Bac ES-L 2016 Centres Étrangers

PARTIE 2 (6 points) - LE DÉFI ÉNERGÉTIQUE

L’eau, carburant du XXIème siècle ?
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 ?

Document 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 :

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

Document 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.

Source : d’après http://www.cea.fr

Document 3 : la voiture électrique

La région 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.

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

Question 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

Question 2 :
Jules Verne décrit le « moteur à eau » dans son roman. Préciser comment il envisage l’obtention du dihydrogène.
Cochez uniquement la réponse exacte :

Production grâce aux énergies fossile
Production grâce à l’électrolyse de l’eau
Production grâce à la biomasse

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

Cochez uniquement la réponse exacte :

Poposition 1
Proposition 2
Proposition 3

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

Cochez uniquement les bonnes cases du tableau :

	est utilisé(e)	est produit(e)
L’eau
Le dioxygène
Le dihydrogène

Question 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.

Question 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 ».

Corrigé officiel

Référence de la Question	Réponses attendues	Barème
Question 1	Eau: - ressource d'énergie renouvelable Charbon : - ressource d'origine fossile - ressource d'énergie non renouvelable	1,5 point
Question 2	Production du dihydrogène grâce à l'électrolyse de l'eau.	0,5 point
Question 3	Proposition 1	0,5 point
Question 4	L'eau est produite. Le dioxygène est utilisé. Le dihydrogène est utilisé.	1 point (- 0,5 point par erreur dans la limite de - 1 peint
Question 5	E= P.Δt E=4x5x2 E=40 kWh	1 point
Question 6	Un argument en leur défaveur: -le dihydrogène utilisé est produit par reformage, réaction qui produit du dioxyde de carbone; - ou tout autre argument cohérent. Un argument en leur faveur: - ne rejettent que de l'eau; - ne rejettent pas de dioxyde de carbone par le fonctionnement de la pile à combustible; - ou tout autre argument cohérent. Conclusion; Voitures « non propres » mais environ 9 fois moins polluantes que les voitures à essence pour ce qui concerne l'utilisation.	1,5 point