Optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie - Sciences - Première L

Optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie - Sciences - Première L

Découvrez ce cours de Sciences niveau 1ère L, rédigé par notre professeur, sur le chapitre "Optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie". Ce cours fait parti du thème "Le défi énergétique".

Vous étudierez tout d'abord le transport et le stockage de l'énergie, puis vous vous intéresserez à l'accumulateur électrochimique ainsi qu'à la pile à combustible. Enfin, vous verrez l'impact environnemental de l'utilisation des ressources énergétiques avec notamment l'effet de serre  et les déchets radioactifs.

Téléchargez gratuitement ci-dessous ce cours de Sciences sur l'optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie niveau Première L !

Optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie - Sciences - Première L

Le contenu du document

 

Avant de démarrer ce cours, il est important d’avoir bien acquis toutes les notions vues au collège sur l’énergie : intensité, puissance et tension.

Pour maitriser le sujet en devoir, il faudra être capable de :

  • Rechercher et d’exploiter les informations des documents
  • Analyser une courbe de décroissance radioactive
  • Etre critique : quels sont les avantages et les inconvénients (environnement...) des pratiques de transports et de stockage énergétique ?

Introduction

Il est nécessaire pour l’Homme de trouver des méthodes de stockage et de transport de l’énergie afin de pouvoir l’utiliser. Nous utilisons des énergies primaires, issues de ressources énergétiques et nous devons les amener jusqu’aux populations. On parle ainsi de conversion de l’énergie primaire en énergie finale.

Les énergies primaires sont directement accessibles dans la nature : énergies fossiles, énergie nucléaire et énergies renouvelables.

L’énergie finale est celle que les consommateurs peuvent utiliser au quotidien.

L’énergie que nous arrivons le mieux à transporter est l’énergie électrique, par les câbles de réseau électrique.Pour le stockage, ce sont les batteries (ou accumulateurs) qui stocke l’énergie sous la forme électrochimique ou les combustions fossiles contiennent de l’énergie chimique.

 

I. Transport et stockage de l’énergie

Schéma : Transport et stockage de l'énergie

 

1. Le transport

Il est nécessaire d’amener l’énergie depuis les centrales vers les villes. Les centrales électriques sont implantées selon des contraintes géographiques : barrages, éoliennes, ou d’approvisionnement en combustibles ou encore selon des contraintes de refroidissement.

Le réseau électrique :

Le réseau électrique français est séparé en deux :

  • Le réseau de transport : lignes à très hautes tension acheminant l’électricité sur de très longues distances (de la centrale aux lieux de transformation). Il y a un courant alternatif de 400 kV maximum.
  • Le réseau de distribution : lignes à basse tension (220 V dans les maisons) raccordant tous les consommateurs.

L’ensemble du réseau mesure plus d’un million de kilomètres sur des câbles qui ne sont pas parfaits. Il y a donc une perte par effet Joules qui existe.

Effet Joules : perte sous forme de chaleur lors du passage d'un courant.

Pour diminuer l’effet Joules, on fait baisser l’intensité du courant, en augmentant la tension. En France, les pertes en lignes sont relativement faibles : 5% au total.

Les défis de l’énergie renouvelable : Les productions renouvelables intermittentes comme l’énergie solaire ou éolienne ne sont pas pilotables et ne s’adaptent pas bien aux besoins des populations. Il faut donc créer un réseau qui transporte l’énergie en permanence et intègre les énergies intermittentes.

 

2. Le stockage

Le stockage de l’énergie est essentiel pour les énergies dont on n’a pas l’utilité de manière immédiate ou bien les énergies dont la disponibilité est variable dans le temps : énergie solaire ou éolienne par exemple (dépendant de la météo).

Ce stockage peut se décliner sous diverses formes :

  • Mécanique, ex : eau retenue au niveau d’un barrage
  • Electrochimique, ex : piles et accumulateurs

II. Accumulateur électrochimique et pile à combustible

Il est impossible de stocker l’énergie électrique, il faut la stocker sous la forme chimique. Les accumulateurs peuvent transformer l’énergie chimique stockée en énergie électrique, utilisée par le consommateur.

 

1. Les accumulateurs et les piles électrochimiques

La pile électrochimique, ou pile électrique permet la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique.

Elle est constituée de :

  • 2 électrodes en métal
  • 1 solution électrolytique (qui conduit le courant)

Exemple de la pile Danielle :

Schéma : La pile Danielle

La pile Danielle est la première pile utilisée, elle est constituée d’une électrode de cuivre et une électrode de zinc. Le fonctionnement de la pile utilise les réactions d’oxydo-réduction. Chaque électrode correspond à une demi-équation (bien suivre le trajet des électrons) :

  • L’électrode de zinc (pôle -, anode) : Zn ⟶ Zn2+ + 2e- (oxydation)
  • L’électrode de cuivre (pôle +, cathode) : Cu2+ + 2 e- âŸ¶ Cu (réduction)

Soit l’équation totale : Zn + Cu2+ + 2 e-⟶ Zn2+ + 2e- + Cu

Attention ! il faut bien noter que : le courant électrique va du pôle + vers le pôle – mais les électrons vont du pôles – vers le pôle +.

La pile électrique ne peut réaliser que la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. En revanche, l’accumulateur peut également convertir l’énergie électrique en énergie chimique, c’est-à-dire qu’il peut se recharger.

Donc il faut bien retenir :

  • La pile est un fournisseur d’énergie électrique à partir de l’énergie chimique (non rechargeable)
  • L’accumulateur est un fournisseur d’énergie électrique à partir de l’énergie chimique mais peut se recharger à partir d’énergie électrique (pile rechargeable du commerce)

2. La pile à combustible

La pile à combustible est un type particulier de pile électrochimique, c’est-à-dire qu’elle utilise une réaction d’oxydo-réduction mais avec un combustible (souvent de l’hydrogène), à la différence de la pile électrochimique qui utilise un métal.

Les demi-équations sont les suivantes :

  • A l’électrode du dihydrogène (bleu) : H2 âŸ¶ 2 H+ 2e-
  • A l’électrode du dioxygène (rouge) : O2 + 4H+ + 4e- ⟶ 2 H2O
  • Soit l’équation finale : 2H2 + O2 âŸ¶ 2 H2O

Schéma : pile à combustible

Cette pile est très intéressante car elle est non polluante, en revanche, ses composants sont chers.

 

III. L’impact environnemental de l’utilisation des ressources énergétiques

1. L’effet de serre

L’effet de serre est un phénomène réalisé par des gaz dit à effet de serre, qui absorbent le rayonnement infrarouge émis à la surface de la Terre. C’est un phénomène naturel.

Sans l’effet de serre, la température de la surface terrestre serait de -18°C.

Le gaz principal à effet de serre est le CO2 (en rouge sur le schéma ci-après), utilisé dans les centrales thermiques. Les autres gaz à effet de serre sont : le H2O, le CH4 (méthane), le N2O et l’O3.

Le problème actuel, c’est que la combustion des énergies fossiles contribue à la libération de CO2 dont la concentration a augmentée de 35% dans l’atmosphère. Il y a donc un déséquilibre. L’effet de serre augmente et la température à la surface de la Terre également, d’où le réchauffement de la Terre.

Schéma : L'effet de serre

 

2. Les déchets radioactifs

Les centrales nucléaires permettent également la production d’énergie électrique à partir du phénomène de fission nucléaire.

La fission est un phénomène par lequel le noyau d’un atome lourd se divise en plusieurs (généralement 2) noyaux plus légers, libérant ainsi de l’énergie. Ce phénomène est utilisé dans les centrales nucléaires en chaine : une réaction en entraine une autre et l’énergie produite est donc très importante.

Le problème c’est que cette réaction libère des déchets radioactifs qui sont très nocifs pour la santé. Ces déchets doivent être stockés, traités et éloignés des populations : enterré sous terre ou sous la mer.

Les déchets restent radioactifs durant de nombreuses années. Lorsqu’un noyau se désintègre, il va émettre de l’énergie sous la forme d’un rayonnement.

Schéma : Désintégration radioactive

 

Définitions à retenir

Activité d’un échantillon : Nombre de désintégration radioactive d’un échantillon en seconde.
Temps de demi-vie :
 durée nécessaire pour que la moitié des noyaux radioactifs d’un échantillon se désintègre.

 

Conclusion

Schéma : Conclusion du cours sur l'optimisation de la gestion et de l'utilisation de l'énergie

Fin de l'extrait

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