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Transport : Mise en mouvement-> Transformation chimique et transfert d'énergie sous forme
électrique
1°) STI2D Antilles 2013 B-2-2 Transfert d’énergie sous forme électrique
Le principe de fonctionnement de la pile à combustible a été inventé en 1839 par
W. Grove. Le dispositif est continûment alimenté en combustible, par exemple du
dihydrogène dans une pile à hydrogène, et en dioxygène atmosphérique. De façon
générale, le fonctionnement électrochimique d’une cellule élémentaire de pile à
hydrogène peut être décrit selon le schéma ci-dessous.
Chaque cellule élémentaire est constituée de deux compartiments disjoints alimentés
chacun en gaz réactifs dioxygène et dihydrogène. Les deux électrodes sont séparées par
l’électrolyte, solution qui laisse circuler les ions. Du platine est inséré dans les deux
électrodes poreuses.
On utilise cette pile comme source d’énergie d’un moteur électrique d’une voiture.
Pour cette pile, les demi-équations des réactions aux électrodes s’écrivent respectivement
à l’anode et à la cathode :
H2(g) = 2H+(aq)+2e- et O2(g)+ 4H+(aq)+4e- = 2H2O(l)
a) Le dihydrogène joue-t-il le rôle de réducteur ou d’oxydant dans la réaction à l’anode ?
Justifier la réponse.
b) Montrer que l’équation de la réaction globale de fonctionnement s’écrit :
2H2(g) + O2(g)  2H2O(l)
c) Par comparaison au carburant étudié en B-2-1, quel avantage présente cette pile pour
l’environnement ?
d) A l’aide de l’annexe 3 :
- Proposer une solution pour limiter le volume de dihydrogène dans le réservoir.
- Citer un problème auquel est confrontée la technologie des piles à hydrogène.
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Annexe 3 :
Le fonctionnement d'une pile dihydrogène-dioxygène est particulièrement propre puisqu'il
ne produit que de l'eau et consomme uniquement des gaz. Mais jusqu'en 2010, la
fabrication de ces piles est très coûteuse, notamment à cause de la quantité non
négligeable de platine nécessaire et au coût des membranes échangeuses d'ions.
Une des difficultés majeures réside dans la synthèse et l'approvisionnement en
dihydrogène. Sur Terre, l'hydrogène n'existe en grande quantité que combiné à l'oxygène
(H2O, c'est-à-dire l'eau), au soufre (sulfure d'hydrogène, H2S) et au carbone (combustibles
fossiles de types gaz naturel ou pétroles). La production de dihydrogène nécessite donc
soit d'utiliser des combustibles fossiles, soit de disposer d'énormes quantités d'énergie à
faible coût, pour l'obtenir à partir de la décomposition de l'eau, par voie thermique ou
électrochimique.
Le dihydrogène peut être comprimé dans des bouteilles à gaz (pression en général de
350 ou 700 bars), ou liquéfié ou combiné chimiquement sous forme de méthanol ou de
méthane qui seront ensuite transformés pour libérer du dihydrogène. Les rendements
énergétiques cumulés des synthèses du dihydrogène, de compression ou liquéfaction,
sont généralement assez faibles. Le dihydrogène n'est donc pas une source d'énergie
primaire, c'est un vecteur d'énergie.
2°) STI2D métropole 2013 B.1. L’accumulateur Li-Mn
B.1.1. Vérifier si le choix du type d'accumulateur (batterie) est judicieux pour réaliser un trajet
journalier moyen et pour recharger l’accumulateur (annexe B1).
B.1.2. Préciser à quelles grandeurs physiques correspondent les indications 8,8 Ah et 422 Wh qui
figurent sur le descriptif technique en annexe B1.
B.1.3. Calculer l’intensité I du courant constant pouvant être débité pendant un durée de 6 h
jusqu’à la décharge complète de l’accumulateur.
B.1.4. Calculer la durée Δt d’utilisation de l’accumulateur (jusqu’à sa décharge complète) si la
puissance consommée par le moteur et les équipements vaut P = 140 W.
B.1.5. Après avoir consulté le principe de l’accumulateur Li-Mn (annexe B2), compléter le
document réponse DR2 en indiquant :
· les sens de déplacement des porteurs de charges (électron et ion lithium) et le sens du
courant I lorsque la batterie se décharge.
· les polarités de l'accumulateur.
· les noms des électrodes et des réactions qui s'y produisent.
Justifier chacune des réponses et écrire notamment l'équation de la réaction chimique qui
se produit au niveau de l'électrode en carbone (C).
B.1.6. Lors de la recharge de l'accumulateur, donner la nature (continue ou alternative) et la
valeur de la tension U (annexe B3).
Annexe B1 - Extrait du descriptif technique
Motorisation électrique : Moteur 250 W ; 48V High Torque Brushless BionX
Nombre de programmes moteur : 4 en assistance / 4 en régénération + booster
+ mode piéton 6 km/h + récupération d’énergie.
Principe d’assistance : proportionnel à l’effort de pédalage - capteur de couple
intégré au moteur.
Console Ordinateur de bord LCD avec indicateur de charge batterie - gâchette -
Commande séquentielle de changement de mode et booster.
Batterie Li-Mn 48 V 8,8 Ah 422 Wh downtube amovible avec antivol et indicateur
de charge intégré. Temps de recharge batterie : 5 à 7 h (80 à 100 %).
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Autonomie mini 80 km ; autonomie maxi 130 km.
Annexe B2 - Principe d'un accumulateur Li-Mn
Dans un accumulateur Lithium-ion, des atomes de lithium s'intercalent dans les cavités
des réseaux cristallins. On utilise une électrode en oxyde métallique lithié (LiMnO2) et
une électrode en carbone C séparés par un électrolyte : on obtient ainsi un
accumulateur déchargé. Puis, à l'aide d'un générateur, on force le lithium à passer,
sous forme ionique Li+, à travers l'électrolyte, pour rejoindre l'électrode en carbone, où
il rencontre un électron pour reformer un atome de lithium.
Théoriquement, 6 atomes C peuvent accueillir 1 atome Li. Lorsque toutes les cavités
sont occupées, la batterie est chargée à son maximum de capacité. Le lithium est alors
prêt pour le voyage retour ! Ci-dessous, un accumulateur chargé.,
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3°) STI2D Nouvelle-Calédonie Rempl. 2013
C.II.1) Sur le document réponse DR3, l'accumulateur fonctionne-t-il en charge ou en
décharge ? Justifier.
C.II.2) Compléter le schéma du document réponse DR3, en faisant apparaître le sens de
déplacement des électrons et la borne positive de l'accumulateur.
C.II.3) En déduire la demi-équation d'oxydo-réduction au niveau de l'électrode en plomb.
S'agit-il d'une oxydation, d'une réduction ?
C.II.4) De même, écrire la demi-équation d'oxydo-réduction au niveau de l'électrode en oxyde
de plomb. S'agit-il d'une oxydation, d'une réduction ?
C.II.5) Quel type de conversion d'énergie se produit-il lors de cette utilisation de l'accumulateur
?
C.II.6) Expliquer la différence entre une pile et un accumulateur.
C.III. Ci-dessous, sont reproduits les schémas d'une batterie Li-ions, l'une chargée et l'autre
déchargée.
Dans ces batteries, ce sont les ions lithium Li+ qui se déplacent entre les deux électrodes,
sans jamais réagir.
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C.III.1) Faire un schéma correspondant à la charge de cette batterie, en schématisant les
éléments nécessaires (générateur, sens du courant et des électrons, mouvement des ions
lithium dans l'électrolyte).
C.III.2) Faire un schéma correspondant à la décharge de cette batterie, en schématisant les
éléments nécessaires (récepteur, sens du courant et des électrons, mouvement des ions
lithium dans l'électrolyte).
C.IV. D'après l'annexe I et l'annexe 4, justifier le choix technologique des accumulateurs pour
le Tûranor Planet Solar, en citant au moins trois raisons.
ANNEXE 1 : DESCRIPTION
L'attribut le plus passionnant de cet énorme bateau à double coque ne s'entrevoit que du ciel :
des panneaux solaires de la société Solon AG de Berlin sont installés sur le pont, mettant en
oeuvre des cellules solaires haute efficacité fabriquées par la société américaine SunPower
Corporation (San José en Californie). Un total de 825 modules, équipés de 38.000 cellules
photovoltaïques individuelles sur une surface totale de 537 mètres carrés (flaps et « ailerons
arrière » compris). Ils collectent l'énergie qui sera ensuite stockée dans six blocs de douze
batteries chacun (648 cellules fonctionnant selon la toute dernière technologie du lithium-ion
sans maintenance de la société GAIA à Nordhausen). Chacun de ces six blocs pèse juste un
peu moins de deux tonnes (des batteries au plomb conventionnelles de même capacité
auraient pesé sept fois plus pour une durée de vie moindre).
Le TÛRANOR PlanetSolar est dirigé par deux propulseurs en fibres de carbone avec hélices à
contre rotation de la société Turbo Marine Composite Technology GmbH à Hohen Luckow,
près de Rostock en Allemagne. Le diamètre de chacun de ces propulseurs est de près de
deux mètres, le double de ce qui se fait habituellement pour un bateau de cette taille, ce qui
rend la propulsion plus efficace.
Lorsque la moitié du propulseur est dans l'air et l'autre plongée dans l'eau, un effet de roue se
crée. Il est alors possible de gouverner le bateau sans l'aide du safran. Quatre moteurs
électriques qui viennent de Nuremberg, deux par arbre de transmission, délivrent 120 kW et
leur efficacité énergétique de plus de 90 % est incroyablement élevée.
En navigation solaire, le défi principal est de combler le temps dépourvu de soleil au moyen
d'un dispositif de stockage et d'une propulsion efficace, et c'est à quoi ces nouvelles
technologies font face avec succès. « Nous sommes en train de démontrer, à notre façon, que
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