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Physique-Chimie • L'énergie et ses conversions
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France métropolitaine • Juin 2017
Étude de deux centrales
Intérêt du sujet • L'étude du fonctionnement des centrales électriques permet de comprendre comment certains pays choisissent celles qui préserveront les ressources et notre planète.
L'exploitation des ressources énergétiques est liée à l'augmentation de la population mondiale et de ses nouveaux besoins.
La production d'électricité à partir des centrales thermiques à flamme est le mode le plus répandu dans le monde et bénéficie des abondantes – mais épuisables – ressources en charbon, pétrole et gaz de la planète. Certains pays se lancent dans le développement de centrales géothermiques. On veut ici comprendre ce choix.
document 1Principe de fonctionnement d'une centrale géothermique
Centrale géothermique de Waikarei en Nouvelle-Zélande
ph © Horst Mahr/Image Broker/Age Fotostock
Une centrale géothermique produit de l'électricité, sans qu'il y ait de combustion, grâce à la chaleur de la Terre qui transforme l'eau contenue dans les nappes souterraines en vapeur. Le mouvement de la vapeur d'eau sous pression permet de faire tourner une turbine entraînant un alternateur, qui produit alors un courant alternatif.
document 2Principe de fonctionnement d'une centrale thermique à flamme
D'après Physique-chimie 3e, collection « Microméga », © Hatier, 2008
▶ 1. Compléter le tableau suivant en exploitant les documents 1 et 2.
▶ 2. Il s'agit de repérer sur le dessin de la centrale thermique à flamme (document 2) les 3 circuits distincts A, B et C décrits ci-dessous.
A : circuit de refroidissement ;
B : circuit primaire ou lieu de transformation d'énergie chimique en énergie thermique ;
C : circuit secondaire ou lieu de transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique.
Pour répondre à la question, écrire A, B ou C à l'intérieur des cercles grisés du document 2.
On étudie la réaction de combustion ayant lieu dans le circuit primaire d'une centrale thermique utilisant le gaz naturel, composé essentiellement de méthane CH4. Le méthane réagit avec le dioxygène O2 de l'air pour former du dioxyde de carbone CO2 et de l'eau H2O, selon l'équation de réaction :
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
▶ 3. a) Nommer le gaz participant à l'effet de serre produit lors de cette transformation chimique.
b) Lorsqu'on brûle 6 × 1022 molécules de méthane de manière complète :
Combien de molécules de dioxygène sont nécessaires ? Expliquer.
Combien de molécules de dioxyde de carbone sont formées ? Expliquer.
Un réacteur de centrale thermique à flamme produit une puissance d'environ 1 100 MW. Un réacteur de centrale géothermique peut délivrer une énergie de 7 500 000 MWh par an, en fonctionnant 6 820 heures.
▶ 4. a) Montrer par un calcul que la puissance électrique du réacteur de centrale géothermique est équivalente à celle du réacteur de centrale thermique à flamme.
b) En faisant référence aux réponses précédentes, donner deux arguments expliquant pourquoi certains pays ont opté pour des centrales géothermiques.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Répondre aux questions
▶ 1. Utilise le texte du document 1 et les parties numérotées du document 2 pour remplir le tableau, et n'oublie pas que la vapeur d'eau n'est pas une « fumée ».
▶ 2. Chaque circuit est défini dans l'énoncé de la question 2 ; utilise ces définitions pour répondre à la question.
▶ 3. b) L'équation de la réaction est donnée. N'oublie pas que les proportions des réactifs et des produits apparaissent dans cette équation.
▶ 4. b) Suis les étapes du schéma pour répondre à la question.
▶ 1.
▶ 2.
▶ 3. a) L'équation montre que deux gaz apparaissent à l'issue de la combustion : la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone. C'est le dioxyde de carbone CO2 qui participe à l'effet de serre.
b) D'après l'équation, une molécule de méthane CH4 réagit avec 2 molécules de dioxygène O2. Par proportionnalité, 6 × 1022 molécules de CH4 réagiront avec le double de ce nombre de molécules de O2 : 2 × 6 × 1022 = 12 × 1022.
Le nombre de molécules de dioxygène nécessaire est de 12 × 1022.
D'après l'équation de la réaction, on constate à nouveau qu'une molécule de méthane produit une molécule de dioxyde de carbone CO2. Par proportionnalité, lors de la combustion de 6 × 1022 molécules de CH4, il se forme autant de molécules de CO2, donc 6 × 1022 molécules.
▶ 4. a) Il faut calculer la puissance électrique de la centrale géothermique à l'aide de la formule : E = P × t.
conseil
Utilise la formule de l'énergie et donne l'expression de P avant de faire tes calculs. Tu n'as pas de conversion à faire.
Avec E = 7 500 000 MWh et t = 6 820 h, on obtient donc :
Pgéo = = = 1 099,7 MW 1 100 MW.
On constate que la puissance électrique produite par la centrale géothermique est pratiquement égale à celle produite par une centrale à flamme qui est aussi de 1 100 MW.
b) Quand on compare une centrale géothermique à une centrale thermique à flamme, on constate que cette dernière dégage des fumées contenant du dioxyde de carbone qui participe à l'effet de serre et au réchauffement climatique. De plus cette centrale utilise une source non renouvelable. On en déduit que pour une puissance électrique équivalente, une centrale géothermique est préférable grâce à ses qualités (source renouvelable et non polluante) à une centrale thermique à flamme, ce qui explique pourquoi certains pays optent pour les centrales géothermiques pour leur production d'énergie électrique.