Physique-chimie
L'énergie et ses conversions
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Pondichéry • Mai 2017
physique-chimie • 25 points
Une centrale éolienne
Dans certaines zones du sud de la France particulièrement venteuses, on peut observer de nombreux champs d'éoliennes qui produisent une énergie électrique dite renouvelable. Nous allons voir ici pourquoi ce choix n'a pas été fait à grande échelle.
▶ 1. Dans l'image ci-dessous, on recense différents types d'énergies renouvelables.
Les nommer et associer à chacun une source d'énergie.
▶ 2. On s'intéresse au fonctionnement d'une centrale éolienne.
Sous l'action du vent, les pales de l'éolienne entraînent l'alternateur en rotation, qui produit alors un courant alternatif.
Les éléments en mouvement subissent un échauffement, ainsi, une partie de l'énergie mécanique est transformée en énergie thermique dite « perdue », car elle n'est pas utilisée.
Reproduire et compléter la chaîne énergétique suivante en choisissant parmi ces mots ou groupes de mots (utilisables plusieurs fois) : énergie cinétique • énergie électrique • énergie mécanique • énergie potentielle • énergie thermique • énergie lumineuse • alternateur • eau • vent
▶ 3. a) On considère une masse d'air de 1 kg, dont la vitesse passe de la valeur 3 m/s à 9 m/s.
En s'appuyant sur un calcul, dire si l'énergie cinétique de la masse d'air :
A. reste la même.
B. est multipliée par 3.
C. est multipliée par 9.
b) Le physicien allemand Albert Betz affirme que 60 % seulement de l'énergie cinétique du vent est transformée en énergie mécanique au niveau des pales. On donne dans le tableau ci-dessous la valeur annuelle, en mégawattheures (MWh), des énergies intervenant dans la chaîne énergétique d'une éolienne.
Vérifier par un calcul l'affirmation du physicien allemand Betz.
| Énergie cinétique du vent (en MWh) | Énergie mécanique produite (en MWh) | Énergie électrique produite (en MWh) |
|---|---|---|
| 17 530 | 10 510 | 4 030 |
▶ 4. a) La consommation électrique française annuelle est égale à 478 200 GWh.
Sachant que la production électrique annuelle d'une éolienne est de 4 030 MWh et que la surface minimale nécessaire à son installation est de 24 hectares, évaluer par un calcul la surface qu'occuperait un parc éolien répondant aux besoins de la consommation française.
Donnée : 1 gigawattheure (GWh) = 1 000 MWh.
b) Expliciter, en apportant au moins deux arguments, pourquoi l'énergie éolienne ne peut pas être le seul choix pour répondre aux besoins croissants en électricité.
Donnée : valeur moyenne de la surface d'un département S = 2 850 000 hectares.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Il n'y a pas de document à proprement parler dans cet exercice. Le schéma de la question 1. indique les énergies à énumérer. Inspire-toi de ce schéma pour donner les sources des énergies demandées.
Utilise les courts textes avant chaque question pour y répondre. Ces textes contiennent des informations que tu dois saisir pour effectuer tes calculs, comme par exemple le tableau de la question 3. b).
Répondre aux questions
▶ 1. Tu peux faire un tableau pour répondre à cette question. Ne cite qu'une seule source pour chaque énergie.
▶ 2. Rappelle-toi ton cours, il y a toujours des pertes.
▶ 3. a) Utilise la formule de l'énergie cinétique.
b) Il s'agit d'effectuer un calcul de pourcentage. Utilise les valeurs données dans le tableau.
▶ 4. a) Il te faut calculer le nombre des éoliennes : utilise les énergies.
b) Compare la surface trouvée en 4. a) avec S, c'est l'un des arguments. Pour le second, souviens-toi de ton cours ou utilise la question 3. b).
Corrigé
▶ 1. Les énergies renouvelables citées dans le document et les sources associées sont :
| Énergie | Biomasse | Éolienne | Solaire | Géothermique | Hydraulique |
| Source | Résidus organiques (bois) | Vent | Soleil | Chaleur des sous-sols | Eau |
▶ 2. La chaîne énergétique :
▶ 3. a) Réponse C. L'énergie cinétique est donnée par la relation : .
Pour v = 3 m/s : 4,5 J.
Pour v = 9 m/s : 40,5 J.
D'autre part : .
Remarque
Tu peux aussi dire que 9 m/s = 3 × 3 m/s, donc l'énergie cinétique est multipliée par 32 = 9 d'après la formule.
On peut donc confirmer que l'énergie cinétique du vent est multipliée par 9 lorsque la vitesse du vent passe de 3 m/s à 9 m/s.
b) On calcule la valeur correspondant à 60 % de l'énergie cinétique du vent :
.
On constate que cette valeur correspond en effet à celle de l'énergie mécanique au niveau des pales. L'affirmation du physicien allemand est donc correcte.
Conseil
Explique ce que tu calcules ou utilise des formules très simples pour le faire.
▶ 4. a) Chaque éolienne produit 4 030 MWh. En divisant la consommation énergétique annuelle française par cette valeur on trouve le nombre d'éoliennes N nécessaires à la produire :
118 660 éoliennes.
La surface nécessaire à chaque éolienne est de 24 hectares, la surface totale du parc éolien sera donc :
Sparc = 118 660 × 24 = 2 847 840 hectares.
b) L'énergie éolienne ne peut pas répondre à elle seule aux besoins énergétiques en France car d'après le calcul précédent, un parc éolien occuperait presque la totalité de la surface d'un département entier (S = 2 850 000 hectares), ce qui est inenvisageable. D'autre part cette énergie est intermittente, c'est-à-dire que sa source (le vent) n'est pas disponible en permanence.