRIQUE MECANIQUE (travail) CHIMIQUE ELECTRIQUE

6. Moteur électrique 3°/ Conservation de l’énergie : a) Enoncé du principe: l’énergie totale d’un système isolé reste constante. b) Exemple d’application: moteur électrique Wa Wmu ENERGIE MECANIQUE UTILE ÉNERGIE ELECTRIQUE ABSORBEE Wj Wfer Wf ENERGIE THERMIQUE (effet joule) ENERGIE MECANIQUE (frottements) ENERGIE DUE AUX PERTES FER Wa = Wj +Wfer +Wf +Wum

7. c) Rendement : c’est le rapport entre l’énergie utile en sortie du convertisseur et l’énergie reçue par celui-ci.  = Wutile / Wabsorbée Rem : Cette grandeur est sans unité, et peut s’exprimer en %. Exemple : 38% pour une centrale électrique thermique 40% pour un moteur à essence 5% pour une ampoule classique

8. II.ENERGIES RENOUVELABLES ? Une énergie renouvelable est une source d’énergie qui se renouvelle assez rapidement pour être considérée comme inépuisable à l’échelle de l’homme. Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers ou constants provoqués par les astres, principalement le Soleil (rayonnement), mais aussi la Lune (marée) et la Terre (énergie géothermique). Aujourd'hui, on assimile souvent par abus de langage les énergies renouvelables aux énergies propres.

9. 1°/ Energie solaire : Chauffe eau solaire

10. Centrales électriques thermiques solaires (miroirs paraboliques ou cylindroparaboliques) Déjà dans l’antiquité, les Grecs allumaient la flamme des Jeux olympiques à l’aide d’un miroir parabolique (skafia)

11. Centrales électriques thermiques solaires (miroirs plans) Puissance qui peut atteindre 150MW (californie « solar two ») Fours solaires (ici four d’Odeillo dans les Pyrénées-Orientales) Température qui peut atteindre 3800°C  traitement thermique de certains matériaux – puissance 1000kW

12. 2°/ Energie hydraulique : L'énergie hydraulique est l’énergie mise en jeu lors du déplacement ou de l'accumulation d'un fluide incompressible telle que l'eau douce ou l'eau de mer. Ce déplacement va produire un travail mécanique qui est utilisé directement ou converti sous forme d'électricité. Applications: Celle-ci est donc utilisée dans les barrages pour permettrent de produire de l’électricité, mais aussi dans la mer avec l’énergie marémotrice, l’énergie des vagues et l’énergie hydrolienne qui utilisent la puissance due aux déplacements de l'eau de mer pour faire tourner des turbines et entraîner ainsi des alternateurs.

13. La + grande au monde Usine marémotrice (de la Rance en Bretagne) : qui utilise l’énergie due aux marées Hydroliennes : qui utilisent la force des courants marins Puissance 240MW Barrage hydraulique

14. 3°/ Energie éolienne : Elle utilise la force du vent. Celui-ci est dû à des différences de pressions atmosphériques locales qui proviennent de différences d'échauffement de l'air par le soleil.

15. 2 grandes tours de biométhanisation, production du biogaz à partir de la partie organique des déchets 4°/ Energie de la biomasse : La biomasse (ensemble de la matière végétale) est une véritable réserve d’énergie, captée à partir du soleil grâce à la photosynthèse. (processus biologique au cours duquel les végétaux utilisent, grâce à l'énergie lumineuse, le gaz carbonique et l'eau pour produire des sucres (amidons notamment) et rejeter de l'oxygène). Combustion de résidus forestiers dans chaudière Production d’énergie par Fermentation (méthanisation) : production de biogaz ou biocarburants

16. Centrale géothermique en Islande 5°/ Energie géothermique : La géothermie consiste à capter la chaleur contenue dans la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l’électricité. • Applications suivant la profondeur : • Production d’électricité (en France centrale géothermique de Bouillante en Guadeloupe qui permet l’alimentation de 9% de besoins de l’île) • Réseaux de chauffage urbain • Chauffage et climatisation individuelle

17. III.   PRODUCTION D’ENERGIE ELECTRIQUE : 1°/ Energie électrique produite en France : énergie électrique produite en France en 2006  Calculer la part de production en % pour les différents modes de production dans le tableau.

18. 2°/ Centrales électriques : thermique, hydraulique nucléaire Elles transforment des sources d’énergie naturelle en énergie électrique. a) Centrale thermique: Une centrale thermique classique produit de l'énergie électrique à partir de l'énergie thermique de combustion de plusieurs milliers de tonnes par jour d'un fossile (charbon, pétrole, gaz), préalablement convertie en énergie mécanique par une turbine à vapeur.

19. b) Centrale hydraulique: Une centrale hydrauliqueproduit de l'énergie électrique en utilisant l’énergie hydraulique de l’eau accumulée dans les barrages. Cette énergie entraîne les turbines d’un alternateur.

20. c) Centrale nucléaire : Une centrale nucléaire produit de l'énergie électrique en utilisant la fission nucléaire pour produire la chaleur nécessaire à la production de l’électricité. Elle utilise pour cela la chaleur libérée par l'uranium qui constitue le "combustible nucléaire". L'objectif est de faire chauffer de l'eau afin d'obtenir de la vapeur. La pression de la vapeur permet de faire tourner à grande vitesse une turbine, laquelle entraîne un alternateur qui produit de l'électricité. (principe similaire à celui d’une centrale thermique)

21. Exemple 1 : Centrale nucléaire de ST Alban du Rhône (Isère - 50km de Lyon) Mise en service : 1985 2 réacteurs de 1300MW Produit en moyenne par an 16 milliard de kWh soit par an l’énergie consommée par 11 villes comme Lyon.

22. Exemple 2 : Centrale nucléaire du Bugey à Saint-Vulbas (Ain –30km de Lyon) Mise en service : 1972 4 réacteurs de 925MW Produit en moyenne par an 25 milliard de kWh soit 40% de la consommation de la région Rhône-alpes.

23. 3°/ Energie éolienne : • Elle peut être utilisée de 2 manières : • conservation de l’énergie mécanique : navire à voile, pour pomper l’eau, pour faire tourner la meule d’un moulin. • transformation en énergie électrique : l’éolienne ou aérogénérateur directement relié au réseau ou de manière indépendante

24. Eolienne à vitesse variable connectée au réseau Voir TP physique appliquée : génératrice asynchrone

25. Fonctionnement d’une cellule photovoltaïque contact sur zone N absorption des photons zone dopée N I collecte des porteurs zone dopée P génération des porteurs contact sur zone P 4°/ Energie photovoltaïque et centrale photovoltaïque: semi-conducteur

26. Panneau solaire : Fabrication des modules Il est fondu (temp : 1430°C) en lingot Le silicium est placé dans un creuset Le lingot est découpé en briques L’énergie nécessaire à la fabrication d’un module représente10% de l’énergie que ce module produira pendant sa vie Les cellules sont assemblées pour constituer un module et encapsulées dans du plastique Les plaques sont transformées en cellules (dopage bore + phosphore,couche antireflets, contact métalliques) Les briques sont découpées en plaques

27. Applications : 1 m² de cellules photovoltaïques délivre une puissance d'environ 100 à 200 W.

28. Centrales électriques photovoltaïques En France à la Réunion : 10 000 m² / 1,35MW En Allemagne : « la bavaria solar park » Au Portugal à Serpa En Allemagne, on trouvait la plus grande centrale solaire photovoltaïque au monde (production de 10 MW (un réacteur nucléaire standard produit environ 1500 MW). Sa superficie est équivalente à 56 terrains de football. En mars 2007, au Portugal, une autre centrale a été inaugurée encore plus grande et pourra produire 11MW (consommation de 8000 foyers), avec 52000 panneaux solaires. Mais d’autres projet sont en cours d’ici 2010 au Portugal à « Moura » (62MW) mais aussi en Allemagne (40MW).

29. Évolution : Le marché du photovoltaïque est en plein essor avec +de 30% de croissance par an au niveau mondial. Le Japon n°1 mondial et l ’Allemagne pour l ’Europe qui est très dynamique. (90% des installations actuelles sont implantées au Japon, en Allemagne et aux États-unis). La production de Silicium destiné au photovoltaïque n ’étant pas suffisante par rapport à la demande  développement de nouvelles cellules à base de Cuivre Indium Sélénium (CIS) (couche déposée + fine et possibilité d ’utiliser des supports flexibles).

30. 5°/ Cogénération : • La cogénération consiste à produire en même temps et dans la même installation de l’énergie thermique (chaleur) et de l’énergie mécanique. • énergie thermique :  chauffage •  production d’eau chaude par échangeur. • L’énergie mécanique transformée en énergie électrique (alternateur). Elle est ensuite revendue à EDF ou consommée par l’installation.énergie de départ utilisée : gaz naturel, fioul ou toute forme d’énergie locale (géothermie, biomasse) ou liée à la valorisation des déchets (incinération des ordures ménagères…).

31. Exemple de centrale de cogénération (installation Rosen en Italie) : Cette centrale est implantée dans une usine chimique (production de chlore, soude caustique, eau oxygénée). En 1997 la centrale de cogénération a été implantée sur le même site. Elle apporte à l’usine : * Une puissance électrique de 356MW pour permettre la continuité de la fourniture électrique en cas de problème sur le réseau électrique national * Une puissance thermique grâce à la production de vapeur surchauffée. Avantages : rendement très bon (>90%)  30% à 40% de l’énergie primaire sont transformés en énergie électrique, tandis que 50 à 60% se retrouvent sous forme de chaleur moins d’émission de polluants dans l’atmosphère et limitation d’émission de gaz à effet de serre. Les limites : problème de proximité entre la centrale de cogénération et les différents lieux où on veut récupérer l’énergie thermique.

32. Anode cathode Solution de sulfate de zinc (Zn2+ + SO42-) Solution de sulfate de cuivre (Cu2+ + SO42-) • 6°/ Sources d’énergie autonomes : • Piles électriques : Elles transforment l’énergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions d’oxydoréduction. La pile électrique a été inventé en 1800 par Alessandro Volta. ● Principe de fonctionnement de la pile Daniel : A l’électrode négative on observe une oxydation du zinc : Zn (métal)      Zn2+ (solution) + 2 e- du zinc passe en solution, transformé en ions Zn2+ et des électrons sont libérés vont pouvoir quitter l’électrode et traverser le circuit extérieur.  A l’électrode positive on observe une réduction des ions cuivre : Cu2+(solution) + 2 e-   Cu (métal) Les ions Cu2+ de la solution se déposent à l'état de cuivre sur l’électrode en cuivre. Les électrons nécessaires à cette réduction arrivent à l’électrode positive par le circuit extérieur, en provenance de la lame de zinc.  Au bilan on a la réaction d’oxydo réduction suivante : Zn + Cu2+        Zn2+ + Cu         Rem : le pont salin (KCl) rétablit la neutralité électrique des solutions)

33. ● Grandeurs caractéristiques : - fém E, résistance interne r : Sa caractéristique tension-courant est UPN=E-rI - Quantité d’électricité débitée : Q = I.t avec Q en Coulomb (C) On appelle capacité d’une pile la quantité maximale d’électricité fournie par la pile. ● piles électrochimiques usuelles : La pile zinc/carbone ou pile Leclanché (pile saline) (bâton) : capacité de stockage limitée /ne peut être utilisée que dans des appareils qui ne consomment pas beaucoup d’énergie (radio, calculette, télécommande, réveil,...) /il arrive qu’elle coule / deux fois moins cher que les piles alcalines / durent deux à trois fois moins longtemps. La pile alcaline (bâton, bouton): très performante /grande capacité de stockage /longue durée de vie / type de pile très répandu. La pile à oxyde d’argent (bouton) : Pour : montres, calculettes, gadgets La pile au lithium (bouton) grande pile bouton / très plate /utilisée dans les montres, les calculettes /mais beaucoup + cher

34. R CATHODE ANODE 2e- 2e- Pb2+ Pb Pb2+ PbO2 + e- Réduction PbO2 + 4 H+ + 2 e- = Pb2+ + 2 H2O Oxydation Pb = Pb2+ + 2 e- ANODE CATHODE 2e- 2e- Pb2+ PbO2 Pb2+ Pb Oxydation Pb2+ + 2 H2O = PbO2 + 4 H+ + 2 e- Réduction Pb2+ + 2 e- = Pb b) Accumulateur : Il transforme aussi l’énergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions d’oxydoréduction mais est réversible. Il est rechargeable par opposition à une pile qui ne l'est pas. (Le terme batterie est alors utilisé pour caractériser un assemblage de cellules élémentaires, en général rechargeables mais attention en anglais on ne fait pas la distinction). • ● Principe de fonctionnement de l’accumulateur au plomb : (inventé en 1860 par Planté) • Il est constitué de deux plaques de plomb (électrodes) plongée dans une solution d'acide sulfurique (2H+ ; SO42-). Lorsqu'il a été chargé au préalable par un générateur entre ces deux électrodes il existe comme pour une pile une fém. • Pendant la décharge : on a une oxydation du plomb à l'anode libérant ainsi des électrons (l'électrode diminue de volume). Ceux-ci arrivent à la cathode où il y a une réduction de l'oxyde de plomb qui se transforme en ions Pb2+ (diminution de la couche d'oxyde de Plomb). • Pendant la charge : • Un générateur est branché aux bornes de l'accumulateur. On observe là aussi une oxydation à l'anode (qui permet de reformer une couche d'oxyde de plomb, et une réduction à la cathode qui permet de reformer l'électrode de plomb.

35. ●Grandeurs caractéristiques : • Suivant la technologie utilisée on aura des tensions plus ou moins grandes. Mais un accumulateur est pour l'essentiel défini par trois grandeurs : • Sa densité d'énergie massique (ou volumique), en watt-heure par kilogramme, Wh/kg (ou en watt-heure par litre, Wh/l), correspond à la quantité d'énergie stockée par unité de masse (ou de volume) d'accumulateur. • Sa densité de puissance massique, en watt par kilogramme (W/kg), représente la puissance (énergie électrique fournie par unité de temps) que peut délivrer l'unité de masse d'accumulateur. • * Sa cyclabilité, exprimée en nombre de cycles, caractérise la durée de vie de l'accumulateur, c'est-à-dire le nombre de fois où il peut restituer le même niveau d'énergie après chaque nouvelle recharge.

36. ● Différents types d'accumulateurs – Evolution : Jusqu'à la fin des années 80, les deux principales technologies répandues sur le marché étaient les accumulateurs au plomb (pour le démarrage de véhicules, l'alimentation de secours de centraux téléphoniques...) et les accumulateurs nickel-cadmium (outillage portable, jouets, éclairage de secours...). Les inconvénients relevés sur la technologie au plomb (poids, fragilité, utilisation d'un liquide corrosif) ont conduit au développement d‘accumulateur alcalins, de plus grande capacité (quantité d'électricité restituée à la décharge) mais développant une fém plus faible. Les technologies au plomb, comme les accumulateurs alcalins, se caractérisent par une grande fiabilité, mais leurs densités d'énergie massiques restent relativement faibles (30 Wh/kg pour le plomb, 50 Wh/kg pour le nickel-cadmium).Au début des années 90, avec la croissance du marché des équipements portables, deux filières technologiques nouvelles ont émergées : les accumulateurs nickel-métal hydrure et les accumulateurs au lithium.

37. c) Pile à combustible : Elles transforment aussi l’énergie chimique en énergie électrique et ceci grâce à des réactions d’oxydoréduction. ● Principe de fonctionnement d’une pile à hydrogène : Elle possède une cathode et une anode séparées par un électrolyte qui assure entre autre le passage du courant par transfert ionique des charges. Comme une pile classique, elle consomme son oxydant (ici l'oxygène O2) et son réducteur (ici l'hydrogène H2). Elle continue de fonctionner tant qu'elle est approvisionnée en hydrogène et oxygène. Le réducteur peut aussi être du méthanol ou du gaz naturel. À l'anode : H2 → 2H+ + 2e–(oxydation)  production de 2 électrons par molécule de dihydrogène. L'ion H+ passe de l'anode à la cathode et provoque un courant électrique par transfert des électrons dans le circuit électrique. À la cathode : O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O (réduction) Les réactions sont rendues possibles par la présence d'un catalyseur de dissociation de la molécule de dihydrogène qui peut être une fine couche de platine divisé sur un support poreux qui constitue l'électrode à hydrogène.

38. ● Intérêts : Fonctionnement propre car elle ne produit que de l’eau et consomme uniquement des gaz. ● Difficultés : Une des difficultés majeure réside dans la synthèse et l'approvisionnement en dihydrogène. Dans la nature, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène (H2O), au soufre (H2S) et au carbone (combustibles fossiles de types gaz ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc soit de consommer des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou électrochimique. Ensuite, le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de 350 ou 700 bar), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène. Les rendements énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction, sont généralement assez faibles. ● Applications et perspectives : Dans le domaine spatial tout d’abord (années 1960) puis grâce à la baisse des prix, son utilisation croît dans de nouveaux domaines (notamment pour alimenter des prototypes d'ordinateurs portables, de téléphone portable ou d'appareil photos ou encore de véhicules propres).

39. Travail de recherche documentaire proposé aux élèves : • Recherche en amont du cours du principe de fonctionnement d’une pile, d’un accumulateur, d’une pile à combustible …. • Recherche des dangers des métaux lourds utilisés dans les piles ou accumulateurs : cadmium, plomb ….

40. Cours en lien avec : • Proposition d’évaluation à partir d’un bilan • 1 TP de physique appliquée • En essais de systèmes : application au panneau solaire du système « couveuse »

41. Propositions d’évaluations

42. 1.Evaluation à partir de la production électrique d’origine renouvelable en 2005 et en 2006. Exploitations : 1°/ Que peut-on dire de l’évolution de la production globale d’électricité d’origine renouvelable sur les deux années ? 2°/ Calculer en % la part de chacun des domaines dans la production électrique. 3°/ Quel domaine est en plein essor ? Evaluer cette progression. Production électrique et thermique d’origine renouvelable (source : Observatoire de l’énergie) 2.Evaluation sur le principe de fonctionnement des centrales : Questions : 1°/ Expliquer le principe de fonctionnement d’une centrale nucléaire. Faire un schéma pour illustrer. 2°/ Expliquer pourquoi les centrales nucléaires sont construites au bord de l’eau. 3°/ Que s’échappe-t-il des réacteur des centrales nucléaires ? 4°/ Quelle(s) différence(s) y a-t-il avec une centrale thermique ?

43. 3.Faire travailler les élèves à partir de bilans : à poursuivre …..

44. Compétences évaluées : • 1.Analyser un bilan : •  extraire des informations •  analyser ces informations • retranscrire cette analyse à l’écrit …. (pourquoi pas à l’oral) • calculer des pourcentages (moyen de vérifier) • 2.Expliquer le principe de fonctionnement d’un système: • illustrer par un schéma simple • restituer à l’écrit ou oral le principe }

45. TP de physique appliquée GENERATRICE ASYNCHRONE

46. Enoncé du TP

47. Mesures Caractéristiques

48. Essais de systèmes Panneau solaire de la couveuse

49. Enoncé

50. Difficultés rencontrées • Définir l’énergie …. • Difficultés pour calculer le rendement d’un panneau solaire …. Pour passer de grandeurs photométrique (éclairement) aux grandeurs énergétiques ….