Exercices: Production d'énergie électrique et économies d'énergie

Qu'est-ce qu'une centrale électrique ? Expliquer avec ses propres mots ce que l'on y fait : d'où provient l'électricité qu'elle produit ?

Dans une centrale hydroélectrique, il y a un réservoir d'eau stockée en altitude, comme sur la figure.

Expliquer d'où cette centrale tire son énergie et quel appareil se met en mouvement quand l'eau tombe.

Observer l'éolienne de la figure :

Qu'est-ce qui fait tourner les pales d'une éolienne ? Quelle énergie une centrale éolienne exploite-t-elle ? Dans quels types de lieux pensez-vous que l'on installe ces éoliennes ?

Les panneaux solaires des toits et des satellites produisent de l'électricité sans bouger ni faire de bruit, comme celui de la figure.

Quelle énergie reçoivent-ils et en quelle énergie la transforment-ils ?

Classer ces sources d'énergie en renouvelables et non renouvelables : le Soleil, le vent, le charbon, l'eau d'une retenue, le gaz naturel et l'uranium. Expliquer la différence entre les deux groupes.

Ordonner ces étapes du voyage de l'électricité jusqu'à la maison : les prises de votre chambre, la centrale électrique, les câbles des pylônes à haute tension. Expliquer ce qui se passe à chaque étape.

Pourquoi éteindre la lumière en quittant une pièce permet-il d'économiser de l'énergie, même si l'ampoule est petite ? L'expliquer en pensant à la durée pendant laquelle elle reste allumée.

Une ampoule LED de $10\ \text{W}$ éclaire autant qu'une ancienne ampoule de $60\ \text{W}$.

1. a) Laquelle consomme le moins d'énergie pour la même lumière ?
2. b) Combien de fois plus l'ancienne consomme-t-elle que la LED ?

Dans une centrale thermique, les événements suivants se produisent, mais dans le désordre : la vapeur fait tourner une turbine ; on brûle du charbon ; l'alternateur produit de l'électricité ; la chaleur chauffe de l'eau et la transforme en vapeur.

1. a) Ordonner la chaîne du début à la fin.
2. b) Quel type d'énergie le charbon contient-il avant d'être brûlé ?

Une centrale nucléaire chauffe de l'eau comme une centrale thermique, mais sans rien brûler.

1. a) Quel « combustible » une centrale nucléaire utilise-t-elle ?

1. b) Indiquer un avantage et un inconvénient de ce type de centrale.

Indiquer un avantage et un inconvénient de chacune de ces centrales : la centrale éolienne et la centrale solaire. Penser à ce qui se passe les jours sans vent et la nuit.

Décrire le voyage complet de l'électricité depuis l'eau retenue par un barrage jusqu'à la lampe de votre table de chevet, en nommant toutes les étapes : ce qui se met en mouvement quand l'eau tombe, quel appareil produit le courant et comment il arrive jusqu'à la maison.

Un village veut s'alimenter uniquement avec des panneaux solaires.

1. a) Quel problème aura-t-il la nuit et par temps très nuageux ?
2. b) Proposer deux solutions pour avoir de la lumière à ces moments-là aussi.

Dans le salon d'une maison, il y a $5$ ampoules allumées.

1. a) Si ce sont d'anciennes ampoules, de $60\ \text{W}$ chacune, quelle puissance consomment-elles au total ?
2. b) Si on les remplace par des ampoules LED de $10\ \text{W}$, qui donnent la même lumière, quelle puissance totale consomment-elles maintenant ?
3. c) Quelle puissance économise-t-on avec ce changement ?

Le téléviseur éteint avec la télécommande garde un petit voyant rouge allumé : c'est la consommation en veille ou « stand-by ».

1. a) Pensez-vous qu'il consomme de l'énergie même s'il semble éteint ? Justifier la réponse.

1. b) Comment feriez-vous pour qu'il ne consomme plus rien sans démonter le téléviseur ?

Un chargeur de téléphone branché sur le secteur, même sans téléphone connecté, consomme $1\ \text{W}$.

1. a) Pendant combien d'heures reste-t-il branché si on ne le débranche pas pendant une semaine entière ?
2. b) Quelle énergie consomme-t-il pendant cette semaine, en $\text{Wh}$ ? Indice : multiplier la puissance par la durée.

Une vallée traversée par un fleuve à fort débit veut produire sa propre électricité et hésite entre un barrage hydroélectrique et une centrale thermique à gaz.

1. a) Indiquer un avantage de chaque option.
2. b) Indiquer un inconvénient de chaque option.
3. c) Laquelle choisiriez-vous pour la vallée ? Justifier votre choix à l'aide des réponses précédentes.

Dans la nature, on ne trouve presque pas d'électricité « libre » prête à l'emploi, sauf les éclairs : il faut la produire en transformant d'autres énergies.

1. a) Écrire la chaîne complète des transformations d'une centrale thermique, depuis l'énergie stockée dans le charbon jusqu'à l'électricité.
2. b) Expliquer à l'aide de cette chaîne pourquoi on dit que l'électricité est très pratique à utiliser mais qu'il faut toujours la « payer » avec une autre énergie.

La famille de Nadia installe des panneaux solaires sur le toit, mais reste raccordée au réseau électrique.

1. a) Pourquoi ne se déconnectent-ils pas complètement du réseau ?
2. b) Que pensez-vous qu'il arrive à l'énergie excédentaire à midi par une journée ensoleillée ?
3. c) Quel avantage y a-t-il à rester raccordé au réseau en plus d'avoir des panneaux ?

La box internet consomme $10\ \text{W}$ et reste allumée toute la journée, tous les jours de l'année.

1. a) Quelle énergie consomme-t-elle en un jour, en $\text{Wh}$ ?
2. b) Quelle énergie consomme-t-elle en une année de $365$ jours, en $\text{Wh}$ ?
3. c) Convertir le résultat annuel en $\text{kWh}$, sachant que $1\ \text{kWh} = 1000\ \text{Wh}$.

Léa dit : « Nous devrions produire toute l'électricité avec des énergies renouvelables. » Bruno répond : « Ce n'est pas possible, parce que le Soleil et le vent font parfois défaut. »

1. a) Expliquer en quoi chacun a raison.
2. b) Citer deux moyens de stocker ou d'obtenir de l'énergie pour les moments où le Soleil et le vent font défaut.
3. c) Avec quelle opinion êtes-vous le plus d'accord ? Argumenter la réponse.

Les appareils électroménagers portent une étiquette énergie avec une lettre, de A (ceux qui consomment le moins) à G (ceux qui consomment le plus), comme celle de la figure.

1. a) Entre deux réfrigérateurs de même taille, l'un de classe A et l'autre de classe F, lequel achèteriez-vous en pensant à la facture d'électricité ?
2. b) Celui de classe A coûte plus cher à l'achat ; pourquoi peut-il être rentable à long terme ?
3. c) Pourquoi l'efficacité est-elle si importante justement pour le réfrigérateur, qui est branché $24$ heures par jour ?

Rédiger un plan d'économies d'énergie pour votre établissement avec quatre mesures (penser à l'éclairage, au chauffage, aux ordinateurs et aux volets).

1. a) Expliquer pourquoi chaque mesure permet d'économiser de l'énergie.
2. b) Laquelle de vos mesures permettra, selon vous, d'économiser le plus ? Justifier la réponse.

Une région produit son électricité de la manière suivante : $40\ \%$ dans des centrales hydroélectriques, $30\ \%$ dans des centrales éoliennes, $20\ \%$ dans des centrales solaires et $10\ \%$ dans une centrale thermique. Observer le graphique :

1. a) Quel pourcentage de l'électricité est d'origine renouvelable ?
2. b) Si la région produit $2000\ \text{GWh}$ par an, combien de $\text{GWh}$ correspondent à l'éolien ?
3. c) Combien de $\text{GWh}$ d'électricité renouvelable produit-elle au total ?

Défi du thème. Devenez le conseiller en énergie de votre foyer ! Pour consolider vos connaissances, vous allez étudier l'électricité de l'échelle atomique jusqu'au réseau national en trois phases :

1. Électrisation et mesure : Frotter un stylo avec de la laine et mesurer avec une règle la distance maximale $d$ à laquelle il attire des confettis de papier ($5$ répétitions). Tenir compte de l'incertitude de l'instrument ($\pm 0,1\text{ cm}$), consigner les données dans un tableau avec la moyenne, tracer le nuage de points et expliquer quelles particules sont transférées.

2. Circuits domestiques : Dessiner le schéma électrique normalisé de deux ampoules de votre logement commandées par un interrupteur. Justifier si le montage doit être en série ou en dérivation selon son fonctionnement pratique.

3. Mix énergétique et économies d'énergie : Consulter sur le site de RTE le pourcentage (\%) de production renouvelable d'aujourd'hui. Puis repérer la puissance d'un appareil électroménager de votre cuisine, calculer sa consommation mensuelle estimée ($E = P \cdot t$, en $\text{kWh}$) et rédiger deux mesures d'économie réalistes et argumentées.

Présenter votre travail dans un compte rendu bref avec les calculs, le graphique et le schéma.

Seront évalués :

• La rigueur dans le relevé des mesures faites à la maison, l'expression de l'incertitude ($\pm 0,1\text{ cm}$) et la réalisation du graphique.

• La justesse conceptuelle et symbolique du schéma du circuit électrique.

• L'extraction rigoureuse des données de RTE et la faisabilité physique des mesures d'économie proposées.