France métropolitaine 2016 • Partie 2
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Sujet complet
2
France métropolitaine • Juin 2016
Le défi énergétique • 6 points
L’eau, un carburant ?
Jules Verne écrivait dans L’Île mystérieuse parue en 1875 : « […] L’eau décomposée en ses éléments constitutifs […] sans doute par l’électricité. […] Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour utilisée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. […] L’eau est le charbon de l’avenir. »
Aujourd’hui, ce qu’on appelle abusivement le « moteur à eau » est-il encore un rêve d’écrivain ?
Document 1 La pile à combustible
Son principe fut découvert en 1839 par William R. Grove. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité.
Actuellement, il existe différents types de piles à combustible. On recense par exemple :
la micro-pile à combustible (microPAC), qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile ;
une pile capable de produire 1 MW pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif ;
une pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports.
Principe général de fonctionnement d’une pile à combustible
D’après eduscol.education.fr et www.cea.fr
Document 2 L’hydrogène, présent partout mais disponible nulle part
L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’Univers. Sur notre planète, on a noté quelques émanations de dihydrogène naturel, mais non exploitables en quantités significatives et à des coûts suffisamment compétitifs.
Production de dihydrogène à partir des énergies fossiles
Aujourd’hui, 95 % du dihydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbures (par exemple du gaz naturel, constitué essentiellement de méthane CH4) sous l’action de la chaleur pour en libérer le dihydrogène. Mais la production de dihydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.
Production de dihydrogène par décomposition de l’eau
L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en dioxygène et dihydrogène sous l’action d’un courant électrique. Cette solution est la plus intéressante en ce qui concerne les émissions de gaz à effet de serre, à condition toutefois d’opérer cette dissociation à partir de sources d’énergie elles-mêmes non émettrices de dioxyde de carbone.
Production directe de dihydrogène à partir de la biomasse
Cette solution est attrayante car la quantité de dioxyde de carbone émise au cours de la conversion de la biomasse en dihydrogène est à peu près équivalente à celle provenant de la photosynthèse.
D’après www.cea.fr
Document 3 La voiture électrique
La région Rhône-Alpes va servir de cadre à la première expérimentation jamais réalisée en France et mettant en œuvre une importante flotte de véhicules utilitaires hybrides.
En effet, ces véhicules utiliseront une pile à combustible et, par conséquent, du dihydrogène (embarqué dans des bouteilles) en complément du moteur électrique équipé d’une batterie. Grâce au couplage batterie électrique /pile à combustible, l’autonomie des voitures électriques usuellement comprise entre 120 km et 140 km est alors portée à 300 km.
La pile à combustible sera constituée de quatre modules de 5 kW chacun.
En théorie, le véhicule à pile à combustible ne rejette que de l’eau, mais on estime qu’avec le dihydrogène issu du méthane par reformage, il rejette en moyenne 15 à 18 grammes de dioxyde de carbone par kilomètre. Un véhicule essence de taille moyenne rejette environ 150 grammes de dioxyde de carbone par kilomètre.
D’après www.usinenouvelle.com et www.voiture-electrique-populaire.fr
▶ 1. Jules Verne a écrit : « l’eau est le charbon de l’avenir ».
Cochez les bonnes cases dans le tableau ci-dessous.
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Ressource d’énergie non renouvelable |
Ressource d’énergie renouvelable |
Ressource d’origine fossile |
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Eau |
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Charbon |
▶ 2. Jules Verne décrit le « moteur à eau » dans son roman. Précisez comment il envisage l’obtention du dihydrogène.
Cochez uniquement la réponse exacte.
La production du dihydrogène envisagée par Jules Verne dans son roman est une :
☐ production grâce aux énergies fossiles.
☐ production grâce à l’électrolyse de l’eau.
☐ production grâce à la biomasse.
▶ 3. On s’intéresse à la chaîne énergétique de la pile à combustible pour la décrire.
Cochez uniquement la réponse exacte.
La chaîne énergétique de la pile à combustible correspond à :
☐ la proposition 1
☐ la proposition 2
☐ la proposition 3
▶ 4. On s’intéresse à la pile à combustible utilisée en région Rhône-Alpes.
Cochez uniquement les bonnes cases du tableau.
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Est utilisé(e) |
Est produit(e) |
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L’eau |
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Le dioxygène |
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Le dihydrogène |
▶ 5. Calculez, en kWh, l’énergie produite par les quatre modules de la pile à combustible du document 3 si le véhicule effectue un trajet de deux heures.
▶ 6. Les voitures utilisant les piles à combustible sont considérées comme des véhicules hybrides. Elles utilisent en effet le dihydrogène de leur pile à combustible comme source d’énergie chimique pour alimenter une batterie et un moteur électrique.
Peut-on pour autant les classer dans la catégorie des « véhicules propres » ? Pour cela, avancez un argument en leur faveur et un autre en leur défaveur, et concluez quant au qualificatif « propre » proposé.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Ce sujet comporte une introduction aux documents qui a son importance car elle renseigne sur quelques idées scientifiques pionnières avancées par Jules Verne ; il faut les connaître pour répondre aux questions.
Le document 1 explique le fonctionnement d’une pile à combustible et présente un schéma très clair et évocateur de cette pile.
Le document 2 se penche sur la production du dihydrogène, l’un des réactifs utilisés par la pile à combustible. Il donne trois moyens de production de ce composé, qu’il faudra exploiter.
Le document 3 porte sur la voiture électrique expérimentée dans la région Rhône-Alpes. Vous aurez besoin des détails sur son fonctionnement indiqués dans ce document.
Organiser les réponses
▶ 1. Utilisez vos connaissances pour classer les deux ressources énergétiques citées par Jules Verne.
▶ 2. Exploitez l’introduction aux documents pour trouver la bonne réponse.
▶ 3. Mobilisez à nouveau vos connaissances sur les chaînes énergétiques.
▶ 4. Lisez bien le document 2 et utilisez le schéma donné pour trouver les réactifs et le produit de la transformation qui s’opère dans la pile à combustible.
▶ 5. Servez-vous de la formule liant la puissance et l’énergie avant d’effectuer vos calculs et soyez vigilent à l’unité.
▶ 6. On vous demande de mettre en relation les informations données au début de l’exercice avec celles du document 2 pour apporter des preuves en faveur, puis en défaveur de l’adjectif « propre » donné au véhicule hybride. Tenez compte du fait qu’il utilise une pile à combustible qui consomme du dihydrogène issu d’un « reformage ».
Corrigé
▶ 1.
|
Ressource d’énergie non renouvelable |
Ressource d’énergie renouvelable |
Ressource d’origine fossile |
|
|
Eau |
X |
||
|
Charbon |
X |
X |
▶ 2. Jules Verne envisage l’obtention du dihydrogène par production grâce à l’électrolyse de l’eau.
▶ 3. La bonne réponse est la proposition 1.
▶ 4.
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Est utilisé(e) |
Est produit(e) |
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|
L’eau |
X |
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|
Le dioxygène |
X |
|
|
Le dihydrogène |
X |
▶ 5. L’énergie et la puissance sont liées par la formule : E = P × t
La pile à combustible est constituée de 4 modules de 5 kW, d’où :
P = 4 × 5 = 20 kW
Finalement, pour t = 2 h, on obtient : E = 20 × 2 = 40 kWh.
▶ 6. Une voiture hybride utilise une pile à combustible qui ne rejette que de l’eau, composé non polluant, par le fonctionnement de cette pile seule. On peut donc la qualifier de véhicule propre.
Néanmoins, la pile à combustible de la voiture consomme du dihydrogène, lequel est produit par reformage. Cette réaction chimique, qui libère du dihydrogène, emploie des hydrocarbures et a l’inconvénient de produire également du dioxyde de carbone, gaz polluant pour la planète. De ce fait, ce véhicule peut être considéré comme « non propre ».
La voiture hybride n’est donc pas entièrement « propre », mais elle reste environ 10 fois moins polluante (entre 15 et 18 g de CO2 rejetés par kilomètre) qu’une voiture à essence (150 g de CO2 rejetés par kilomètre).