DOSSIER STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILES

rere11STI2DSTI2D Stockage de l’énergie électrique : les pilesDOSSIERDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILES2STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE :LES PILESCristina Da CruzObjectifComprendre la notion d’oxydant et de réducteurdans une pile et application concrète des piles.Étude expérimentale de la pile Daniell.1re STI2DThème Matière et matériaux.Partie Transferts d’électrons lors d’une transformationchimique.CapacitésAnalyser le fonctionnement d’une pile en termesde transfert d’électrons et de réaction d’oxydo-réduction.Étudier le fonctionnement d’une pile.Activité expérimentaleCompétences mobiliséesFonctionnement de la pile électrique.Restitution de connaissances RCOS’approprier APPAnalyser / Raisonner ANA/RAIRéaliser REAValider VALCommuniquer COM NathanLes enjeux du stockage de l’énergie Franck Peters1

1re STI2DDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILESPartie A : La pile à combustibleAu cours des trente dernières années, les développementstechnologiques autour de la pile à combustible se sont amplifiés. L’intérêt premier de ce type de pile est sa déclinaison possible suivant l’utilisation recherchée. Son fonctionnement estici expliqué ainsi que certaines applications industrielles qui ensont déjà faites.Pile à combustible pour automobile électrique. - R. NicolasDocument 1 : Stockage par production d’hydrogèneL’électricité produite en excès peut être utilisée pour produire du gaz hydrogène àpartir d’eau. Ceci se fait au moyen d’un électrolyseur qui décompose l’eau en hydrogène plus oxygène. L’hydrogène (qui lui est un objet) est stocké dans des réservoirsou dans les conteneurs qui en permettent le transport. Pour l’utiliser, on peut l’introduire comme combustible dans des brûleurs (comme on le fait pour du gaz de ville).Cette solution est déjà pratiquée aussi bien pour le gaz d’éclairage que pour certaines voitures ; on peut aussi l’utiliser pour alimenter des « piles à combustible » quiproduisent du courant électrique à partir d’hydrogène et d’oxygène gazeux.D’après Le transport ou le stockage de riqueDocument 2 : La roue �ne-la-roue-libre1A PPPar quel moyen peut-on stocker le surplus d’électricité d’après leDocument 1 ?. Nathan22 COM Après avoir vu la vidéo du Document 2, rechercher des informations sur levélo à hydrogène et sa commercialisation. Résumer les données recueilliesen quelques lignes.

1re STI2DDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILESÉNERGIE ET CLIMATDocument 3 : Schéma de principe d’une pile électriqueFigure 1Une pile électrique, c’estSchémaune deboîteprincipe (oud’unepileélectrique.une cellule) qui comprend deux compartiments dans lesquels se déroulent desréactions chimiques et que l’on relie, àl’extérieur de la cellule par un fil conducteur (un fil métallique) du courant.Dans le premier compartiment sedéroule la réaction « Réducteur donneOxydant électron » qui libère un électron dans le milieu réactif. On va s’arran- Les électronsLes électronssortentger pour que cet électron soit accueilli entrent dansl’anodedel’anodepar un fil conducteur du courant électrique. Ceci se fait par l’intermédiaired’une électrode – dans ce cas une électrode négative – qu’on appelle anode.En revanche, dans l’autre compartiment, la réaction chimique « consomme » unélectron au lieu d’en libérer un. Elle se résume par « Oxydant électron donneRéducteur ». L’électron, à l’inverse du premier compartiment, provient d’un filconducteur du courant. Ceci se fait par l’intermédiaire d’une électrode positivequ’on appelle la cathode.Les deux électrodes sont reliées par un fil conducteur du courant qui passe à l’exle premierse déroule la réactiontérieur de la boîte. L’électron, fourni àDansl’anodedanscompartimentle premier compartiment,cir-« Ion RéducteurOxydantla celluleélectronet»entrerqui libèreélectron dans le milieucule jusqu’au deuxième compartimentdonnepour Ionregagneren unréactionréactif. On va s’arranger pour que cet électron soit accueilli par unchimique par la cathode. Il s’agit donc biendu passage d’un courant électrique profil conducteur du courant électrique. Ceci se fait par l’intermédiairevoqué par les deux réactions chimiquesqui électrodese passentdanscellule.d’une– danscelacasune électrode négative qu’on appelleLes réactions chimiques internes à laanode.cellule, alimentent ainsi le circuit extérieuren électricité pour l’appareil de consommationcourant, résuméici parune au contraire,Dans l’autre ducompartiment,la �enlibérerun.Elle se résume parampoule électrique – qu’on peut allumer grâce à la pile.« Ion Oxydant électron donne Ion Réducteur ». L’électron – c’estD’après Le transport ou le stockage de l’énergie.l’inverse du premier compartiment - provient d’un fil conducteur rt-ou-le-stockage-de-l’énergiecourant. Ceci se fait par l’intermédiaire d’une électrode positive qu’onélectriqueappelle la cathode.643A PPÀ partir du Document 3, donner une définition de la réaction se produisantà l’anode, l’oxydation, et de celle à la cathode, la réduction.Faire de même pour un réducteur et un oxydant. Nathan4 APP Une réaction d’oxydo-réduction est une réaction combinantune oxydation à une électrode et une réduction à l’autre. Nommer le typede particules échangées lors d’une réaction d’oxydo-réduction.3

1re STI2DDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILES5( ANA/RAI) Le schéma du Document 4 est incomplet.Indiquer la cathode, l’anode et le sens de circulation des électronsdans le fil électrique du courant extérieur.Document 4 : Schéma de principe d’une pile à hydrogèneD’après Le transport ou le stockage de rique6R CO, RAINommer les réactifs consommés à chacune des électrodes.Indiquer s’il s’agit d’un oxydant ou d’un réducteur.Pour allerplus loinQuiz sur les éléments chimiques dans les piles et les batteries à es7 ANA/RAI L’équation-bilan d’une réaction d’oxydoréduction est la combinaisonlinéaire des deux demi-équations électroniques afin d’éliminer les électronsde cette équation-bilan.a) É crire l'équation-bilan correspondant à la réaction se produisantdans la pile à combustible du Document 4. Nathan.4b) Que peut-on dire du produit de réaction ?.

Chimie et transpor1re STI2DDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILESL’hydrogène est une molécule soit pour être gazéifiée etchimique, il faut la produire, produire un syn gaz riche enhydrogène;la stocker, la estdistribueret la d’unR AI, VAL Un couple oxydant/réducteurconstituéoxydantet d’unconvertir(Figure22)enélec l’hydrogènepeut desêtreréducteur liés par une demi-équation électronique.Dans l’écrituretricité.fabriqué à partir d’électricitécouples oxydant/réducteur, l’oxydant est cité en premier. Écrire les deuxL’hydrogène est l’un des (éolien, photovoltaïque et cencouples oxydant/réducteurmis en jeu dans cette pile à combustible.atomes les plus abondants de trales thermiques, nucléaire) ;l’univers, mais on le trouve le procédé de fabrication.très peu isolé d’autres élé- d’hydrogène à partir de gaz.ments sous la forme de dihy- naturel peut être complété pardrogène (H2), qui est la molé- des moyens de captage et deDocument 5 : Un train à hydrogènecule que l’on utilise pour faire séquestration du CO2.de l’électricité dans une pile Produire de l’hydrogène n’estCela fait déjà presque six moisà quedeux àmolépas difficile: ea aujourd’huiunsont exploités commercialement en Allemagne sur la ligneCuxhaven- Buxtehudesynthétisable. La production chiffre d’affaires de l’ordrede 100 km. [.] Le train peut emportervitesses comprises entreà partir du300gazpassagersnaturel està desde 1,5 milliards d’euros delavoielaplustraditionnelle80 et 140 km/h avec une autonomie d’environ 800 km. [.].Un pleind’environpour200 kgproductiond’hydrogènequi permet de concentrer en le raffinage essentiellement.d’hydrogène lui donne une autonomied’environun seul endroitl’émission800de km ce qui est suffisant pourUne fois la molécule produite,Mais un certainnombrefaire plusieurs allers et retoursCOet2.desservir5 garespar joursur le trajet.il faut la stocker, et deux opFigure 22d’autres solutions permettenttionsiLint,sont possibles: à l’étatVive: le Coradiamars 2019.de produireD’aprèsl’hydrogèneLe cycle de production d’électricitéliquide ou gazeux. L’état lià partir de l’hydrogène. dia-ilint la biomasse, peut être utili- quide est un peu compliquéSource : Air Liquidesée soit pour produire du bio- à gérer car il faut se placer(sauf centrale thermique,méthane qui peut être réformé à des températures extrêréservoir et véhicule électriqueà hydrogène)en H2 comme le gaz naturel, mement basses. Le stockage8Document 6 : Le cycle de production d’électricité à partir de l’hydrogène252D’après Le stockage de l’énergie dans le monde des lt/files/transports p229 2.pdf Nathan95R EAÀ partir des Documents 5 et 6, faire une synthèse sur le dihydrogène,de sa production jusqu’à son utilisation en donnant des exemples précis.

1re STI2DDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILESPartie B : Étude de la pile DaniellActivité expérimentaleAu moment où le télégraphe se développait et nécessitait un besoinde sources de courant constantes, le chimiste britannique John Frederic Daniell inventa la pile électrique qui porte son nom. Cetteactivité expérimentale a pour but d’en étudier son fonctionnement.John Frederic Daniell - Wikimedia.orgMatériel et solutions à disposition Verrerie : béchers de 50, 100, 150 mL éprouvettes graduées de 25,0, 50,0 mL Solutions aqueuses de : sulfate de cuivre II (Cu2 (aq) SO42-(aq)) à 0,10 mol.L-1 sulfate de zinc (Zn2 (aq) SO42-(aq)) à 0,10 mol.L-1 Plaques métalliques : cuivre zincPont salin, pinces crocodiles, conducteur ohmique de 10 Ω, fils, multimètre.I. Expérience préalableConsidérons les couples oxydant/réducteur Zn2 (aq) / Zn(s) et Cu2 (aq) /Cu(s).Réaliser l’expérience schématisée ci-dessous.Schéma de l’expérience à réaliserLame de zincLame de cuivre40 mL de solution aqueuse de sulfate de cuivre 40 mL de solution aqueuse de sulfate de zinc Nathan1. REA Décrire ce que vous observez.6.

1re STI2DDOSSIER 2 STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE : LES PILES2. APP, RAI Écrire les demi-équations électroniques qui traduisent les réactions qui ont lieudans cette transformation chimique en précisant leur nom.3. RAI Nommer le métal qui cède les électrons et l’espèce chimique qui les reçoit.II. Pile DaniellUne pile est constituée à partir de deux demi-piles qui sont reliées par un pont salin.Une demi- pile est constituée d’une plaque métallique servant d’électrode plongeantdans une solution d’ion métallique correspondant. Le pont salin est un conducteurionique constitué de chlorure de potassium (K (aq) Cl-(aq)) qui permet aux anionsde migrer vers le métal oxydé et aux cations de migrer vers le compartiment oùdes ions positifs ont été consommés pour assurer l’électroneutralité de la solution.Ce pont salin constitue donc la continuité du flux de charges électriques à l’intérieurde la pile.4. APP, REA Proposer un protocole expérimental permettant de réaliser la pile électriqueDaniell. Après validation du professeur le réaliser.5. REA Faire le schéma électrique du montage qui sera par la suite complété.Relier les deux électrodes aux bornes du voltmètre afin de mesurer la tension délivrée.6. ANA Que constatez-vous ?. Nathan7. ANA, REA Refaire l’expérience sans pont salin et noter les observations faites.7.