Les conversions d`énergie - leprof

Chap. 13
Les conversions d’énergie
I- Ressources énergétiques
1- Différents réservoirs d’énergie
La capacité des réservoirs d’énergie à se renouveler ou non par rapport au rythme d’utilisation permet de les
classer dans la catégorie renouvelable ou non.
a) les énergies non renouvelables
Les sources d’origine fossiles sont des sources dites épuisables, la plus importante est le charbon, épuisement
probable vers 2170 ensuite il y a mes hydrocarbures constitués du pétrole (épuisé vers 2050) et du gaz naturel
(épuisé vers 2070)
Les sources nucléaires dont la principale source d'énergie est l'uranium qui est utilisé dans les centrales sous
forme d'oxyde d'uranium U2O, c'est aussi une source épuisable (épuisée vers 2092).
b) Les sources renouvelables
- le Soleil est à l'origine de presque toutes les sources d'énergie sur Terre, c'est une énergie inépuisable utilisé
maintenant à l’échelle de la vie humaine : four, chauffe-eau, photopiles
- le vent utilisé depuis longtemps par les moulins à vent, cette énergie mécanique est transformée en énergie
mécanique pour moudre le grain. Les champs d'éoliennes la transforment en énergie électrique.
- l’eau est utilisée dans les centrales hydrauliques pour produire de l'électricité, elles utilisent la vitesse de l'eau
ou la hauteur de chutes d'eau (dans les barrages) ou encore la force des vagues ou la marée. C’est de l’énergie
mécanique
- la géothermie utilise l'énergie thermique dégagée par l'eau en contact avec des roches volcaniques qui peut
atteindre 300 °C on réalise des forages pour récupérer cette énergie.
- la biomasse utilise les déchets qui peuvent produire par décantation des gaz qui peuvent être utilisés pour
chauffer des installations. Il y a aussi la naissance depuis peu des carburants verts.
2- La chaine énergétique
Elle permet de décrire les situations qui mettent en jeu l’énergie
Les réservoirs qui stockent l’énergie sont représentés par des rectangles
Les convertisseurs d’énergie reçoivent autant d’énergie qu’ils en cèdent et sont représentés un ovale ou un
cercle.
Les transferts sont représentés par une flèche.
Pile alimentant une lampe :
3- Transport et stockage
Pour transporter l’énergie entre la zone de production et les utilisateurs on utilise le transport direct( gazoduc,
oléoduc ou pipe line, rail, route, méthanier, pétrolier ou cargo…) ou sous forme d’énergie électrique au moyen
de lignes électrique à très haute tension, haute tension et tension d’utilisation.)
On stocke l’énergie fossile en tas ou dans des réservoirs, pour l’énergie électrique le stockage est
principalement réalisé sous forme chimique dans les piles et les accumulateurs.
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4- Energie et puissance
L’énergie s’exprime en joule (J) ou en wattheure (Wh) ; La puissance s’exprime en watt (W)
La relation liant ces deux grandeurs est : E = P  t
(Wh) (W) (h)
(J) (W) (s)
t est le temps d’utilisation de l’appareil, on le note aussi t
Quelques ordres de grandeurs de puissances :
Réacteur nucléaire : 1GW ; Motrice du TGV : 4 MW ; Lycée : 300 kW ; Usine sidérurgique : 300 MW
Montre à quartz : 1W ; Ordinateur : 100W ; appareil électroménager : 1 kW ; calculatrice ; 1 mW…
II- Production d’énergie électrique
L’électricité est un moyen de transférer l’énergie, parler d’énergie électrique est un abus de langage qui désigne
l’énergie transférée par transfert électrique.
1- L’alternateur
Le moyen le plus rependu pour produire de l’électricité est de faire tourner un aimant devant une bobine ou
inversement. Ce principe est utilisé dans l’alternateur qui est composé d’une partie mobile : le rotor (l’aimant)
mis en rotation à l’aide d’une turbine, et d’une partie fixe : le stator constitué d’un enroulement de fils de cuivre
2- La pile électrochimique
Dans le chapitre suivant nous verrons plus en détail comment fonctionne une pile, mais il faut savoir qu’elle
transforme de l’énergie chimique en énergie électrique.
III- La conversion de l’énergie.
Pour la suite on ne s’intéresse qu’aux dipôles électriques qui sont des composants électriques possédant deux
bornes ou pôles, ils peuvent être symétriques ou non, linéaires ou non.
1- La loi d’Ohm
La loi d’Ohm aux bornes d’un dipôle exprime la relation entre la tension aux bornes de ce dipôle et l’intensité
du courant qui le traverse. La courbe U = f (I) est la caractéristique intensité tension du dipôle.
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2- Les générateurs
Le générateur est un dipôle qui converti un type d'énergie (chimique, mécanique,...) en énergie électrique cédée
aux différents récepteurs du circuit
Pour la représentation, on utilise la convention générateur c'est à dire que la tension et le courant sont dans le
même sens.
Pour un générateur parfait :
Pour une pile ou un accumulateur :
UPN = E – r.I est la loi d’Ohm pour la pile
Pour un générateur délivrant un courant d'intensité I, il fournit au circuit une puissance PE = UPN . I
Montage
Caractéristique
L’ordonnée à l’origine E est la force électromotrice du générateur ou tension à vide, elle s’exprime en volt (V).
Le coefficient directeur de la droite est l’opposé de la résistance interne du générateur.
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2- Les récepteurs
Tout récepteur électrique reçoit de l’énergie transférée par travail électrique et la transforme : c’est donc un
convertisseur d’énergie.
Pour la représentation, on utilise la convention récepteur c'est à dire que la tension et le courant sont de sens
contraires.
iAB
A
B
récepteur
UAB
Dans un récepteur, le courant s’écoule toujours dans le sens des potentiels décroissants.
3- Effet Joule
a) conducteur ohmique en régime permanent
Les conducteurs ohmiques sont caractérisés par une résistance R et ils obéissent à la loi d’Ohm U = R . I
Le conducteur ohmique reçoit l’énergie électrique Wél, pour un
conducteur métallique cette énergie est dans premier temps
intégralement transférée au sein du conducteur lors des nombreuses
interactions des électrons, porteurs de charges avec les ions du réseau, il en résulte une augmentation de
l’énergie cinétique microscopique d’agitation thermique du matériau se traduisant par une élévation de
température. Puis la température se stabilise, on atteint un état stationnaire correspondant au régime permanent
thermique du conducteur ohmique. A partir de ce moment, l’énergie électrique reçue est intégralement évacuée
à l’extérieur par transfert de chaleur et rayonnement.
b) Bilan énergétique, loi de Joule
On note P J la puissance Joule transférée à l’environnement par le conducteur ohmique en régime permanent.
P J = U . I = R . I²
De même on notera QJ la quantité totale d’énergie transférée à l’environnement pendant la durée de
fonctionnement t .
QJ = P J . t = R . I² . t
L’effet Joule se manifeste quelque soit le sens du courant, donc pour une tension alternative on aura :
U ²
Ueff = R . Ieff
=>
P J = R.Ieff ² = eff
R
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4- Rendement de conversion d’un électrolyseur
Un électrolyseur converti une grande partie de l’énergie électrique qu’il reçoit en énergie chimique.
Il y a des électrolyseurs à électrode soluble et à électrode non soluble.
Pour qu’il puisse y avoir électrolyse, il faut que le courant passe dans la solution, pour cela on utilise des
solutions ioniques.
a) Caractéristique intensité - tension
Il existe une tension seuil U0 (pas d’électrolyse au dessous).
Pour une intensité suffisante, la caractéristique est une droite (régime permanent) et UAC = E’ + r’I
E’ est la force contre électromotrice de l’électrolyseur, elle dépend de l’électrolyte et des électrodes
r’ est la résistance interne qui dépend de l’électrolyte, des électrodes et de la géométrie de
l’électrolyseur.
b) Bilan énergétique
Puissance électrique reçue PE = U . I
En régime permanent U = E’ + r’I =>
PE = E’I + r’I²
Pendant la durée t
WE = E’ I t + r’I² t
E’ I t = WU transformée en énergie chimique
r’I² t = WJ dissipée par effet Joule
Wel = WU + WJ
c) Rendement
En régime de fonctionnement linéaire le rendement de l’électrolyseur est :
W
E 'I.t E '
U - r'.I
r'.I
= U =
=
en utilisant les expressions ci-dessus  =
= 1
U
U
Wél U.I.t U
Le rendement est toujours inférieur ou égal à 1
d) Cas particulier
Lorsque l’électrolyseur possède des électrodes solubles, la caractéristique passe par l’origine, et il se comporte
comme un conducteur ohmique, toute l’énergie électrique est dissipée par effet Joule.
5- Bilan énergétique d’un moteur
a) Moteur tournant à vide
U0I0 = P p0 + P J0
où
P J0 = rI0²
et P p0 correspond au couple de perte qui s’exerce sur l’arbre moteur (Mp0)
b) Moteur en charge
U.I=Pp+PJ+PU
P p  P p0 pour une même vitesse de rotation
On appelle puissance électromagnétique P Em = P p + P u = E . I
W
puissance utile
Le rendement du moteur est :  = U =
R.I
Wél
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