Transcript LA SPECIALITE ENERGIE ET ENVIRONNEMENT

Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable
LA SPECIALITE ENERGIE ET ENVIRONNEMENT
Cours - TD
CI5 : Efficacité énergétique active
1ère
STI2D
EE
LA SPECIALITE ENERGIE ET ENVIRONNEMENT
1. Energie, puissance et rendement
L’énergie, la puissance et le rendement constituent les notions de base de la spécialité Energie et
Environnement. Elles sont systématiquement présentes sur tous systèmes énergétiques.
1.1. L’énergie
Il y a toujours au moins deux quantités d’énergie en jeu : celle dite d’entrée We et celle dite de sortie
Ws.
Exemple : Une ampoule convertit l’énergie électrique en énergie lumineuse (ou rayonnante).
Energie électrique
(We)
→
Energie lumineuse
(Ws)
Quel que soit le système, la quantité d’énergie de sortie est toujours inférieure ou au mieux égale à celle
d’entrée :
Ws ≤ We
D’autres quantités d’énergies peuvent être présentes à l’intérieur (entre l’entrée et la sortie) d’un
système. Le « chemin » permettant de suivre les différentes modifications et transformations de
l’énergie d’entrée jusqu’à la sortie est appelé chaine d’énergie.
L’unité du joule a d’abord été le joule (J). Cependant, dans la vie quotidienne, on l’exprime plus
généralement en wattheure (Wh).
1.2. La puissance
L’énergie est le produit de la puissance par le temps de fonctionnement, il est facile de déterminer la
puissance en fonction de l’énergie et vice-versa. L’unité usuelle de la puissance est le watt (W).
W=P×t
P=
W
t
Une puissance peut aussi être calculée en fonction d’autres grandeurs physiques. Cependant, selon le
type d’énergie étudiée, les calculs différent puisque les grandeurs mises en jeu ne sont pas toujours les
mêmes.
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1.3. Le rendement
Le rendement défini la quantité d’énergie de sortie réellement utilisée par rapport à la quantité
d’énergie d’entrée. On l’exprime la plupart du temps en pourcentage (%) :
η=
Ws Ps×t
=
We Pe×t
η=
Ps
à puissances constantes
Pe
Comme Ws ≤ We (donc Ps ≤ Pe) un rendement est toujours inférieur ou égal à 100 % (η ≤ 1).
1.4. Exercice
Une voiture converti l’énergie chimique du carburant en
énergie mécanique lui permettant d’avancer.
Pour une vitesse moyenne de 90 km/h sur 100 km parcouru,
une voiture consomme 6 litres d’essence. Cela représente une
énergie au niveau du réservoir We = 53,4 kWh. L’énergie
mécanique ainsi produite aux roues est Ws = 14 kWh.
Q1. Calculer le rendement global η (en %) de ce véhicule.
Q2. Calculer le temps t (en h) que le véhicule met pour parcourir ces 100 km.
Q3. En déduire les puissances Pe et Ps (en kW).
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2. Energie électrique
La forme la plus courante de l’énergie électrique est celle que nous retrouvons tous à notre domicile,
grâce aux prises de courant en particulier. Il s’agit du régime alternatif monophasé.
Une simple observation d’une prise électrique nous montre qu’elle possède trois fils. Mais à quoi
correspondent-ils ?
Terre (PE) :
Assure la protection des
personnes en cas d’anomalie sur
l’appareil connecté à la prise
Phase (Ph) :
Permet l’alimentation en
courant.
Neutre (N) :
Permet le « retour » du courant.
Remarque : Par convention le neutre est positionné à gauche et la phase à droite (quand on regarde la
prise de face). C’est n’est cependant pas une obligation car ça ne gêne en rien le bon fonctionnement
des appareils branchés dessus.
Entre la phase et le neutre, il existe une tension alternative appelée tension simple, notée V.
Dans le cas d’une prise de courant, cette tension vaut V = 230 V.
Lorsqu’un appareil (un récepteur) est branché sur la prise (et qu’il est en fonctionnement) un courant se
met à circuler. On le note I.
I
Ph
V
Prise
Récepteur
I
N
Dans ce cas, la puissance électrique est :
P=V×I×cosϕ
Avec : V : tension simple en volt (V)
I : intensité du courant en ampère (A)
cosϕ : facteur de déplacement (inférieur ou égal à 1)
Le facteur de déplacement (DPF - Displacement Power Factor) dépend du type de récepteur :
Dans le cas d’un récepteur résistif, ce facteur vaut 1 : cosϕ = 1
Dans le cas d’un récepteur inductif, il est inférieur à 1 : cosϕ < 1
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2.1. Exercice
Un lave-linge est raccordé à une prise de courant domestique.
2.1.1. Etude de la résistance chauffante
La résistance permettant de chauffer l’eau (appelée
thermoplongeur) consomme un courant I = 7,6 A. On peut
considérer ce récepteur comme résistif.
Q1. Calculer la puissance P (en W) consommée par cette résistance.
Q2. En supposant que cette résistance fonctionne 1 heure par lavage et qu’on effectue 180 lavages
par an, quelle est l’énergie W (en kWh) consommée ?
Q3. Le tarif réglementé de l’électricité étant de 0,1249 € par kWh, combien coutera la consommation
de la résistance par an ?
Q4. Le mix énergétique de l’électricité en France génère 83 g de CO2 pour 1 kWh produit. Déterminer
l’impact carbone de l’utilisation de cette résistance.
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2.1.2. Etude du moteur du tambour
Le moteur qui entraine le tambour a les caractéristiques suivantes :
Puissance mécanique de sortie : Ps = 550 W
Rendement : η = 67 %
Facteur de déplacement : cosϕ
ϕ = 0,94
Q5. Calculer la puissance Pe (en W) consommée par ce moteur.
Q6. Déterminer le courant I (en A) consommé par ce moteur.
Q7. En supposant que ce moteur fonctionne 2 heures par lavage et qu’on effectue 180 lavages par an,
quelle est l’énergie Wm (en kWh) consommée ?
Q8. Le tarif réglementé de l’électricité étant de 0,1249 € par kWh, combien coutera la consommation
du moteur par an ?
Q9. Déterminer l’impact carbone de l’utilisation de ce moteur.
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2.1.3. Bilan
Q10. Déterminer la coût total de la consommation énergétique de la machine à laver le linge pour un an
d’utilisation, ainsi que son impact carbone annuel.
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