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1L Compétences exigibles au BAC PRODUCTION D’ELECTRICITE Enjeux énergétiques planétaires 2 Connaître les principales sources énergétiques utilisées dans les centrales. Conduire une analyse macroscopique globale d'une chaîne énergétique : les différentes formes d'énergie, leurs transformations, ordres de grandeur. 1. Comment produire une tension électrique ? 1.1. Comment est constitué un alternateur de vélo ? On y trouve une bobine (enroulement de fil de cuivre), un aimant et un galet. Dans certains modèles, l’aimant est mobile et la bobine fixe, dans d’autres, c’est le contraire. La partie mobile est appelée le rotor. La partie fixe est appelée le stator. Le galet frotte sur la roue et permet de mettre en rotation le rotor. Schéma d’un alternateur de bicyclette 1.2. Propriétés d’un aimant Expérience : placer au voisinage d’un aimant droit, une aiguille aimantée, que remarque-t-on ? A l’aide d’une plaque en plexiglas, placée au-dessus d’un aimant, saupoudrer de limaille de fer. Quelle observation peut-on faire ? Quel lien peut-il exister avec l’aiguille aimantée ? Une boussole (aiguille aimantée) placée au voisinage d’un aimant dévie, celui-ci crée donc un champ magnétique. En plaçant de la limaille de fer tout autour d’un aimant, celle-ci se dispose d’une manière bien définie : en chaque point, la limaille de fer indique la direction du champ magnétique créé par l’aimant, on obtient alors des lignes de champ. Page 1 sur 6 1.3. Propriétés d’une bobine Expérience au bureau avec une bobine parcourue par un courant et une aiguille aimantée G Dès qu’une bobine est parcourue par un courant, l’aiguille aimantée dévie en son voisinage : une bobine traversée par un courant se comporte alors comme un aimant : elle crée donc aussi un champ magnétique. Expérience au bureau avec une bobine, un aimant et un galvanomètre à zéro central. Galvanomètre 0 Quand on déplace un aimant devant une bobine ou inversement une bobine devant un aimant, il se crée un courant électrique donc une tension électrique aux bornes de la bobine. Cette tension est nulle si le mouvement cesse. Ce phénomène est appelé induction électromagnétique. mA Aimant Bobine Fils de connexion Expérience au bureau avec une bobine reliée à un oscilloscope et un aimant tournant régulièrement devant la bobine. Oscilloscope 0 l 1 INTENSITE 3 MARCHE NIVEAU 2 4 YA 8 YA (x) 0 13a 7 6 YB 21 YA 17a Bobine Fils de connexion YB -YB 15a V 13b 14b 15b 18 mV X Aimant en rotation uniforme s XY DUAL ADD YB 9 10 11 12 V 14a s ms 5 DECL 20 19 AUTO FOCALISATION 16a mV 20 16b 17b 5 0 Si l’on fait tourner régulièrement un aimant devant une bobine ou inversement, apparaît alors aux bornes de la bobine, une tension tantôt de signe positif, tantôt de signe négatif et tend à se rapprocher d’une allure sinusoïdale ; par ce principe, il sera alors possible de créer une tension électrique alternative sinusoïdale. 1.4. Les alternateurs Expérience au bureau d’un alternateur de bicyclette relié à un oscilloscope : Lorsque l’alternateur de bicyclette tourne, la tension qui est produite est alternative. On produit industriellement l’énergie électrique dans une centrale à l’aide d’alternateurs comportant des aimants et des bobines par rotation du rotor autour du stator. La mise en mouvement du rotor est due à l’action d’une turbine dans la très grande majorité des cas. Il y a donc ici conversion d’énergie mécanique en énergie électrique. Dans les alternateurs industriels (ceux des automobiles ou des centrales électriques), les aimants sont remplacés par des électro-aimants : ce sont des bobines entourant un noyau de fer et parcourues par un courant continu. Ces électro-aimants, solidaires du rotor, présentent des pôles sud et nord alternés. Les bobines fixes aux bornes desquelles on recueille la tension alternative, constituent le stator. Page 2 sur 6 2. Les centrales électriques 2.1. Les différentes conversions d’énergie A partir des documents ci-dessous, reconstituer les « chaînes énergétiques » des principaux types de centrales électriques. Document n°1 : « Matières premières » Document n°2 : « Énergies primaires » Soleil Énergie chimique Minerai d’uranium Énergie mécanique Vent Énergie nucléaire Eau Énergie rayonnante Combustibles fossiles L’énergie mécanique est la somme des énergies potentielle et cinétique. L’énergie cinétique d’un corps est l’énergie qu’il possède du fait de sa vitesse. L’énergie potentielle d’un objet est l’énergie qu’il possède du fait de sa position par rapport au sol. Rappel : Le préfixe M, méga, signifie 106 fois l’unité, soit un million de fois l’unité. Le préfixe G, giga, signifie 109 fois l’unité, soit un milliard de fois l’unité. Le préfixe T, téra, signifie 1012 fois l’unité, soit mille milliard de fois l’unité. Centrale éolienne Les pales de l’éolienne sont mise en mouvement par le vent, elles entrainent avec elles un axe qui fait tourner la génératrice de courant. Les éoliennes les plus fréquentes ont une puissance de 1,5 MW. Production totale d’énergie éolienne en France en 2003 : 375 GWh Puissance totale installée en France en 2004 : 385 MW. Vent Énergie mécanique Énergie mécanique hélice alternateur Énergie électrique Centrale hydraulique L’eau qui s’écoule fait tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Expérience turbine Les centrales hydrauliques ont une puissance qui peut aller de 1000 W pour une centrale individuelle à 500 MW pour un barrage d’importance. Production totale d’énergie hydraulique en France en 2003 varie de 65 à 80 TWh selon l’intensité des pluies. Eau Énergie mécanique Énergie mécanique turbine alternateur Énergie électrique Centrale solaire thermique Les rayons du Soleil sont concentrés pour chauffer un fluide qui en se vaporisant fait tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Puissance de l’ordre de quelques MW. Prototype en France sur le site de Targassonne dans les Pyrénées fut exploité de 1983 à 1986 (2,5 MW) La plus grande centrale thermique solaire, en Californie, a une puissance de 150 MW. Soleil Énergie thermique eau Énergie mécanique Énergie turbine mécanique Énergie rayonnante Page 3 sur 6 alternateur Énergie électrique Centrale photovoltaïque Une cellule photovoltaïque transforme le rayonnement solaire directement en électricité. Expérience. Le 1er Juin 2005 a été inauguré à proximité de Chambéry, la plus grande centrale photovoltaïque de France. Elle devrait produire 120 000 kWh par an, dont 80% seraient revendus à EDF. Production totale d’énergie photovoltaïque en France en 2003 : 15 GWh (DOM-TOM inclus) Chez les particuliers, production de 900 à 1200 kWh par an en métropole et 1400 KWh par an en DOM. Soleil Énergie rayonnante Cellule photovoltaïque Énergie électrique Cellule photovoltaïque Centrale géothermique On capte la chaleur de la Terre ou de l’eau chaude provenant de la Terre afin d’obtenir de la vapeur qui va faire tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. La géothermie (du grec “Gê”, la terre, et “Thermie”, la chaleur) consiste à capter la chaleur de la croûte terrestre pour produire du chauffage ou de l’électricité. Une centrale en France à Bouillante en Guadeloupe d’une puissance de 15 MW, elle a produit 20 GWh en 2004. Gisement géothermique Énergie thermique fluide Énergie mécanique turbine Énergie mécanique alternateur Énergie électrique Centrale thermique La combustion de combustibles fossiles (ou de biomasse) permet de chauffer de l’eau, de la vaporiser, la vapeur fait ensuite tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Les centrales thermiques en France ont des puissances variant de 100 MW à 700 MW. Production d’énergie thermique fossile en France en 2003 : 56,5 TWh. En Guadeloupe et à La Réunion, la biomasse est utilisée. Schéma complet page 156 du livre Combustible fossile Énergie thermique eau Énergie mécanique turbine Énergie mécanique alternateur Énergie électrique Énergie chimique Centrale nucléaire Une réaction nucléaire dégage de la chaleur qui va permettre de vaporiser de l’eau, la vapeur obtenue fait tourner une turbine qui fait tourner un alternateur. Les réacteurs en services en France ont des puissances de 900 W, 1300 MW et 1450 MW. Production d’énergie nucléaire en France en 2003 : 441 TWh Uranium Énergie thermique eau Énergie mécanique turbine Énergie nucléaire Page 4 sur 6 Énergie mécanique alternateur Énergie électrique 2.2. Mode de fonctionnement des centrales Quel est le principe commun à toutes les centrales électriques ? Une centrale électrique fonctionne grâce à : un réservoir d’énergie dite primaire qui sera transformée en énergie mécanique, une turbine qui possède de l’énergie mécanique du fait de son mouvement de rotation (sauf centrale éolienne et photovoltaïque), un alternateur qui convertit l’énergie mécanique de la turbine en énergie électrique. nucléaire chimique mécanique Convertisseur d’énergie primaire Énergie thermique ou mécanique Turbine Énergie électrique Énergie mécanique alternateur Transformateur rayonnante Énergie électrique Source d’énergie primaire Page 5 sur 6 1L PRODUCTION D’ELECTRICITE Matériel prof : 1 ordinateur + vidéoprojecteur (Powerpoint 2003 ) 1 alternateur de bicyclette démonté 1 aimant droit Limaille de fer Plaque de verre Rétroprojecteur Aiguilles ou barreaux aimanté sur pivot Solénoïde pour spectre magnétique+ Générateur de courant continu + interrupteur 1 bobine reliée à un galvanomètre 1 aimant droit 1 bobine reliée à un oscillo 1 aimant tournant à coté 1 alternateur de bicyclette tournant régulièrement relié à l’oscillo 1 turbine relié à un alternateur et un voltmètre ou oscillo 1 cellule photovoltaïque + 1 lampe + 1 voltmètre Page 6 sur 6 Enjeux énergétiques planétaires 2
