La centrale à charbon

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Annales corrigées
Classe(s) : 3e | Thème(s) : L'énergie et ses conversions - Organisation et transformations de la matière - La planète Terre, l’environnement et l’action humaine
Type : Exercice | Année : 2016 | Académie : Inédit


Sujet inédit

physique-chimie et svt • 50 points

La centrale à charbon

La centrale thermique du Havre est une centrale électrique française fonctionnant au charbon. L’unité de production du Havre compte 4 tranches, les tranches 1 et 2 ont été définitivement arrêtées entre 2012 et 2013. La pollution engendrée par les centrales à charbon est souvent dénoncée, et la centrale du Havre n’y échappe pas.

1. Physique-chimie • la production d’énergie électrique
par une centrale thermique à flamme 25 points

Document 1 Le fonctionnement de la centrale

Une centrale thermique à flamme produit de l’électricité à partir de la vapeur d’eau produite grâce à la chaleur dégagée par la combustion de gaz, de charbon ou de fioul, qui met en mouvement une turbine reliée à un alternateur.

sci3_1600_00_01C_01

Un combustible (gaz, charbon, fioul) est brûlé dans les brûleurs d’une chaudière pouvant mesurer jusqu’à 90 m de hauteur.

La chaudière est tapissée de tubes dans lesquels circule de l’eau froide. En brûlant, le combustible dégage de la chaleur qui va chauffer cette eau. L’eau se transforme en vapeur, envoyée sous pression vers les turbines.

La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. Grâce à l’énergie fournie par la turbine, l’alternateur produit un courant électrique alternatif.

Source : edf.fr

Document 2 Puissance et énergie

Roger Balian, membre de l’académie des Sciences, écrit dans le livre L’énergie de demain qu’une centrale nucléaire de puissance 1 000 MW (1 MW = 106 W) électrique consomme 27 tonnes d’uranium (enrichi à 3,2 %) par an, qu’une centrale thermique de même puissance consomme 170 tonnes de fioul ou 260 tonnes de charbon par heure, et qu’une centrale hydraulique de même puissance nécessiterait la chute de 100 m de haut de 1 200 tonnes d’eau par seconde !

Une centrale à charbon fonctionne en moyenne 5 000 heures par an.

La centrale du Havre a produit Ee = 3,7 × 109 kWh d’énergie électrique en 2009.

Document 3 Le rendement

Le rendement d’une centrale est défini par le rapport de l’énergie électrique fournie par la centrale sur l’énergie reçue par la même centrale :

424412-Eqn1.

Les deux énergies doivent être exprimées dans la même unité.

1. Dans quelle catégorie de sources énergétiques peut-on classer le charbon utilisé par la centrale du Havre ? Choisir un ou plusieurs termes parmi les suivants :

renouvelable – thermique – fossile – électrique – chimique – non renouvelable.

2. a) Quelle forme d’énergie est à l’origine de la chaleur qui apparaît dans la chaudière de la centrale à charbon, au niveau des brûleurs ?

b) Dessiner le diagramme d’énergie de la centrale à l’aide du document 1.

3. Le charbon contient du carbone (symbole C) dont la combustion produit du dioxyde de carbone. Écrire l’équation de la combustion du carbone.

4. Citer deux parties de la centrale où s’effectuent des changements d’états. Préciser les noms de ces changements d’états.

5. a) À l’aide des données du document 2, calculer en tonnes (t) la masse totale de charbon qu’utilise chaque année une centrale à charbon de 1 000 MW.

b) Calculer la puissance en MW, supposée constante, de la centrale à charbon du Havre en 2009 à l’aide du document 2.

6. Calculer le rendement de la centrale à charbon du Havre en 2009 si on suppose que l’énergie fournie par le charbon à cette centrale était de 3 × 1016 J pendant cette même année. On donne 1 kWh = 3,6 × 106 J.

2. SVT • l’impact sur l’environnement 25 points

La production d’électricité est à l’origine de 40 % des émissions mondiales de CO2, alors que le secteur des transports est responsable de 20 %.

La part des centrales à charbon représente plus de la moitié des émissions liées à la production d’électricité.

Document 1 Émission de CO2 et effet de serre

Les gaz à effet de serre ou GES retiennent la chaleur dans l’atmosphère. Un certain nombre de gaz à l’état naturel, permettent le phénomène de l’effet de serre : vapeur d’eau (H2O), dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4)…

Mais les activités humaines émettent des gaz qui viennent s’ajouter à ceux présents naturellement dans l’atmosphère et sont donc responsables du dérèglement climatique, c’est le cas du CO2 produit par les centrales thermiques à charbon.

Document 2 Réchauffement climatique

Des études ont été faites sur l’impact de la présence de CO2 et la température terrestre. Pour obtenir les valeurs du graphique suivant on a mesuré les proportions de gaz dans les glaces de l’antarctique.

sci3_1600_00_01C_02

Document 3 Production d’électricité en France

La France est le grand pays européen qui émet le moins de CO2 dans le cadre de sa production électrique. Le mix électrique français est en effet « décarboné » à 90 %, en raison de l’utilisation du nucléaire (75 % de l’électricité produite), de l’hydraulique (12 %) et des nouvelles énergies renouvelables (3 %).

sci3_1600_00_01C_03

Source : EDF

1. Montrez la relation entre la présence de dioxyde de carbone et le réchauffement climatique à partir des documents 1 et 2.

2. Quelles peuvent être les conséquences du réchauffement climatique ?

3. Après avoir défini les énergies renouvelables, citez trois types de production d’électricité faisant appel à celles-ci. Quelle est l’énergie renouvelable qui produit tout de même du CO2 ?

4. D’après le document 3 et vos connaissances, la France a-t-elle une production d’électricité adaptée au respect de l’environnement ?

Les clés du sujet

Exercice 1 : physique-chimie

Comprendre les documents

Le schéma du document 1 montre les différentes parties d’une centrale à charbon. Le texte, quant à lui, explique ce qui se passe dans les différents compartiments : réactions chimiques et changements d’état.

Les documents 2 et 3 contiennent des données numériques qui te permettront d’effectuer des calculs.

Répondre aux questions

1. et 2. Ces deux questions font appel à tes connaissances de cours. Le schéma du document 1 t’aidera à réaliser ton diagramme énergétique.

3. Pour écrire une équation-bilan, tu dois connaître les réactifs et les produits de la transformation, qui est ici la combustion. L’énoncé t’aide : relis-le attentivement !

5. Utilise les données du document 2 pour effectuer tes calculs. Garde bien à l’esprit que la question a) porte sur la centrale à 1 000 MW, tandis que la question b) concerne la centrale à charbon du Havre.

6. a) Pense à faire des conversions d’unité avant d’appliquer la formule du rendement.

Exercice 2 : SVT

Comprendre les documents

Les documents 1 et 2 te permettent de répondre aux deux premières questions traitant du réchauffement climatique.

Le document 3 contient des données nécessaires pour estimer l’impact environnemental de la production d’électricité en France.

Répondre aux questions

1. Regarde l’évolution des deux courbes en parallèle : tu dois trouver une relation de cause à effet entre les deux.

2. et 3. Ces questions font appel à tes connaissances.

4. Sélectionne les données du document 3 pour montrer les points positifs et négatifs des choix de production électrique en France.

Corrigé

Corrigé

1. Physique-chimie

1. Le charbon est une source d’énergie fossile et non renouvelable.

2. a) L’énergie chimique est à l’origine de la chaleur apparue.

b)

sci3_1600_00_01C_04

3. La combustion est une réaction chimique avec le dioxygène :

carbone + dioxygène dioxyde de carbone.

Attention !

Le mot « condensateur » n’exprime pas correctement le changement d’état correspondant, qui est la liquéfaction et non la condensation.

4. Un premier changement d’état s’effectue dans la chaudière. Il s’agit d’une évaporation. Un second changement d’état a lieu ensuite dans le condensateur. Il s’agit cette fois d’une liquéfaction.

5. a) D’après le document 2, dans une centrale de 1 000 MW, chaque heure 260 tonnes de charbon sont brûlées. Sachant qu’une centrale à charbon fonctionne 5 000 heures par an, la masse de charbon brûlée en une année est :

m(C) = 260 × 5 000 = 1,3 × 106 tonnes.

Conseil

Écris toujours la formule et tire l’inconnue de cette même formule avant chaque calcul.

b) L’énergie et la puissance électriques sont liées par la relation Ee = P × t, d’où 424412-Eqn2.

Et 424412-Eqn3.

6. On convertit d’abord l’énergie reçue par la centrale :

Ereçue = 3 × 1016 J = 424412-Eqn4 kWh = 8,3 × 109 kWh.

D’après le document 3, le rendement est donné par :

424412-Eqn5.

Le rendement de la centrale est d’environ 45 %.

2. SVT

Conseil

Afin de connaître la cause, lorsqu’on a deux facteurs qui varient, il faut regarder lequel des deux varie en premier et entraîne la variation de l’autre.

1. On voit nettement sur le graphique que la température varie principalement comme la concentration en dioxyde de carbone de l’atmosphère.

L’augmentation de la quantité de CO2 précède celle de la température, elle en est donc la cause. C’est l’augmentation de la concentration en CO2 depuis 1850 avec l’industrialisation et la production d’électricité qui entraîne un réchauffement de presque 1 °C.

2. Les conséquences du réchauffement climatique sont :

la fonte des glaciers et l’élévation du niveau des mers avec disparition de terres émergées ;

la modification des conditions climatiques qui entraînent des adaptations ou migrations nécessaires des animaux et végétaux ;

la disparition de certaines espèces non adaptées (ours polaire).

Globalement il y a des perturbations climatiques et une modification de la biodiversité.

3. Les énergies renouvelables sont des sources d’énergie dont le renouvellement naturel est assez rapide pour qu’elles puissent être considérées comme inépuisables à l’échelle de temps humaine.

L’électricité peut être produite à partir d’énergie hydraulique, éolienne, solaire ou photovoltaïque, ou encore géothermique. Ces énergies ne produisent pas de CO2 et ne participent pas à l’augmentation de l’effet de serre. Une dernière forme d’énergie renouvelable est la biomasse, avec l’utilisation du bois, des biogaz et biocarburants produits à partir de matière végétale. Cependant leur combustion entraîne la production de CO2.

4. La France émet peu de CO2 pour produire de l’électricité car les énergies fossiles sont peu utilisées. Elle participe donc peu au réchauffement climatique.

Cependant l’utilisation du nucléaire à 75 % même s’il ne produit pas de CO2 représente un danger potentiel pour l’environnement. Les déchets radioactifs très nocifs pour l’Homme et les autres êtres vivants ne sont que partiellement recyclés. Des accidents peuvent se produire dans les centrales nucléaires, comme à Fukushima au Japon en 2011 avec des répercussions sur l’environnement catastrophiques.

La production d’électricité de la France peut être encore plus respectueuse de l’environnement en augmentant la part des énergies renouvelables.