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Sujet 18: La solution hydrogène On s’intéresse à deux modes de production d’éle

Sujet 18: La solution hydrogène On s’intéresse à deux modes de production d’électricité (la production éolienne et la production nucléaire) puis au stockage du dihydrogène. Document 1 : produire de l’électricité avec le vent Une éolienne utilise la force du vent pour produire de l’électricité. Celui-ci actionne les pales de l’éolienne, ce qui entraîne un alternateur. La production électrique est instantanée, mais intermittente, et dépend de la vitesse du vent. Le problème principal de ce type de production d’électricité est son intégration au réseau. Un surplus de production peut perturber gravement le réseau de transport d’électricité : si trop d’énergie électrique est injectée sur le réseau par rapport à la demande d’énergie, cela peut entraîner une instabilité du réseau, pouvant aller jusqu’à la déconnexion des centrales. D’après le ministère de la transition écologique, la production d’électricité éolienne a représenté 6,9% de la production totale en France pour le 1er trimestre 2019. La production électrique éolienne est entièrement automatisée et nécessite peu de maintenance. Le rendement d’une éolienne est d’environ 35%. Document 2 : Les centrales nucléaires En 2019, en France, la part du nucléaire s’élevait à 70,6% de la production électrique totale en France. La production d’électricité par une centrale nucléaire est basée sur la ﬁssion d’un combustible nucléaire. Cette ﬁssion dégage de l’énergie qui sert à produire de la vapeur, qui entraîne une turbine reliée à un alternateur. La ﬁssion de sept grammes d’uranium produit autant d’énergie que la combustion d’une tonne de charbon. Ce type de centrale peut fonctionner quasiment en continu, mais une fois à l’arrêt, il faut plusieurs jours pour relancer la production d’électricité. Une centrale nucléaire a un rendement d’environ 30%. Comme toute activité industrielle, les centrales nucléaires génèrent des déchets, dont certains sont radioactifs. Au- jourd’hui, des solutions techniques existent pour la gestion de tous les déchets radioactifs, mais cela exige une sûreté très importante des installations. Les déchets « à vie courte » sont triés selon leur niveau de radioactivité et leur nature, conditionnés et stockés dans les centres de l’ANDRA. Les déchets « à vie longue » issus du traitement du combustible usé sont vitriﬁés en blocs inaltérables et entreposés dans l’usine Areva NC de La Hague dans l’attente du stockage géologique en profondeur qui constituera une solution déﬁnitive de gestion pour ces déchets. Cependant pour le moment, aucun site de stockage profond n’est encore opérationnel. D’après : edf.fr Document 3 : L’hydrogène, un vecteur d’avenir Le dihydrogène (H2) peut tout faire, ou presque : produire de l’électricité via une pile à combustible ; servir de combustible, avec pour seul déchet la vapeur d’eau ; être transformé en méthane (CH4), voire en matières carbonées avec l’ajout de dioxyde de carbone (CO2), ainsi valorisé au lieu d’être rejeté dans l’atmosphère. De plus, il peut être stocké selon diﬀérentes options. La France produit chaque année un million de tonnes d’H2 pour diﬀérents usages (raﬃnage du pétrole, fabrication d’ammoniac, etc.). Et cela, surtout par vaporeformage du méthane (procédé de transformation à partir d’hydrocar- bures et présence de vapeur d’eau), qui libère 10 tonnes de CO2 pour chaque tonne de H2 produite... La combustion de H2, quant à elle, produit seulement de l’eau. L’électrolyse de l’eau, qui permet d’obtenir du dihydrogène et du dioxygène, nécessite de l’énergie électrique. Cette énergie est diminuée mais reste conséquente si l’on opère à haute température, comme c’est le cas dans le procédé EHT développé au Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA). Si cette solution venait à se généraliser, l’impact des électrolyseurs sur le réseau électrique serait non négligeable. D’où l’idée d’utiliser les surplus d’électricité des sources intermittentes, ou pourquoi pas recourir à de petits réacteurs nucléaires modulaires hybrides. Car dès 2025, il faudra pouvoir produire 4 à 5 millions de tonnes de dihydrogène par an. D’après « Les déﬁs du CEA » n°241 1 Sujet 18: La solution hydrogène Enseignement Scientiﬁque / Tle 1. L’alternateur est un convertisseur d’énergie cité dans les documents 1 et 2 : indiquer la nature de l’énergie convertie et la nature de l’énergie produite. L(alternateur permet la conversion de l’énergie mécanique en énergie électrique 2. Préciser le nom du phénomène physique sur lequel s’appuie le fonctionnement d’un alternateur. Le fonctionnement de l’alternateur est basé sur l’induction électromagnétique 3. Lors de la circulation du courant électrique, l’alternateur perd de l’énergie via l’échauﬀement des ﬁls conducteurs le constituant : indiquer le nom de l’eﬀet responsable de cette perte. L’eﬀet responsable de l’échauﬀement des ﬁls conducteurs est l’eﬀet Joule. 4. Décrire par un court texte ou un schéma la chaîne de transformations énergétiques de l’éolienne. 5. Calculer l’énergie nécessaire au fonctionnement d’une éolienne qui produirait 10 MWh d’énergie électrique. D’après le document 1, le rendement dune éolienne est d’environ r = 35% = 0, 35, il est donc possible d’écrire : r = Eelectrique Eeolienne Eeolienne = Eelectrique r = 10 0, 35 = 28,6 MWh 6. Expliquer en quoi le stockage du dihydrogène apporte un élément de réponse au problème de l’instabilité du réseau de transport d’électricité liée à la production intermittente d’énergie électrique par les éoliennes. D’après le document 3, d’une part la combustion du dihydrogène permet de produire de l’énergie électrique, d’autre part, le dihydrogène peut être produit par électrolyse de l’eau avec consommation d’énergie électrique. Ainsi, le dihydrogène constitue une forme de stockage chimique de l’énergie. En associant une source d’énergie intermittente, tel une éolienne, avec un dispositif de production et de stockage de l’hydrogène, il est possible d’utiliser le surplus d’énergie produit lors des périodes de fortes production électrique pour produire de l’hydrogène et le stocker. Lorsque les conditions météorologiques sont défavorables, ou lorsque la consommation est trop importante, l’hydrogène peut être mobilisé pour produire l’énergie électrique manquante sur le réseau. 7. Préciser si le document 3 fournit suﬃsamment de données pour comparer les émissions de CO2 par combustion d’hydro- gène et par combustion d’hydrocarbures, pour une énergie thermique produite donnée. Si ce n’est pas le cas, indiquer les données manquantes nécessaires pour eﬀectuer cette comparaison (on ne demande pas les valeurs de ces paramètres). Le document 3 précise la quantité de dioxyde de carbone nécessaire pour produire une certaine quantité d’hydrogène. Toutefois, pour calculer la quantité de dioxyde de carbone émise lors de la production d’une énergie thermique donnée, il faudrait aussi connaître l’énergie massique de combustion du dihydrogène. Pour ce qui est des hydrocarbures , aucune information n’est disponible. Il n’est donc pas possible de procéder à une comparaison. Learn Anytime 2/2 uploads/Industriel/ s18-hydrogene-corrige.pdf