STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 1

1. Définition de l’énergie :

2. Les différentes formes d’énergie :

3. Les transformations d’énergie :

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 2Les différentes conversions de l'énergie :

• Transformation de l'énergie électrique en énergie thermique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie électrique en énergie rayonnante : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie électrique en énergie chimique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie hydraulique en énergie mécanique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie mécanique en énergie hydraulique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie mécanique en énergie électrique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie mécanique en énergie thermique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie chimique en énergie mécanique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie chimique en énergie rayonnante : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie rayonnante en énergie chimique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie rayonnante en énergie électrique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie rayonnante en énergie thermique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie nucléaire en énergie thermique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie thermique en énergie rayonnante : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie thermique en énergie chimique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique : …………………………………………………………………………………………………….

• Transformation de l'énergie thermique en énergie électrique : …………………………………………………………………………………………………….

4. Les unités de l’énergie : Le Joule J: …………………………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………………. Thermique : …………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………. Travail mécanique : …………………………………………………………………………………………………….………………………………………………………………………………………………………………………………. Le Joule J : …………………………………………………………………………………………………….………. Le kilowattheure kWh : ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… La tonne équivalent pétrole tep : ……………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 35. Les ressources énergétiques :

Les ressources renouvelables : � Le soleil :

……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. � La géothermie :

……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. � Le couple terre –lune :

……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. � L’éolien :

……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. � Hydraulique :

……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. � Le biomasse :

……………………………………….……. …………………………………………………. ………………………………………………….

Les ressources épuisables : � Les énergies fossiles : ……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. …………………………………………………. …………………………………………………. � Fission : ……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. ……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. ……………………………………….……. …………………………………………………. …………………………………………………. � Fusion :

……………………………………….……. …………………………………………………. ………………………………………………….

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 4Exemple des différentes énergies pour un système local :

La chaîne énergétique

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 5Comparatif des sources d’énergies primaires fossile s et des énergies secondaires : Méthodologie de comptabilité énergétique Les coefficients d’équivalence entre unité propre et tonne d’équivalent pétrole (tep) sont précisés ci-après.

Pour l’électricité, trois cas doivent être distingués : – l’électricité produite par une centrale nucléaire est comptabilisée selon la méthode de l’équivalent primaire à la production, avec un rendement théorique des installations égal à 33 % ; le coefficient de substitution est donc 0,086/0,33 = 0,260606 tep/MWh ; – l’électricité produite par une centrale à géothermie est aussi comptabilisée selon la méthode de l’équivalent primaire à la production, mais avec un rendement théorique des installations égal à 10 % ; le coefficient de substitution est donc 0,086/0,10 = 0,86 tep/MWh ; – toutes les autres formes d’électricité (production par une centrale thermique classique, hydraulique, éolienne, marémotrice, photovoltaïque, etc., échanges avec l’étranger, consommation) sont comptabilisées selon la méthode du contenu énergétique, avec le coefficient 0,086 tep/MWh. ENR t : par convention, on appelle ENRt les énergies renouvelables thermiques que sont le bois de chauffage, les déchets urbains renouvelables, la géothermie valorisée sous forme de chaleur, le solaire thermique, le bio gaz, les biocarburants et les pompes à chaleur. Sont exclus les déchets urbains non renouvelables qui sont comptabilisés dans la colonne « ENRt et déchets » du bilan. L’électricité d’origine hydraulique, éolienne, solaire photovoltaïque et géothermique, bien que renouvelable», est classée dans « électricité ». PCS : le PCS (Pouvoir Calorifique Supérieur) donne le dégagement maximal théorique de chaleur pendant la combustion, y compris la chaleur de condensation de la vapeur d’eau produite pendant cette combustion. PCI : Exercice d’application : - Déterminer les équivalences énergétiques. Energie Energie dégagée (PCI) Equivalence - tep 3 t de houille (charbon). 50 MWh d’électricité d’origine nucleaire. 50 MWh d’électricité d’origine géothermique 10 stères de bois 25 MWh de gaz naturel

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 6 Unités utilisées pour comparer les différentes ressources dans le monde : Méga (M)=106 ; Giga (G)=109 ; Téra (T)=1012 ; Péta (P)=1015

o Pétrol : Baril (bl) o Gaz naturel : British Thermal Unit (Btu) o Charbon : tonne équivalent cxharbon (tec) o Electricité : Kilowatt-heure (KWh)

Comment lire ce tableau : Le baril est égal à 159 litres (ce qui correspond à 42 gallons américains). Pour faire une tonne métrique tep , il faut 7,4 barils (en moyenne) selon la densité du pétrole considéré. Travail sur les unités et valeurs énergétiques : TD1 : La chine produit 1 385,37 millions de barils de pétrole, 3,043 PBtu de gaz naturel et 2 217,54 millions de tonnes de charbon. Après avoir converti les trois productions en tonne équivalent pétrole, indiquer la première source d'énergie chinoise.

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 7TD2 : Calcul de la puissance moyenne par Français La France comptait 64,3 millions d'habitants au 1er janvier 2009. D'après l'Agence internationale de l'énergie, la consommation française d'énergie était, en 2009, répartie de la manière suivante : 641 millions de barils de pétrole, 1 444 TBtu de gaz naturel, 14,42 millions de tonnes de charbon, 1 080 TWh d'énergie nucléaire et 152,35 TWh d'hydroélectricité. 1. Calculer l'énergie totale consommée en 2009 par la France en Mtep. 2. Convertir ce résultat en Wh. 3. En déduire l'énergie consommée par un habitant de la France en 2009 en Wh. 4. En déduire la puissance (en W) équivalente d'un Français. 5. Sachant qu'un cheval est équivalent à une puissance de 735 W, calculer le nombre de chevaux équivalent à un habitant de la France en terme de puissance.

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 8Energie et puissance électrique

� Energie électrique : L’énergie électrique se manifeste lors du déplacement de charges électriques ( électrons ou ions). Ce déplacement est appelé un courant électrique ( i en Ampère A). Un courant électrique i de 1A circulant pendant un durée de 1 seconde correspond au déplacement d’une charge électrique « q » d’une valeur de 1 Coulomb .

Application :

accumulateur (pile rechargeable). La première caractéristique d'un accumulateur est sa capacité énergétique indiquée par le constructeur en mA*h. C'est en réalité une charge électrique capable de restituer une énergie. Cette grandeur s'exprime habituellement en Coulombs qui sont des ampères par des secondes. 1 C = 1 A * 1 s = 1000 ma * 1/3600 heure = 0.28 mAh Les capacités des R6 NiMh évoluent très vite. NiMH (de l'anglais nickel-metal hydride) est un accumulateur rechargeable utilisant de l'hydrure métallique (composé permettant de stocker de l'hydrogène) et de l'oxyhydroxyde de nickel comme électrode. Les accumulateurs NiMH ont été commercialisés vers 1990 et présentent une énergie volumique supérieure d'au moins 30 % par rapport aux accumulateurs NiCd (Nickel-Cadmium). Ils sont aujourd'hui eux-mêmes dépassés en termes d'énergie massique par les accumulateurs Li-ion (Lithium-ion) et Lithium-Polymère. L'avantage, en matière d'environnement, des batteries d'accumulateurs NiMH est l'absence de cadmium et de plomb, deux matériaux très polluants. En outre, elles possèdent de meilleures performances et une plus faible sensibilité à l'effet mémoire.

Durée de vie : Nous considérerons un accumulateur moyen. Au bout de 500 cycles, il commence à se dégrader rapidement, il sera considéré comme en fin de vie. Si l'accumulateur a été maltraité (surcharge, échauffement, décharge poussée, chocs...), sa vie sera très raccourcie. Les très grosses capacités impliquent une vie plus courte, mais les modèles s'améliorent doucement. Le problème de ces accumulateurs est évidemment leur capacité réelle. Il faut bien comprendre ce que veut dire le marquage constructeur. Une capacité annoncée de 2000 mAh, ne veut évidemment pas dire que l'accumulateur délivrera 2 A pendant 1 heure ! Avec un tel courant il s'écroulerait immédiatement. Cela veut dire qu'un accumulateur parfaitement neuf, chargé, devrait pouvoir fournir le dixième du nominal, soit 200 mA pendant 10h. Exercice : Suivant les modèles disponibles d’accumulateur NiMh , tension 1,2V, calculer l’énergie disponible et le courant que peut délivrer cet accumulateur pendant 10h. Date de sortie

Capacité (charge électrique) en mA.h

Energie disponible en Wh Courant délivré pendant 10h

1996 800 mAh 2000 1100 mAh 2001 1500 mAh 2002 2000 mAh 2003 2300 mAh

STI2D \ Ens trans \ C5 Energies 9

Décharge en 10 h (document Maha)

Le moment de l'arrêt est calculé quand l'accumulateur est totalement vidé. Cela n'a pas grande importance au vu de la courbe de décharge. La tension se stabilise très vite à 1.2 V, puis décroît régulièrement jusqu'au coude vers 1.1 V et ensuite tombe très vite. Il faut arrêter la décharge à 1 V. Cette technologie ne présente pas d'effet mémoire sensible. Les anciens Cadmium Nickel aux multiples inconvénients disparaissent totalement, en particulier pour des questions de performances médiocres et de pollution en fabrication et en élimination. Tableau comparatif des capacités en mAh

Accus Ni-Cd Accus Ni-MH Piles * valeurs moyennes Tailles

Moyenne Maximale Moyenne Maximale Alcalines Salines LR03 300 370 850 1000 1250 540 LR06 650 750 2000 2700 2800 1100 LR14 2500 3600 3000 4000 8500 3800 LR20 4500 5500 6500 8500 18000 8000 6F22(9V) 120 150 170 250 625 400 * : Il s'agit bien ici de piles non rechargeables

La batterie de prédilection des véhicules hybrides En 2010, les batteries NiMH sont le standard pour équiper les voitures hybrides (moteur à combustion + moteur électrique). En effet malgré des performances en retrait par rapport aux batteries à base de lithium, elles gardent l'avantage de bien supporter de forts courants de charge et de décharge et sont beaucoup plus sûres en cas de surchauffe. La Toyota Prius et la Honda Civic IMA, par exemple, sont toutes deux équipées d’une batterie Panasonic (Matsushita) NiMH. Ces batteries sont prévues pour durer toute la durée de vie du véhicule (garanties 8 ans).

Batterie Ni-MH de Prius II

la Prius cache dans son coffre 28 modules de 6 cellules Nickel-Metal Hydride (NiMH) de tension 1,2V et de capacité 6,5 Ah , l’ensemble est monté en série. Question 1: Calculer la tension nominale de cet ensemble de batteries ? Question 2: Calculer l’énergie disponible de cette batterie en Wh et en joule? Question 3: La charge électrique utilisable est réduite à 40% de la capacité. Déterminer l’énergie utilisable.