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L'eau, carburant du XXIe siècle ?
Le défi énergétique
.icon_annales.png Jules Verne a écrit : "l'eau est le charbon de l'avenir".

Sujet 2L’eau, carburant du xxie siècle ? 25 min

France métropolitaine, juin 2016

PC

Le défi énergétique

Questions

6 pts

Jules Verne écrivait dans L’Île mystérieuse, parue en 1875 : « […] L’eau décomposée en ses éléments constitutifs […] sans doute par l’électricité. […] Oui, mes amis, je crois que l’eau sera un jour utilisée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène, qui la constituent, utilisés isolément ou simultanément, fourniront une source de chaleur et de lumière inépuisable et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. […] L’eau est le charbon de l’avenir. »

Aujourd’hui, ce qu’on appelle abusivement le « moteur à eau » est-il encore un rêve d’écrivain ?

Doc. 1 La pile à combustible

Son principe fut découvert en 1839 par William R. Grove. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité.

Actuellement, il existe différents types de piles à combustible, par exemple :

– micro-pile à combustible (microPAC), qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile ;

– pile capable de produire 1 MW pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif ;

– pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports.

Principe général de fonctionnement d’une pile à combustible :

img1

D’après http://eduscol.education.fr et http://www.cea.fr

Doc. 2 L’hydrogène présent partout mais disponible nulle part

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant dans l’Univers. Sur notre planète, on a noté quelques émanations de dihydrogène naturel, mais non exploitables en quantités significatives et à des coûts compétitifs.

Production à partir des énergies fossiles

Aujourd’hui, 95 % du dihydrogène est produit à partir des combustibles fossiles par reformage : cette réaction chimique casse les molécules d’hydrocarbures (par exemple du gaz naturel constitué essentiellement de méthane CH4) sous l’action de la chaleur pour en libérer le dihydrogène. Mais la production de dihydrogène par reformage a l’inconvénient de rejeter du dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Production par décomposition de l’eau

L’électrolyse permet de décomposer chimiquement l’eau en dioxygène et dihydrogène sous l’action d’un courant électrique. Cette solution est la plus intéressante en termes d’émission de gaz à effet de serre, à condition toutefois d’opérer cette dissociation à partir de sources d’énergie elles-mêmes non émettrices de dioxyde de carbone.

Production directe à partir de la biomasse

Cette solution est attrayante car la quantité de dioxyde de carbone émise au cours de la conversion de la biomasse en dihydrogène est à peu près équivalente à celle provenant de la photosynthèse.

D’après http://www.cea.fr

Doc. 3 La voiture électrique

La région Auvergne-Rhône-Alpes va servir de cadre à la première expérimentation jamais réalisée en France mettant en œuvre une importante flotte de véhicules utilitaires hybrides.

En effet, ces véhicules utiliseront une pile à combustible et par conséquent du dihydrogène (embarqué dans des bouteilles) en complément du moteur électrique équipé d’une batterie. Grâce au couplage batterie électrique et pile à combustible, l’autonomie des voitures électriques, usuellement comprise entre 120 km et 140 km, est alors portée à 300 km.

Cette pile à combustible sera constituée de quatre modules de 5 kW chacun.

En théorie, le véhicule à pile à combustible ne rejette que de l’eau, mais on estime qu’avec le dihydrogène issu du méthane par reformage, il rejette en moyenne 15 à 18 grammes de dioxyde de carbone par kilomètre. Un véhicule essence de taille moyenne rejette environ 150 grammes de dioxyde de carbone par kilomètre.

D’après http://www.usinenouvelle.com et http://www.voiture-electrique-populaire.fr

1 Jules Verne a écrit : « l’eau est le charbon de l’avenir ».

Cocher les bonnes cases dans le tableau ci-dessous :

Ressource d’énergie non renouvelable

Ressource d’énergie renouvelable

Ressource d’origine fossile

Eau

Charbon

2 Jules Verne décrit le « moteur à eau » dans son roman. La production du dihydrogène envisagée par Jules Verne dans son roman est une :

(Cocher uniquement la réponse exacte.)

□ production grâce aux énergies fossiles

□ production grâce à l’électrolyse de l’eau

□ production grâce à la biomasse

3 On s’intéresse à la chaîne énergétique de la pile à combustible.

La chaîne énergétique de la pile à combustible correspond à la :

(Cocher uniquement la réponse exacte.)

□ Proposition 1

img2

□ Proposition 2

img3

□ Proposition 3

img4

4 On s’intéresse à la pile à combustible utilisée en région Auvergne-Rhône-Alpes.

Cocher uniquement les bonnes cases du tableau.

est utilisé(e)

est produit(e)

L’eau

Le dioxygène

Le dihydrogène

5 Calculer en kWh l’énergie produite par les quatre modules de la pile à combustible du document 3, si le véhicule effectue un trajet de deux heures.

6 Les voitures utilisant les piles à combustible sont considérées comme des véhicules hybrides. Elles utilisent en effet le dihydrogène de leur pile à combustible comme source d’énergie chimique pour alimenter une batterie et un moteur électrique.

Peut-on pour autant les classer dans la catégorie des « véhicules propres » ? Pour cela, avancer un argument en leur faveur et un autre en leur défaveur, et conclure quant au qualificatif proposé « propre ».

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