RDP : Bilan carbone d'une centrale électrique thermique au gaz
RDP : Bilan carbone d'une centrale électrique thermique au gaz. DESCRIPTIF
DE SUJET DESTINE AU PROFESSEUR. Objectif. Initier les élèves de première S
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Thème : AGIR RDP : Bilan carbone dune centrale électrique thermique au gaz
DESCRIPTIF DE SUJET DESTINE AU PROFESSEUR
ObjectifInitier les élèves de première S à la démarche de résolution de problème telle quelle peut être proposée en terminale S.
Compétences exigibles du B.O.Programme de première S : Energie électrique ; production de lénergie électrique ; conversion de lénergie chimique ; énergie libérée lors de la combustion dun hydrocarbure.
Déroulement Cette activité peut être proposée comme exercice de devoir surveillé ou de devoir maison, ou bien en séance dAP pour préparer les élèves à ce type dexercice.
Durée : 50 minutes.
Cet exercice est prévu pour être évalué sur 5 pts, 10 pts ou autre (la feuille de calcul permettant de choisir le nombre de points retenu), selon le format du devoir proposé.
Dans le cas où cette activité serait proposée en phase dapprentissage, on pourra supprimer les questions préalables.
Compétences évaluéesSapproprier (APP) : coefficient 2
Analyser (ANA) : coefficient 4
Réaliser (REA) : coefficient 2
Valider (VAL) : coefficient 1
Communiquer (COM) : coefficient 1
RemarquesLes connaissances nouvelles qui ne sont pas au programme sont apportées par le biais des documents.
Sources : EDF ; site lenergieenquestion.fr
Pour un complément : HYPERLINK "http://energie.edf.com/thermique/une-energie-pour-demain/les-cycles-combines-gaz/quyest-ce-quyun-cycle-combine-gaz-47869.html" http://energie.edf.com/thermique/une-energie-pour-demain/les-cycles-combines-gaz/quyest-ce-quyun-cycle-combine-gaz-47869.html
AuteurPatrick Cransac lycée Jacques Cur Bourges (18)
ENONCE DESTINE AUX ELEVES
CONTEXTE
Vous êtes membre bénévole de lassociation écologique « Halte au feu », qui sintéresse plus particulièrement au problème des gaz à effet de serre. Connaissant votre formation de scientifique, le comité directeur de lassociation vous demande destimer le bilan carbone dune nouvelle centrale électrique thermique à flamme du type « Cycle Combiné Gaz » construite par les sociétés EDF et Général Electric.
Lobjectif de lexercice est de comparer, à laide des documents ci-après, votre résultat à celui fourni par le constructeur.
VOTRE PORTE DOCUMENTS (4 documents)
Doc. 1 : Présentation de la centrale de Bouchain
Le document est un extrait du dossier de presse de la future centrale électrique de Bouchain.
........................
Doc. 2 : Les centrales thermiques à flamme
Doc : Note energie thermique 2013.pdf/EDF
Doc. 3 : Article (extrait) : gaz naturel
Le pouvoir calorifique (ou énergie de combustion) d'un combustible est la quantité de chaleur exprimée en kWh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) mètre cube normal (m³(n)) de gaz sec dans l'air à une pression absolue constante et égale à 1,01325 bar, le gaz et l'air étant à une température initiale de 0 °C (zéro degré Celsius), tous les produits de combustion étant ramenés à 0 °C et une pression de 1,01325 bar.
Le pouvoir calorifique du gaz naturel s'exprime en MJ ou kWh par mètre cube normal.
On distingue deux pouvoirs calorifiques : le pouvoir calorifique supérieur PCS et le pouvoir calorifique inférieur.
PCS = PCI + Chaleur latente de condensation (ou de vaporisation) de l'eau
PCS = pouvoir calorifique supérieur
C'est la quantité de chaleur exprimée en kWh ou MJ, qui serait dégagée par la combustion complète de un (1) mètre cube normal de gaz. La vapeur d'eau formée pendant la combustion étant ramenée à l'état liquide et les autres produits de combustion étant à l'état gazeux.
PCI = pouvoir calorifique inférieur
Il se calcule en déduisant du PCS la chaleur de vaporisation (2 511 kJ/kg) de l'eau formée au cours de la combustion et éventuellement de l'eau contenue dans le combustible.
Chaleur latente de vaporisation
La combustion d'un hydrocarbure génère, entre autres, de l'eau à l'état de vapeur. Pour la vaporisation de 1 kg d'eau, 2 511 kJ de chaleur sont nécessaires. ....
La récupération de chaleur de condensation [changement détat inverse de la vaporisation] est particulièrement judicieuse pour le gaz naturel, qui contient (à plus de 90 %) principalement du méthane, CH4, gaz qui a la plus grande proportion d'atomes dhydrogène par molécule (4 H pour un C). Cet hydrogène se combine avec l'oxygène au cours de la combustion pour produire de la chaleur et de l'eau, immédiatement vaporisée et mélangée avec les autres produits de combustion (essentiellement du CO2)......
Rapport PCI/PCS pour le gaz naturel : environ 0,9028
Pour le gaz naturel, on distingue :
les gaz « type B » (ou « type L »)
Ils sont distribués dans le Nord de la France. Ils ont un pouvoir calorifique supérieur compris entre 9,5 et 10,5 kWh/m³(n). C'est essentiellement le cas du gaz de Groningue (en provenance des Pays-Bas). Ce gaz se distingue par sa teneur élevée en azote.
les gaz « type H »
Ils sont distribués sur le reste du territoire français. Ils ont un pouvoir calorifique supérieur compris entre 10,7 et 12,8 kWh/m³(n).
HYPERLINK "http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Gaz_naturel&oldid=101693717#Pouvoir_calorifique" http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Gaz_naturel&oldid=101693717#Pouvoir_calorifique
Doc. 4 : Emissions de CO2 par filière.
HYPERLINK "http://www.lenergieenquestions.fr/production-delectricite-et-emissions-de-co2-en-france-infographie" www.lenergieenquestions.fr/production-delectricite-et-emissions-de-co2-en-france-infographie
RESOLUTION DE PROBLEME
Question(s) préalable(s) :
Retrouver le rendement de la nouvelle centrale.
Le rendement de la centrale étant mesuré par rapport au PCI, déterminer le PCI du combustible utilisé dans cette centrale.
Ecrire léquation chimique équilibrée de la combustion du méthane.
Problème :
A laide des documents ci-dessus, estimer lémission de CO2 de la nouvelle centrale électrique de Bouchain, comparer votre résultat aux données du constructeur et commenter lécart obtenu.
Données :
Un mètre cube normal {1 m 3(n)} contient 44,6 mol de gaz.
Masses molaires atomiques (en g.mol-1) : H = 1 ; C = 12 ; O = 16
Remarque :
Lanalyse des données, la démarche suivie et lanalyse critique du résultat sont évaluées et nécessitent dêtre correctement présentées.
REPÈRES POUR LÉVALUATION
Correction possible :
Question préalables :
Le rendement de la centrale est de 61 % (doc. 1).
Le rapport PCI/PCS vaut environ 0,90 daprès le doc. 3.
La centrale est située dans le Nord (doc. 1) ; on peut donc estimer quelle sera alimentée par du gaz de type B, de pouvoir calorifique supérieur (PCS) moyen égal à 10 kWh/m3(n) (doc. 3).
Ainsi, le PCI du gaz naturel utilisé est de 9 kWh/m3(n).
Equation de combustion du méthane : CH4 + 2 O2 ( CO2 + 2 H2O
Résolution :
La centrale étudiée (de type CCG doc. 1) brûle du gaz naturel (GN). La chaleur dégagée par la combustion sert à chauffer de leau, qui, transformée en vapeur, entraine une turbine liée à un alternateur (doc. 2).
Le gaz naturel contient principalement du méthane (doc 3). On raisonnera comme si cétait du méthane pur.
En assimilant le GN au méthane, calculons lénergie de combustion E1 par mol de méthane :
Dans 1 m3(n), il y a 44,6 mol de méthane, soit :
E1 = 9 / 44,6 = 0,202 kWh/mol.
La centrale ayant un rendement de 61 %, on en déduit que lénergie électrique E2 obtenue par la combustion dune mol de méthane sera :
E2 = 0,61 x 0,202 = 0,123 kWh/mol méthane
Daprès léquation de la réaction de combustion, une mole de méthane produit une mole de CO2 gazeux.
Calcul des masses molaires : M(CH4) = 16 g.mol-1 et M(CO2) = 44 g.mol-1.
Le résultat précédent indique donc que la combustion de 16 g de méthane (1 mol) produit 44 g de dioxyde de carbone et 0,123 kWh délectricité.
La masse m de CO2 produite par kWh délectricité est donc donnée par :
m = M(CO2)/E2 = 44 / 0,123 = 358 g CO2/kWh, soit un résultat de 360 g CO2/kWh.
Lémission de CO2 par ces centrales est de 365 g ; cest la masse de CO2 par kWh électrique produit (doc. 4).
On trouve un résultat qui coïncide avec la donnée du doc. 4 (365 g). Lécart relatif est de moins de 2 %.
Barème :
Compétences évaluéesCritère de réussite correspondant au niveau AABCDSapproprier
Extraire des informations.
Mobiliser ses connaissances.
Identifier des grandeurs physiques pertinentes.Retrouver que la centrale émet environ 365 g de CO2 par kWh délectricité produite (doc. 4).Retrouver le PCS (gaz naturel distribué dans le nord daprès le doc. 3), puis le PCI avec le rapport PCI/PCS fourni dans le doc. 3 (0,90).Retrouver le rendement de la transformation énergétique (61 % daprès le doc. 1)Analyser
Organiser et exploiter ses connaissances ou les informations extraites.
Construire les étapes d'une résolution de problème.Assimiler le GN au méthane.Déterminer lénergie de combustion par mol de méthane ou par m3 normal.Déterminer lénergie électrique libérée par la combustion dune mole de méthane (ou dun m3 normal) en utilisant le rendement.Exprimer la relation entre la quantité de matière de méthane consommé et la quantité de CO2 produit.Déterminer la masse de CO2 libérée par kWh électrique produit.Réaliser
Effectuer des calculs littéraux ou numériques.
Mener la démarche afin de répondre au problème posé. Ecrire léquation chimique équilibrée de léquation de la réaction. Mener des calculs techniquement justes indépendamment derreurs résultant dune mauvaise analyse. Maîtriser correctement les unités.Valider
Faire preuve desprit critique.
Discuter de la pertinence du résultat trouvé.Calculer l'écart relatif entre la valeur trouvée par le calcul et le résultat figurant dans le document 4.Commenter le résultat.Communiquer
Rédiger une réponse.Décrire clairement la démarche suivie et montrer ainsi de manière structurée les étapes de la résolution.
Niveau A : les indicateurs choisis apparaissent dans leur (quasi)totalité
Niveau B : les indicateurs choisis apparaissent partiellement
Niveau C : les indicateurs choisis apparaissent de manière insuffisante
Niveau D : les indicateurs choisis ne sont pas présents
Obtention « automatisée » de la note :
On utilisera la feuille de notation au format tableur qui permettra dobtenir une note (soit arrondie à lentier le plus proche soit au demi-entier) à partir du tableau de compétences complété.
La feuille de calcul ci-après présente une notation sur 10 points. La modification du contenu de la cellule H1 (nombre total de points) pourra permettre dajuster le total à nimporte quelle autre valeur.
Evaluation d'une activité évaluée par compétences notée sur :10points Nom Prénom CompétenceCoefficient Niveau validé ABCDNotes par domaines NiveauNoteS'approprier2X 3 A3Analyser4X 3 B2Réaliser2X 3 C1Valider1X 3 D0Communiquer1X 3 Somme coeff.10 CommentaireNote max 30 Note brute 30Note sur2020,0Note sur1010,0Note arrondie au point 10,0Note arrondie au 1/2 point 10,0
Académie dOrléans-Tours La résolution de problèmes scientifiques en 1ère S PAGE \* MERGEFORMAT1