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M.
SOLAIRE, en parcourant le dossier de presse de l’INES, s’est arrêté sur
la Toyota Prius Plug-in hybride. Toujours aussi curieux M. SOLAIRE va
vous demander quelques éclaircissements.
Présenter à M. SOLAIRE, sous la forme d’un tableau, en précisant les avantages et les inconvénients
(lorsqu’ils sont mentionnés), une synthèse sur les accumulateurs au
plomb, au Nickel-Cadmium (NiCd) et au nickel métal hydrure (NiMH).
Accumulateur
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Plomb
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NiCd
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NiMH
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Avantages
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peu couteux et robuste
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fiabilité
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Energie massique :
80 Wh /kg.
Peu polluant
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Inconvénients
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Poids, électrolyte corrosif
Energie massique : 30 Wh /kg
Pb : métal polluant
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Energie massique : 50 Wh /kg
Electrolyte corrosif, la potasse.
Cd : métal polluant
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Sur les premières Toyota Hybride Prius, on trouve un accumulateur « Nickel-métal hydrure (NiMH) ».
Les demi-équations des réactions aux électrodes lors de la décharge sont les suivantes :
Ni(OH)2(s) + OH-(aq) = NiOOH(s) + H2O(l) + e- (1)
M(s) + H2O(l) + e- = MH(s) + OH-(aq) (2)
Bilan du fonctionnement de l’accumulateur lors de sa décharge :
Ni(OH)2(s) + M(s) --> NiOOH(s) + MH(s).
Dans cet accumulateur le métal M est un oxydant.
Que signifie ce terme ? Préciser le couple oxydant/réducteur auquel il appartient.
Un oxydant est une espèce susceptible de gagner un ou plusieurs électrons.
Couple oxydant/réducteur : M(s) / MH(s).
Le métal subit-il une oxydation ou une réduction lors de la décharge ?
Un oxydant subit une réduction.
Quelle est la nature du pôle constitué par le métal : positif ou négatif ? Justifier.
Le métal oxydant se réduit en gagnant des électrons : il constitue la borne positive de l'accumulateur.
A l’aide de la demi-équation (1), calculer la quantité maximale d’électrons ne- (en mol) pouvant circuler dans le circuit sachant que l’accumulateur contient 23 g d’hydroxyde de Nickel Ni(OH)2.
Données : masses atomiques molaires en g/mol : M(Ni) = 58,7 ; M(O) = 16,0 ; M(H) = 1,00.
M(Ni(OH)2) =58,7+2*17 =92,7 g/mol.
n(Ni(OH)2) =23 /92,7 =0,248 mol.
ne- =n(Ni(OH)2) =0,24811 ~0,248 mol.
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La capacité d’un accumulateur est la quantité maximale d’électricité en coulomb qu’il peut débiter.
Montrer qu’elle est voisine de 6,7 A.h.
Rappel : la capacité Q se calcule à l’aide de relation Q = ne- x F, ne- : quantité d’électrons (en mol) qui circule dans le circuit. F : Faraday :
1 F = 96320 C.mol-1 1 A.h = 3600 C
Q =0,24811 *96320 / 3600 =6,64 Ah.
Écrire l’équation de la réaction qui a lieu lors de la charge de l’accumulateur.
Réaction inverse de la décharge : NiOOH(s) + MH(s) --> Ni(OH)2(s) + M(s).
La
Toyota Prius Plug-in est, quant à elle, équipée d'un accumulateur
lithium-ion d’énergie E = 4,40 kW.h et de tension U = 207 V. Le temps
de recharge complète via une prise de courant classique est Dt = 90 minutes.
M. SOLAIRE se demande si une « prise 16 A » (supportant un courant
d’intensité maximale 16 A) suffit ou s’il faut absolument une « prise
32 A » (utilisée par exemple pour le four d’une cuisine).
Calculer l’intensité du courant de charge et répondre à son interrogation.
E = U I Dt ; I =E / (UDt) ; Dt = 1,5 heures ; E = 4400 Wh. I = 4400/(207*1,5) =14,2 A. La prise "16 A" convient.
Indiquer
un critère possible retenu par Toyota pour justifier l’équipement de
ses futures Prius d’accumulateurs lithium-ionplutôt que des
accumulateurs Nickel-métal hydrure (NiMH).
L'énergie volumique et le nombre de recharges des accumulateurs Li-ion sont bien supérieurs comparés aux accumulateurs NiMH.
Pour éveiller la curiosité de M. SOLAIRE vous lui présentez deux
projets innovants mis en avant dans une revue de vulgarisation
scientifique :
- la recharge des batteries de voiture par induction électromagnétique ;
- le stockage de l’énergie photovoltaïque à l’aide de piles à combustible.
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La recharge des batteries par induction :
Lorsqu’un courant variable circule dans la bobine du sol, un champ
magnétique variable est créé dans la bobine de la voiture et induit un
courant électrique variable qui, après transformation en courant
continu, va recharger la batterie.
Citer deux exemples de champ magnétique (autres que celui créé par une bobine parcourue par un courant électrique).
Champ magnétique créé par un aimant permanent ; champ magnétique terrestre.
Analyser
les mesures du champ magnétique réalisées au centre de la bobine (la
bobine est assez longue par rapport à son diamètre) et choisir parmi
les relations proposées ci-dessous, en justifiant la réponse, une
relation compatible avec les mesures : B = kI/(NL) ; B = kN/(IL) ; B = kNI/L, k est une constante appelée perméabilité magnétique du vide.
N ( nombre de spires )
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200
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400
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600
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200
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200
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L ( longueur bobine (cm))
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40
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40
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40
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40
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80
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I( intensité (A))
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3
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3
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3
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6
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3
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B ( au centre de la bobine (mT))
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1,9
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3,8
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5,7
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3,8
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0,95
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B est proportionnel au nombre de spires et à l'intensité du courant ; B est inversement proportionnel à la longueur L : B = kNI/L.
La constante k vaut 4.p.10-7 dans le système international d’unités ; ce résultat est-il en accord avec les résultats des expériences ? A l’aide d’une analyse dimensionnelle, déterminer l’unité de k.
k = BL / (NI) ; B s'exprime en tesla, L en mètre et I en ampère ; k s'exprime en T m A-1.
La pile à combustible pour stocker l’énergie :
Il serait tout à fait envisageable, comme le propose l’université de
Corse dans le projet « MYRTE » (Mission hydrogène renouvelable pour
l'intégration au réseau électrique), de coupler les panneaux
photovoltaïques à une production de dihydrogène et de dioxygène. Le
principe est le suivant :
- on réalise l’électrolyse de l’eau à l’aide de panneaux photovoltaïques : le dihydrogène et le dioxygène sont alors produits ;
- on utilise ces deux gaz dans une pile à combustible pour produire de l’électricité.
Sur le plan du projet MYRTE, l’accès pompier est particulièrement important. Quel risque présente le site ?
Le mélange dihydrogène-air est explosif pratiquement en toutes proportions.
Le document suivant présente la production d’électricité photovoltaïque au cours d’un même mois.
Quel inconvénient majeur du photovoltaïque mettent en évidence les deux graphiques ?
La production d'électricité est très irrégulière d'un jour à l'autre dépendant de l'ensoleillement. Elle est nulle la nuit.
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