Ressources pédagogiques
Ingénierie énergétique, électrique et des constructions
Bilans énergétiques et thermodynamique
Ce fichier vient de la banque de ressources mise à disposition sur le site Eduscol.
Il permet d'aborder les notions principales pour réaliser les bilans énergétiques de système, entre autres.
Même si ces notions sont plutôt découvertes en classe de physique-chimie, elles sont cruciales dans la compréhension du domaine de l'énergie, notamment dans le cadre des transferts et des échanges thermiques.
Comme il n'y a pas de sommaire, je vous propose le suivant :
I.Bilans énergétiques...................................................1
1.Grandeurs utilisées....................................................1
2.Différents types de bilan............................................3
II.Transferts thermiques............................................6
1.Généralités................................................................6
2.Notions de flux de chaleur.........................................6
3.Conduction................................................................8
4.Convection................................................................11
5.Rayonnement............................................................18
III.Échangeurs de chaleur........................................24
1.Dimensionnement.....................................................24
2.Technologie..............................................................27
Présentation du marché de l'énergie en France : Quelle structure et quel fonctionnement ?
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ENERGIES RENOUVELABLES :
Lien pour une vidéo introductive sur les énergies renouvelables avec l'émission "C'est pas sorcier" :
Lien pour une autre vidéo de l'émission "C'est pas sorcier" abordant l'hydrogène :
LE SOLEIL
Le soleil produit un rayonnement continu et irrégulier tout au long de l'année. Ce rayonnement est également variable en fonction du lieu, de l'inclinaison et de l'orientation des surfaces de captage.
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On utilise ces rayonnements de deux manières possibles :
- Les panneaux photovoltaïques permettent de transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique.
- Les capteurs thermiques permettent de transformer l'énergie lumineuse en énergie thermique.
- Les panneaux solaires hybrides qui mixent les deux technologies.
- Le panneau photovoltaïque :
Le silicium est aujourd'hui le matériau indispensable dans la construction des panneaux solaires photovoltaïques.
Cet élément que l'on retrouve dans le sable permet, comme le montre le schéma ci-dessous, de forcer le passage des électrons en suivant le principe des jonctions PN : deux zones (une en déficit et une en excès d'électrons) sont séparé par une couche neutre permettant le passage des électrons.
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L'animation ci-contre montre le fonctionnement d'une installation photovoltaïque.
- Le capteur thermique :
Le soleil produit un rayonnement continu et irrégulier tout au long de l'année. Ce rayonnement est également variable en fonction du lieu, de l'inclinaison et de l'orientation des surfaces de captage.
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On utilise ces rayonnements de deux manières possibles :
- Les panneaux photovoltaïques permettent de transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique.
- Les capteurs thermiques permettent de transformer l'énergie lumineuse en énergie thermique.
- Les panneaux solaires hybrides qui mixent les deux technologies.
Il existe également des capteurs thermiques qui utilise l'air plutôt que l'eau pour le chauffage de la maison.
Rendez vous dans l'onglet des STI2D pour retrouver un projet utilisant cette technologie.
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Exemple de capteur solaire à air :
- Le panneau solaire hybride :
Ce nouveau type de panneaux combine les deux technologies expliquées précédemment.
Effectivement, vu l'inconvénient principal d'un panneau photovoltaïque (voir ci-dessus), l'entreprise DualSun a cherché à refroidir le panneau afin de garder le meilleur rendement possible tout en valorisant l'énergie thermique récupérée.
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Liens pour de plus amples explications avec l'émission "C'est pas sorcier" :
L'EAU
Au niveau énergétique, l'eau douce est essentiellement utilisée dans les centrales hydroélectriques pour la production d'électricité.
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Comme le montre le schéma ci-dessous, l'objectif est de créer une différence de niveau entre deux stockages d'eau afin de créer un débit (produit de la vitesse par la section en m3/s) qui entrainera une turbine.
Comme souvent dans la production d'électricité, cette turbine est reliée à un alternateur (voir Ressources "Electricité") qui permet la production d'électricité.
- Centrale hydroélectrique :
Voici une animation détaillant le fonctionnement de ce type de centrales et un épisode de l'émission "C'est pas sorcier" :
LA TERRE
La chaleur présente naturellement dans le sol est due au travail du noyau et aux déplacements de la croûte terrestre. Cette source de chaleur est inépuisable et il existe de multiples façons de l'exploiter. C'est le rôle des pompes à chaleur utilisant les caractéristiques de certains fluides, notamment les propriétés de changement d'état.
Il faudra ensuite différencier les possibilités de captage (capteurs enterrés, puits, ...) avant de réaliser l'installation.
Pour ce type de technologies, on ne parlera pas de rendement car les performances dépassent 100%. On utilisera la notion de COP (COefficient de Performance en mode chauffage) et d'EER (Energy Efficiency Ratio en mode climatisation). Cette valeur est sans unité et est supérieure à 1.
- Le cycle frigorifique :
Vidéo détaillant les différents élements du circuit frigorifique et expliquant leur fonction dans le réchauffement et le refroidissement des locaux.
- Les pompes à chaleur et centrales géothermiques :
Voici deux extraits présentant les différentes technologies existantes, notamment au niveau du captage, et expliquant le fonctionnement de ces centrales.
L'AIR
L'air et plus particulièrement les phénomènes climatologiques, nous fournissent une source d'énergie encore une fois inépuisable appelée le vent.
Sur le même principe que les centrales hydrauliques, l'énergie électrique sur une éolienne est produite par le mouvement de rotation de l'hélice entraînée par le vent.
Le principe reste le même pour toute éolienne (ou hydrolienne : voir eau de mer) mais les emplacements d'installations vont être une donnée importante.
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Certaines pompes à chaleur (PAC) utilisent l'air ambiant pour réchauffer ou refroidir (suivant la saison) un fluide frigorigène (voir le cycle frigorifique dans "LA TERRE") qui échangera, à son tour, avec le moyen de chauffage et/ou d'eau chaude sanitaire (ECS) de la maison
- Centrale éolienne :
Voici une animation détaillant le fonctionnement de ce type de centrales :
- Pompe à chaleur aérothermique :
Voici une animation détaillant le fonctionnement pour ces PAC aussi appelées PAC AIR/EAU :
BIOMASSE
Le terme de biomasse regroupe l'ensemble des matières organiques d'origine végétale ou animale pouvant devenir des sources d'énergie.
Ces matières organiques qui proviennent des plantes sont une forme de stockage de l'énergie solaire, captée et utilisée par les plantes grâce à la chlorophylle. La biomasse correspond à la fraction biodégradable
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- des produits, déchets et résidus provenant de l'agriculture, y compris les substances végétales et animales,
- des produits, déchets et résidus provenant de la sylviculture et des industries connexes,
- des déchets et résidus végétaux de l'industrie (bois, issu de l'exploitation forestière, déchets organiques des industries agro-alimentaires...).
Le bois énergie, matérialisé par les bûches, les granulés et les plaquettes, est de très loin la première source d'énergie biomasse. Les principales formes de l’énergie de biomasse sont le chauffage domestique (alimenté au bois), la combustion de bois et de déchets dans des installations produisant de la chaleur et/ou de l’électricité et les biocarburants pour le transport (produits essentiellement à partir de céréales, de sucre, d’oléagineux et d’huiles usagées).
- Centrale biomasse (et cogénération) :
Voici une animation détaillant le fonctionnement de ce type de centrales :
- Méthanisation (et injection) :
Voici une animation détaillant le fonctionnement de ce type d'usines (le terme "injection" signifie la réinjection du gaz produit directement dans le réseau de gaz de ville) :
L'EAU DE MER
Au niveau énergétique, l'eau douce est essentiellement utilisée dans les centrales hydroélectriques pour la production d'électricité.
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Comme le montre le schéma ci-dessous, l'objectif est de créer une différence de niveau entre deux stockages d'eau afin de créer un débit (produit de la vitesse par la section en m3/s) qui entrainera une turbine.
Comme souvent dans la production d'électricité, cette turbine est reliée à un alternateur (voir Ressources "Electricité") qui permet la production d'électricité.
- Energies marines et production d'électricité :
Voici un document décrivant les différentes "énergies marines" et leur potentiel pour la France et divers liens détaillant les technologies affiliées aux énergies marines :
THERMO-
ELECTRICITE
Il existe trois effets thermoélectriques du nom des personnes les ayant découverts :
- L'effet Peltier
- L'effet Seebeck
- L'effet Thomson
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Chacun de ces effet fait intervenir des coefficient de même noms et visent à expliquer la relation entre un courant électrique (ou une tension électrique) et un flux de chaleur (ou un gradient thermique) au sein d'un matériau conducteur.
Les liens ci-dessous sont assez complexes mais présentent de manière complète la thermoélectricité et les effets qui en découlent.
PIEZO-
ELECTRICITE
Le monde qui nous entoure est grandement constitué d'énergie non utilisée relâchée dans l'atmosphère. On peut parler par exemple de l'énergie acoustique ou sonore, des ondes électromagnétiques ou encore des vibrations due aux mouvements comme, par exemple, les moyens de transports lourds (trains, camions, ...).
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De nos jours, de plus en plus de systèmes permettent de transformer ces pertes en énergie, même si la production reste très faible avec les moyens actuellement mis en place.
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Par contre, ces énergies sont gratuites puisqu'elles sont les résidus de notre façon de vivre. Elles représentent surement une quantité non négligeable que les nouvelles générations devront apprivoisées.
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ENERGIES FOSSILES :
Les énergies fossiles représentent les ressources énergétiques produites au sein de la terre au cours des millénaires précédents. Ces combustibles sont constitués de chaîne carbonée que l'on retrouve sous différents états : Charbon (solide), pétrole (liquide) et les alcanes dont les plus utilisés sont le méthane (gaz de ville), le butane et le propane (bouteilles bleus et rouges vendues dans le commerce).
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La lien ci-dessous présente les centrales thermiques à flamme qui utilisent des énergies fossiles comme combustible afin de produire de l'électricité.
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ENERGIES FISSILES :
Les énergies fissiles sont des combustibles qui, lors de la fission de leurs atomes, produisent de grandes quantités d'énergie.
On retrouve principalement l'uranium et ses produits de combustion comme le plutonium (même s'il existe plusieurs formes pour ces éléments chimiques).
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Avec les différentes génération d'ERP (European Pressurized Reactor), les technologies ont évoluées pour fonctionner avec ces produits de combustion ce qui permet de diminuer la radioactivité des déchets en fin de vie.
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Les liens ci-dessous permettent de comprendre la technologie nucléaire et son fonctionnement mais certains présentent également les risques encourus avec, par exemple, le démantèlement de la centrale de Fukushima qui est confié à des robots pour affronter cet environnement interdit à l'homme.
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STOCKAGE DE l'ENERGIE :
La principale préoccupation des populations en ce qui concerne l'énergie concerne son stockage. Pour l'instant, ces moyens ne sont pas encore assez développés. Du coup, les producteurs et fournisseurs d'électricité doivent équilibrer la production en fonction de la demande.
Cependant, avec les évolutions technologiques récentes, le stockage de l'énergie devient indispensable et ses applications seront multiples : Voiture électrique, redistribution de l'énergie électrique dans un bâtiment, ...
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En conséquence, voici quelques liens présentant les possibilités de stockage de l'énergie existant ou en développement.
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DISTRIBUTION DE l'ENERGIE :
L'énergie est très rarement produite à proximité de nos logements et parcours de longue distance (parfois à travers toute l'Europe) avant d'être utilisable dans nos domiciles.
Il y a plusieurs possibilités de transports suivant les sources d'énergie comme le montre les épisodes de l'émission "C'est pas sorcier" ci-après.
On constate également que la distribution est différente : l'électricité est déjà produite et est acheminée vers les habitations pour être directement utilisée par les appareils alors que pour le gaz, c'est le carburant (méthane ou gaz de ville) nécessaire à la production d'énergie qui est distribué.
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