Production et stockage de l`énergie électrique

FICHE ACTIVITE
Niveau : 4e
Technologie
Chapitre 2 : Production et stockage de l'énergie électrique
La plupart des objets techniques ont besoin d'une énergie pour fonctionner, avec des pertes plus ou moins importantes.
Durant ce chapitre, nous allons découvrir les sources d'énergie les plus saines pour la planète, ainsi que les meilleures façons de
les utiliser.
1.
Le bilan énergétique de la France
De nombreux types d'énergies qui peuvent être trouvés dans des sources d'énergies. Faisons le bilan de la production
énergétique française.
Problématique : Quel est le bilan énergétique de la France ?
•
Investigation
•
Cherchons quels types d'énergies utilisent-on principalement ? Utilise Wikipedia, page « Énergie en France ».
a)
b)
Cherche le pourcentage des familles électrique et chimique, puis notes-les dans le tableau suivant.
Calcul le pourcentage des autres type d'énergies pour obtenir 100 %.
L'énergie électricité
L'énergie chimique (pétrole + gaz + charbon)
Autres types d'énergies (à calculer)
45,5 %
46,2 %
8,3 %
=100 %
Cherchons quelles sources d'énergies utilise-t-on principalement pour produire de l'électricité ?
c)
d)
Recherche le pourcentage du nucléaire, de l'hydraulique et de l'éolien dans la production française.
Puis, calcul le pourcentage des autres sources d'énergies électriques pour obtenir 100 %
Nucléaire
Hydraulique
Éolien
Autres sources d'énergies électriques (à calculer) :
77,6 %
e)
12,3 %
3,1 %
7%
=100 %
Peux-tu donner le pourcentage de l'énergie produite renouvelable : 16,2 %
•
Bilan
La part du nucléaire est très forte en France avec près de 75% de notre production d'électricité, alors que nous consommons
16,2% d'énergie renouvelable. L’Europe nous impose de produire 20% de renouvelable en 2020, nous devons donc investir
dans ces énergies pour ne plus être dépendant du nucléaire et respecter la législation.
2. La production d'énergies renouvelables
La France produit son énergie électrique essentiellement par le nucléaire.
Pour respecter la directive européenne qui demande un minimum de 20 % d'énergies produites renouvelables, la France doit
investir dans des énergies propres comme le vent.
•
•
Problématique : Comment fonctionne une éolienne ?
Correction :
Comprendre le fonctionnement d'une éolienne
Essayons de comprendre comment fonctionne une éolienne en regardant ce qui se passe à l'intérieur.
1.
2.
3.
4.
Se connecter sur le site : « sites-final.uclouvain.be/e-lee/FR/realisations/index.htm ».
Cliquer sur Énergies renouvelables, filière éolienne, généralités, composants classiques d’une éolienne.
Replacer les repères sur le schéma ci-dessous de l'éolienne à l'aide du site internet.
Colorier en rouge les pales, en bleu le mât et repasser en vert la nacelle.
Rep.
6
désignations
1
Pales
2
Moyeu
3
Mât
4
Arbre primaire
5
Multiplicateur
6
Arbre secondaire
7
Refroidisseur
8
Système d’orientation
9
Génératrice
10
Contrôleur
11
Outils de mesure
10
11
7
9
4
5
1
2
8
3
Tester le fonctionnement d'une éolienne
Nous devons essayer de comprendre l'influence du vent sur le fonctionnement de l'éolienne. Pour cela, nous allons tester une
maquette réduit reproduisant le fonctionnement d'une éolienne.
Tu as à ta disposition une éolienne, une soufflerie(ventilateur) et un appareil de mesure (Voltmètre).
5. Explique ce que tu dois faire pour pouvoir tester l'éolienne et remplir le tableau en bas de page.
Envoyer un souffle sur les pales de l'éolienne, pour mesurer la tension qui en ressort.
Fais valider ton explication par le professeur pour passer à la suite !
6. Une fois ton protocole de test validé, réalise-le et remplis au fur et à mesure le tableau suivant à recopier :
Position de la soufflerie
Tension mesurée (en
volt)
0 (vent nul)
1 (vent faible)
V
V
2 (vent moyen)
V
3 (vent fort)
V
7. Que peux-tu conclure sur tes résultats ?
Plus le vent souffle, plus la tension en sortie de l'éolienne est grande.
8. Dessine et complète ce schéma pour montrer à quoi sert
l'éolienne :
Énergie d'entrée ----------------->
L'éolienne ----------------->
Énergie de sortie
Le vent (énergie éolienne)
L’électricité (énergie électrique)
•
Bilan
L'éolienne permet de convertir l'énergie du vent en énergie électrique. Plus le vent souffle, plus la tension de sortie
augmente.
•
Problématique : Comment fonctionne un panneau solaire ?
Le panneau solaire
1. D'après la carte donnée, quels sont les endroits les plus judicieux en France pour
installer un panneau solaire ?
Principalement dans le sud de la France
Tester le panneau solaire
Nous voulons vérifier si le panneau solaire permet bien de produire une énergie
électrique. Pour cela nous disposons d'un panneau solaire et d'une DEL.
Vous disposez d'une platine d'expérimentation en plus de la DEL et du panneau solaire.
Sous cette platine, vous avez des pistes électriques :
Ce que vous voyez…
… et les pistes électriques qui se trouvent en
dessous.
2. A partir de ce schéma, connecter sur la platine la DEL avec le panneau solaire.
3. Approcher la lampe à disposition du panneau solaire pour vérifier si la LED s'allume. Si rien ne se passe, essayer
d'inverser les deux bornes de la LED.
Appeler le professeur pour faire valider votre travail.
Mesurer la tension électrique
Sans toucher votre montage, vous allez mesurer la tension aux bornes de la
LED avec l'aide d'un multimètre.
Régler le multimètre sur V 20
4. Recopier le tableau ci-dessous et réaliser le test.
Panneau solaire
Caché
A la lumière naturelle
Sous une lampe
Tension mesurée
Bilan
5. Que peux-tu conclure sur tes résultats ?
Plus la luminosité est importante, plus la tension en sortie du panneau solaire est élevée.
6. Dessine et complète ce schéma pour montrer à quoi sert le panneau solaire :
Énergie
d'entrée :
Soleil
Panneau
solaire
Énergie
de sortie :
Electricité
•
Bilan
Le panneau solaire permet de convertir l'énergie du soleil en énergie électrique. Plus la luminosité est forte, plus la tension
de sortie augmente.
1.
Le stockage de l'énergie électrique
Pour stocker une énergie électrique, vous pouvez utiliser des batteries pour vos appareils mobiles. Cependant, cela n'est pas
possible pour des grosses quantités d'énergie. Nous devons utiliser d'autres moyens de stockage.
•
Problématique : Comment stocker l'énergie électrique ?
Sur internet, recherchez au moins trois solutions pour stocker une énergie électrique. Nommez et dessinez un schéma de
fonctionnement de chaque solution.
l’électricité sert à pomper de l’eau d’un bassin inférieur vers un
bassin supérieur. L’électricité est stockée sous forme de retenue
d’eau et reproduite au besoin en laissant l’eau redescendre par
gravité du bassin supérieur au bassin inférieur en passant à
travers une turbine.
l’électricité alimente un compresseur qui va comprimer de l’air
ensuite stockée dans des cavernes souterraines. L’air circule
ensuite des cavernes vers une turbine pour produire de nouveau
de l’électricité.
L’électricité va permettre de produire, via un électrolyseur, de
l’hydrogène. Le gaz est ensuite stocké soit sous forme liquide,
solide ou gazeuse avant d’être consommé dans une pile à
combustible. Recombiné à l’oxygène il va ainsi produire de l’eau
et de l’électricité.
L’électricité fait tourner à très grande vitesse une masse autour
d’un axe cylindrique dans un caisson isolé. L’énergie cinétique
entraînée par la rotation du cylindre peut ainsi être conservée.
Cette énergie est ensuite récupérée sous forme d’électricité grâce
à un alternateur (principe de la dynamo).
Le stockage d’électricité s’effectue grâce à des réactions
électrochimiques qui consistent à faire circuler des ions et des
électrons entre deux électrodes.
consiste à chauffer un fluide caloporteur ou un solide. La chaleur
est ensuite récupérée en chauffant un autre fluide. C’est le
principe du ballon d’eau chaude, couplé à un panneau solaire
thermique. C’est aussi tout simplement le cas d’une pierre posée
près d’une cheminée. Une fois qu’elle a emmagasiné la chaleur,
elle peut être déplacée et céder sa chaleur.
grâce à l’utilisation de matériaux dont la chaleur va entraîner le
passage d’un état solide à un état liquide. C’est le cas, par
exemple, de la paraffine dont la température de fusion est proche
des 70°C. Elle restitue cette chaleur lorsqu’elle repasse à l’état
solide.
qui consiste en l’utilisation d’une réaction chimique réversible qui
a besoin d’un apport de chaleur dans un sens (endothermique) et
dégage de la chaleur dans le sens opposé (exothermique). Parmi
les réactifs envisagés, la chaux. La chaleur apportée permet de
l’assécher (c’est-à-dire retirer l’eau du mélange). La chaux sèche
est ensuite conservée à l’abri de l’humidité. Lorsqu’elle est réhumidifiée, se produit alors un dégagement de chaleur qui peut
être utilisé notamment dans l’habitat. La stabilité de ce système
peut permettre un stockage saisonnier.
Enfin, le stockage électromagnétique (SMES) fait également partie
des solutions envisagées qui consiste à créer, grâce à l’électricité,
un champ magnétique dans une bobine. L’électricité peut ensuite
être récupérée dans un laps de temps très court.
•
Bilan
L'énergie électrique doit être transformée en une autre énergie pour être stockée. Il existe :
•
Stockage gravitaire (principe du barrage)
•
Stockage à air comprimé
•
Stockage thermique (chaleur)
•
Stockage chimique (gaz)
•
Stockage inertiel (Principe de la toupie tournant de plus en plus vite)
•
etc.
Niveau : 4e
1.
Chapitre 2 : Production et stockage de l'énergie électrique - Synthèse
Technologie
La production d'énergie en France
La part des énergies renouvelables pour produire notre énergie électrique en France n'est que de 16,2% (2014). De plus, la
France est très dépendante de l'énergie nucléaire qui occupe près de 75% de notre production d'électricité. La France doit
diversifier ses sources d'énergies pour ne plus être dépendante du nucléaire et pour respecter, à terme, la législation européenne.
2.
Exemple d'énergie renouvelable : L'éolienne.
Nous pouvons décrire sous forme schématique le fonctionnement des objets techniques en précisant sur chaque bloc
fonctionnel les composants réalisant une fonction.
Rep.
Composants
Rep.
Composants
Rep.
Composants
1
Pales
5
Multiplicateur
9
Génératrice
2
Moyeu
6
Arbre secondaire
10
Contrôleur
3
Mât
7
Refroidisseur
11
Outils de mesure
4
Arbre primaire
8
Système d’orientation
Principe général de fonctionnement de l'éolienne : Le vent soufflant sur les pales
de l'éolienne font tourner l'ensemble noyeu-pales. En tournant, elles actionnent un
générateur qui transforme cette énergie en énergie électrique que l'on retrouve en
sortie de l'éolienne. Plus le vent souffle, plus la puissance électrique en sortie de
l'éolienne est grande.
(Énergie
(Énergie
L'éolienne
Vent
Electricité secondaire)
primaire)
3. Exemple d'énergie renouvelable : Le panneau solaire.
Le soleil peut être une autre source d'énergie pour produire de l'électricité de façon
renouvelable et propre. Principe général de fonctionnement du panneau solaire :
Des couches de silicium se polarisent sous l’effet du bombardement de photons
contenus dans la lumière solaire et produisent ainsi un courant continu : C'est le
principe de l'énergie photovoltaïque.
Le panneau solaire est un assemblage de cellules
photovoltaïques.
Les cellules sont le plus souvent montées en série (la
borne positive d’une cellule est reliée à la borne négative
de la cellule suivante). On obtient ainsi une tension plus
élevée (en général 12 ou 24V).
(Énergie
primaire)
4.
Soleil
Panneau
solaire
Electricité (Énergie
secondaire)
Le stockage de l'énergie électrique
Une fois l'énergie électrique produite, nous devons pouvoir la stocker car les besoins ne sont pas immédiats. Par exemple un
panneau solaire ne fournira de l'énergie qu'en journée alors que nous en avons besoin le soir pour pouvoir s'éclairer.
Cependant, il n'est pas possible de stocker de l'électricité en tant que tel, nous devons donc transformer cette énergie
électrique en une autre qui puisse être stockée sans problème. Il existe principalement :
•
Stockage gravitaire (principe du barrage)
•
Stockage à air comprimé
•
Stockage thermique (chaleur)
•
Stockage chimique (gaz)
•
Stockage inertiel (Principe de la toupie tournant de
plus en plus vite)
•
etc.
Il suffit ensuite de transformer à nouveau l'énergie stockée
en électricité au moment où nous en avons besoin.
Exemple de stockage gravitaire :