Une centrale éolienne

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Annales corrigées
Classe(s) : 3e | Thème(s) : L'énergie et ses conversions
Type : Exercice | Année : 2017 | Académie : Pondichéry

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.

sci3_1705_12_00C_01

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 cinétiqueénergie électriqueénergie mécaniqueénergie potentielleénergie thermiqueénergie lumineusealternateureauvent

sci3_1705_12_00C_02

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

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 :

sci3_1705_12_00C_06

3. a) Réponse C. L’énergie cinétique est donnée par la relation : E=12mv2.

Pour v = 3 m/s : E1=12×1×32=4,5 J.

Pour v = 9 m/s : E1=12×1×92=40,5 J.

D’autre part : E2E1=40,54,5=9.

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 :

60 % × Ec=60100 × 17 530=10 518 MWh.

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 :

N=EFranceEéolienne=478 200 × 1034 030=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.