Utilisation d’une installation couplant voiture à hydrogène et panneaux photovoltaïques

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : L'eau
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Nouvelle-Calédonie
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Utilisation d’une installation couplant voiture à hydrogène et panneaux photovoltaïques
 
 

L’eau

pchT_1311_11_03C

Spécialité

46

CORRIGE

 

Nouvelle-Calédonie • Novembre 2013

Exercice 3 • 5 points

Madame D., dirigeante d’une société de dépannage à domicile, est soucieuse de l’impact que son entreprise peut avoir sur l’environnement. Afin de diminuer les émissions de gaz à effet de serre et ainsi améliorer le bilan carbone de son entreprise, elle envisage d’installer 70 m2 de panneaux solaires sur le toit de ses bâtiments et elle se demande si son installation solaire permettrait de générer l’électricité nécessaire au rechargement du véhicule à hydrogène de sa société qui parcourt en moyenne 20 000 km par an.

> Vous rédigerez un rapport argumenté et critique répondant à l’interrogation de Madame D. (20 lignes maximum).

L’ensemble des calculs nécessaires sera présenté séparément, à la suite du rapport.

Document 1

Panneau photovoltaïque

Le rendement de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique des cellules photovoltaïques est de l’ordre de 20 %.

La puissance solaire moyenne reçue par unité de surface de panneau est 200 W∙m-2.

L’énergie, la puissance et le temps sont reliés par la relation suivante : E = Pt.

Document 2

Une voiture à hydrogène

Une voiture à hydrogène dispose d’un moteur électrique alimenté par une pile à combustible.


 

Cette pile fonctionne grâce à une réaction d’oxydo-réduction. Le dihydrogène contenu dans le réservoir de la voiture réagit avec le dioxygène de l’aire qui est insufflé par un compresseur placé dans le compartiment moteur. L’énergie électrique est produite par l’alternateur, et l’eau générée par la transformation est expulsée via le tuyau « d’échappement ».

Le dihydrogène nécessaire au fonctionnement de la pile est stocké à l’état gazeux sous une pression de 350 bar dans un réservoir de 110 L placé à l’arrière. Cette capacité de stockage confère au véhicule une autonomie de 200 km.

Pour des raisons pratiques et de sécurité, le constructeur a opté pour une solution dans laquelle le dihydrogène est directement produit dans le véhicule par électrolyse de l’eau.

À l’intérieur du réservoir, le volume occupé par une mole de dihydrogène gazeux, appelé volume molaire, est égal à 0,070 L∙mol-1 lorsque le réservoir est plein.

Document 3

Production de dihydrogène par électrolyse

Le dihydrogène est produit par une électrolyse de l’eau dont l’équation est la suivante :

L’énergie chimique à fournir pour former une mole de dihydrogène est 286 × 103 J∙mol-1.

Seuls 60 % de l’énergie électrique nécessaire à cette électrolyse sont transformés en énergie chimique utilisable pour la réaction chimique.

Notions et compétences en jeu

Pile à hydrogène Problème atmosphérique du CO2 Rendement énergétique.

Conseils du correcteur

Il s’agit d’un exercice de type « Résolution de problème ». Vous devez décortiquer votre problème en analysant les données contenues dans les documents :

  • calculez la quantité de H2 nécessaire par an pour faire fonctionner la voiture ;
  • calculez l’énergie chimique puis électrique correspondante ;
  • calculez l’énergie fournie par les panneaux en un an ;
  • comparez les deux énergies.
Corrigé

Rapport argumenté

 

Info

Il s’agit d’une résolution de problème donc cette introduction n’est pas obligatoire.

Madame D. a bien raison de se soucier de l’impact de son entreprise sur l’environnement. Les transports de ses marchandises, de ses produits, leur fabrication ainsi que l’électricité dépensée pour faire fonctionner son entreprise… tout cela nécessite de l’énergie et bien souvent dégage du dioxyde de carbone. L’augmentation de la quantité de ce dioxyde de carbone dans l’atmosphère est préoccupante car responsable d’une hausse de la température terrestre.

Pour répondre à madame D. nous avons calculé la puissance nécessaire au fonctionnement de son véhicule.

Les documents 1 et 2 nous permettent de dire que le véhicule doit être rechargé 100 fois par an en dihydrogène. À partir de cette constatation, de la taille du réservoir ainsi que du volume molaire du gaz à l’intérieur de ce dernier, on déduit la quantité de dihydrogène nécessaire par an : 157 000 mol.

Or, le document 3 nous apprend qu’il faut 286 kJ d’énergie chimique pour fabriquer une mole de dihydrogène mais aussi que le rendement de l’électrolyse n’est que de 60 %. Il faudra donc à madame D. une énergie de presque 45 GJ sur un an c’est-à-dire une puissance électrique de 2,37 kW.

Nous calculons ensuite la puissance fournie par les panneaux photo­voltaïques. À l’aide du rendement donné dans le document 1, et grâce au fait que madame D. dispose de 70 m² pour recevoir l’énergie lumineuse du soleil, nous pouvons déduire que madame D. développera une puissance de 2,8 kW.

La puissance fournie par les panneaux est suffisante pour alimenter le véhicule, madame D. peut donc être tout à fait rassurée quant à sa question : « Son installation solaire permettra de générer l’électricité nécessaire au rechargement du véhicule à hydrogène de sa société. »

Cela signifie que ses transports seront assurés avec un mode de propulsion ne dégageant pas de dioxyde de carbone, contrairement à la plupart des moyens de transport. Qui plus est, le mode de production, solaire, utilisé pour la recharge du véhicule fonctionne lui aussi sans dégager de dioxyde de carbone.

On constate une nette amélioration dans le dégagement de gaz à effet de serre de son entreprise. Il faut cependant nuancer cette amélioration du bilan carbone de l’entreprise de madame D. car on n’a pas tenu compte ici du « coût carbone » lors de la production des panneaux ni de celle de la voiture mais uniquement lors de leur fonctionnement.

 

Attention

Lorsqu’un nombre de lignes maximal est indiqué, on peut le dépasser, mais pas trop ( jusqu’à + 25 %).

Calculs détaillés de la démarche

  • Puissance nécessaire pour le fonctionnement du véhicule pendant un an

Calculons le besoin annuel en dihydrogène. Les 110 L de dihydrogène que peut contenir le réservoir permettent de faire 200 km ; or, il faut en faire 20 000 km par an. De plus, le volume molaire dans les conditions du réservoir est de 0,070 L∙mol-1, donc :

n(H2) == 1,57 × 105 mol.

Calculons l’énergie chimique nécessaire à cette production de H2. Il faut 286 kJ d’énergie chimique pour produire une mole de H2 donc ici l’énergie chimique nécessaire est :

Echim= 1,57 × 105 × 286 = 4,49 × 1010 J.

Calculons la puissance électrique nécessaire. Le rendement de l’électrolyse est :

R1== 0,6

d’où la puissance électrique nécessaire pour faire fonctionner le véhicule pendant un an est :

  • Puissance électrique produite par les panneaux photovoltaïques
 

Info

Le raisonnement a été fait ici à partir les puissances électriques, mais il aurait pu être fait à partir des énergies électriques.

On a 70 m² de surface de panneaux, or chaque mètre carré de panneaux reçoit une puissance lumineuse égale à 200 W. De plus le rendement des panneaux est :

= 0,2.

Donc la puissance électrique produite par les panneaux est :

Pelec= 0,2 × Plum= 0,2 × 70 × 200 = 2 800 W =2,8 kW.