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21-2D2IDACME3 1/35 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE D’ENSEIGNEMENT DE SPÉCIAL

21-2D2IDACME3 1/35 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE D’ENSEIGNEMENT DE SPÉCIALITÉ SESSION 2021 SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L’INDUSTRIE ET DU DEVELOPPEMENT DURABLE Ingénierie, innovation et développement durable ARCHITECTURE ET CONSTRUCTION Durée de l’épreuve :4 heures L’usage de la calculatrice avec mode examen actif est autorisé. L’usage de la calculatrice sans mémoire, « type collège » est autorisé. Dès que ce sujet vous est remis, assurez-vous qu’il est complet. Ce sujet comporte 35 pages numérotées de 1/35 à 35/35. Constitution du sujet : Partie commune (durée indicative 2h30) 12 points Partie spécifique (durée indicative 1h30) 8 points Le candidat traite les 2 parties en suivant les consignes contenues dans le sujet. Ces 2 parties sont indépendantes et peuvent être traitées dans un ordre indifférent. Chacune des parties est traitée sur des copies séparées. Tous les documents réponses sont à rendre avec la copie. 21-2D2IDACME3 2/35 PARTIE COMMUNE (12 points) Chaudière à granulés o Présentation de l’étude et questionnement .................... pages 3 à 10 o Documents techniques .................................................... pages 11 à 16 o Documents réponses ....................................................... pages 17 à 18 21-2D2IDACME3 3/35 Mise en situation Les modes de chauffage individuel contribuent à l’épuisement des ressources d’énergies fossiles et à la production de polluants atmosphériques. L’étude suivante doit permettre de répondre à la problématique : en quoi le chauffage à granulés de bois constitue une solution d’avenir dans le cadre du développement durable ? Les chaudières à granulés sont de plus en plus nombreuses dans les foyers français. Les granulés sont fabriqués à partir de résidus, copeaux et sciures de bois, issus de l’industrie du bois (menuiserie, parqueterie, fabrique de palettes…), qui sont agglomérés ensemble, sans agent de liaison, pour former de petits cylindres compacts. Moderne et facile d’utilisation, la chaudière à granulés convient parfaitement aux personnes qui souhaitent bénéficier d’un chauffage naturel. La chaleur produite permet de chauffer l’eau d’un circuit de chauffage central d’un logement. La production est automatisée grâce à un clavier ou à l’aide d’une télécommande : il suffit d’allumer sa chaudière à granulés, de la programmer, puis de la régler. Elle s’arrête automatiquement lorsqu’il n’y a plus de granulés. Pour améliorer le confort d’utilisation, les granulés peuvent être stockés en grande quantité, par exemple dans un silo textile saisonnier. Le volume de ce silo textile saisonnier doit être adapté à la consommation annuelle afin d'éviter les rechargements en cours de saison de chauffe. Le silo textile existe en différentes tailles. Il est rempli par camion souffleur. Sa structure évite la propagation de poussières. Lors du remplissage, le textile permet d’évacuer l’air, mais piège les poussières à l’intérieur du silo. Une liaison en tube flexible (entre le bas du silo et la chaudière) permet de transférer au fur et à mesure les granulés vers la chaudière par un système d'aspiration intégré. Silo textile saisonnier 21-2D2IDACME3 4/35 Présentation de la chaudière 1. Aspiration granulés 2. Stockage journalier 3. Vis de dosage 4. Vis de sécurité 5. Chambre de combustion 6. Échangeur air-eau 7. Ventilateur d’extraction fumées 8. Conduite d’évacuation des Fumées 9. Sonde lambda 10. Vis de décendrage 11. Bac à cendres 12. Tableau de commande Description du fonctionnement Les granulés sont stockés en (2). La vis de dosage (3) puis la vis de sécurité (4) amènent les granulés dans la chambre de combustion (5). Après la combustion des granulés, les cendres sont récupérées dans le bac (11). La chaleur produite et les fumées sont aspirées par le ventilateur (7) et passent au travers d’un échangeur thermique air-eau (6). L’eau ainsi chauffée alimente les radiateurs répartis dans le logement. Pour augmenter la chaleur produite, les granulés sont envoyés en plus grande quantité dans la chambre de combustion. Dans le même temps, l’aspiration des fumées augmente l’apport d’air dans la chambre de combustion. 9 1 3 1 2 4 5 7 8 3 8 10 11 12 Stockage journalier (2) Vis de dosage (3) Moto- réducteur Conduite d’amenée des granulés Entrée d’air Echangeur air-eau (6) Conduite d’évacuation des fumées (8) Ventilateur d’extraction des fumées (7) Bac à cendres (11) Vis de décendrage (10) M M M Vis de sécurité (4) (évite les retours de flamme vers le silo) M Eau Chambre de combustion (5) 21-2D2IDACME3 5/35 Travail demandé Partie 1 : le chauffage au bois permet-il de réduire les émissions de gaz à effet de serre ? L’objectif de cette partie est de comparer l’impact environnemental des émissions de gaz à effet de serre des différentes énergies utilisées dans les chauffages domestiques. Question 1.1 Indiquer quel combustible émet le plus de gaz à effet de serre en kg.équivalent CO2 / MWꞏh utile. DT1 (feuillet 1/2) Question 1.2 Indiquer l’énergie la plus utilisée pour le chauffage des foyers français. DT1 (feuillet 1/2) Question 1.3 Recopier et compléter le tableau ci-dessous. Indiquer l’énergie qui émet le plus de gaz à effet de serre pour le chauffage des foyers français en kg.équivalent CO2 / MWꞏh utile. DT1 Gaz Électricité Fioul Bois (en moyenne) Part des émissions de gaz à effet de serre en kg.équivalent CO2 / MWꞏh 0,286 x 222 = 63,5 Question 1.4 En déduire par quelle énergie il faut remplacer le fioul pour limiter les émissions de gaz à effet de serre. Partie 2 : quel est l’impact du chauffage au bois sur les émissions de particules fines ? L’objectif de cette partie est de comparer les différentes solutions de chauffage au bois (à foyer ouvert et à granulés). Dans les questions qui suivent, on s’intéresse aux émissions de particules fines en Île de France en 2010. Question 2.1 DT1 (feuillet 1/2) Expliquer pourquoi les particules PM10 sont dangereuses pour les humains. 21-2D2IDACME3 6/35 Question 2.4 DT1 (feuillet 2/2) Évaluer les conséquences du remplacement des appareils à foyer ouvert par un chauffage aux granulés sur le pourcentage des émissions totales de PM10. Conclure sur l’intérêt d’un chauffage bois aux granulés. Partie 3 : comment évaluer la consommation annuelle en granulés ? L’objectif de cette partie est d’évaluer la consommation annuelle de granulés et de choisir le silo. L’habitation à équiper est actuellement chauffée au fioul domestique avec une chaudière très ancienne. Le tableau du DT2 indique la quantité d’énergie thermique dégagée par la combustion de différents types d’énergie. Question 3.1 DT2 Relever le pouvoir calorifique inférieur (PCi) du fioul et des granulés de bois en précisant bien l’unité de produit correspondante. La consommation actuelle de fioul domestique est de 1380 L par an. Question 3.2 Calculer la quantité d’énergie thermique ET (en kWh) produite par l’ancienne chaudière, dont le rendement est de 75%. Question 3.3 Relever la valeur du rendement à charge partielle de la nouvelle chaudière à granulés. Calculer la masse de granulés à stocker (en kg) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe afin de produire la même quantité d’énergie thermique ET. DT3 Question 3.4 Calculer le volume de granulés à stocker (en m3) pour alimenter la chaudière pendant une saison de chauffe. Justifier le choix du silo proposé sur le document DT5. DT4, DT5 Question 2.2 Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois par les ménages et le comparer avec celui du trafic routier. DT1 (feuillet 2/2) Question 2.3 Calculer le pourcentage des émissions totales de PM10 liées à la combustion de bois de chauffage pour les ménages équipés de cheminées à foyer ouvert. DT1 (feuillet 2/2) 21-2D2IDACME3 7/35 Le document technique DT6 donne l’évolution de la production et de la consommation de granulés de bois en France. Question 3.5 DT6 Déterminer graphiquement ces deux valeurs pour l’année 2019. Expliquer l’écart entre ces deux valeurs (production et consommation). La consommation annuelle moyenne de granulés pour un foyer est de 2,5 tonnes. Question 3.6 DT6 Déterminer le nombre de foyers qui auraient pu se chauffer avec des granulés produits en France en 2019. Partie 4 : comment optimiser le fonctionnement de la chaudière ? Afin de devenir une solution s’inscrivant dans une démarche de développement durable et respectueuse de la santé, le fonctionnement de la chaudière à granulés doit être optimisé. Afin d’obtenir le rendement maximum, il convient notamment de veiller à ce que la combustion des granulés soit complète. Ceci permettra d’une part de réduire la consommation de combustible, d’autre part de diminuer les rejets : émissions polluantes (CO2, NOx, ...) et cendres. L’objectif de cette partie est de répondre à la problématique : comment déterminer, pour un point de fonctionnement donné, l’ajustement optimal du mélange air / combustible solide afin que la combustion soit complète ? Question 4.1 DR1 Sur le diagramme de blocs internes du DR1, identifier les flux suivants en repassant sur les traits avec les couleurs indiquées ci-dessous : - flux d’information : concernant la température en bleu ; - flux de matière : concernant les granulés en vert ; - flux d’énergie : en rouge. Question 3.7 Expliquer pourquoi la chaudière à granulés est une solution d’avenir dans le cadre du développement durable (économie, social et environnement) en se basant sur l’ensemble des questions précédentes (parties 1 à 3). 21-2D2IDACME3 8/35 Détermination de la puissance de chauffe nécessaire uploads/Industriel/ sti2d-spe-ingenierie-innov-dev-durable-2021-metropole-remplacement-sujet-officiel.pdf