Le document présente une étude sur la manière de stocker l'énergie solaire excédentaire captée par des panneaux solaires en été pour pouvoir l'utiliser en hiver, en utilisant l'acétate de sodium comme méthode de stockage thermique. L'expérience démontre que la solidification de l'acétate de sodium libère de l'énergie qui peut être utilisée pour chauffer de l'eau, mais souligne également que la quantité d'énergie nécessaire pour chauffer une maison de 100m2 durant l'hiver serait énorme, nécessitant 45 tonnes d'acétate pour une seule saison de chauffage. Des alternatives et d'autres méthodes pour un stockage d'énergie durable sont également explorées.

1. Soleil en
stock !
Images SDO
Professeur Philippe JEANJACQUOT Elèves Rudy BRACHET
Théophile DUCATEZ
Clément GUYOT
Mustapha OZCAN

2. Soleil en stock
Nous avons remarqué que les panneaux solaires thermiques sont bien
dimensionnés pour chauffer l’eau sanitaire de manière autonome au printemps
et en automne. En été, une quantité non négligeable d’énergie captée (non
stockée) est inutilisée et donc gaspillée. Nous nous sommes donc demandés
comment stocker cette énergie gaspillée en été et pouvoir la réutiliser, par
exemple, en hiver.
Afin d’y arriver une expérience spectaculaire peut être utilisée .Une réaction
exo thermique: «La solidification de l’acétate de sodium»
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3. I-informations sur l’acétate de sodium
330 kJ/kg c’est le rapport d’énergie libérée par la solidification sur la masse
(nous l’avons déterminé expérimentalement)
La température de fusion de l’acétate de sodium est de 54°C.
L’acétate de sodium a la propriété de rester liquide même en dessous de 54°C,
c’est un état métastable. Dans cet état l’acétate de sodium peut redevenir
solide, si on le met en contact avec des cristaux d’acétate de sodium solide. Les
photos ci-dessous sont espacées de 2 secondes. Le tube à essais contient de
l’acétate de sodium liquide à 20°C, on y introduit un cristal d’acétate de sodium,
l’ensemble se cristallise en libérant de l’énergie.
Pour que l’acétate redevienne liquide, il faut le chauffer de nouveau. Il peut
ainsi stocker à nouveau de l’énergie.
Une autre méthode pour le solidifier lorsqu’il est à l’état métastable est
d’exercer une forte pression, c’est ce qui est fait dans les chaufferettes. (voir le
paragraphe sur les chaufferettes chimiques)
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4. I/PROBLEMATIQUE
Notre choix portait sur le développement durable :
Comment utiliser l’énergie solaire produite en excès en été ?
II/POURQUOI ?
On constate qu’il y a un surplus d’énergie en été (capté par les panneaux
solaires ) qui n’est pas conservé et donc gaspillé.
Nous avons voulu chercher comment conserver cette énergie
III/QUANTITE D’ENERGIE PRODUITE PAR DES PANNEAUX SOLAIRES
Les panneaux solaires sont situés à Lyon avec un angle de 40° et une
exposition plein Sud. Le gisement solaire (qui se mesure en kWh/m²/an) est
de environ 1400 kWh/m²/an à Lyon.
Gisement solaire en France selon les régions (Source ADEME)
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5. Production d’énergie d’un panneau solaire situé à Lyon avec un angle de 40°
(source INES)
La différence de production entre le mois de juillet et le mois de janvier est
de 166 kWh/m².
On peut en déduire qu’il y a un surplus d’énergie par rapport à la
consommation en été alors qu’il y a une forte consommation et une faible
production en hiver.
IV/CHOIX 1 : UTILISER DES CHAUFFERETTES CHIMIQUES.
1/qu’est ce qu’une chaufferette ?
a)Constitution.
Une chaufferette est une « poche » hermétique contenant de l’éthanoate de
sodium. Celle-ci n’est pas en contact avec l’air.
Chaufferette
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6. b) l’état métastable.
Cet état est liquide mais par apport à son environnement il ne devrait pas l’être.
L’acétate de sodium à température ambiante (20°C) est normalement solide. En
le chauffant au dessus de 54°C (celui-ci devient liquide et le reste en se
refroidissant en dessous de 54°C. Il ne redevient solide que s’il entre en contact
avec de l’éthanoate de sodium solide , avec une pression importante ou avec
une température très basse(-120°C).Ce changement d’état rend donc de
l’énergie c'est-à-dire il « produit » de la chaleur.
c)le fonctionnement de la chaufferette.
La chaufferette contient de l’acétate de sodium et une pastille. Lorsque
l’acétate est liquide on fait claquer la pastille qui exerce une pression entrainant
le changement d’état. Résultat l’acétate devient solide et produit une chaleur
correspondant à la solidification. La température de l’acétate passe alors à 54°C
(durant 15 min).
Chaufferette
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7. 2/ Expérience 1 : Mesure de la chaleur libérée par la chaufferette
a)l’étalonnage du calorimètre
Nous avons étalonné le calorimètre : Pour cela nous avons mis dans un premier
temps 200mL d’eau dans le calorimètre, nous avons attendu que la
température se stabilise, elle était de 20°C. Dans un deuxième temps nous
avons mis 200mL d’eau chaude à 55°C.
eau chaude 55°C 200mL La température finale n’est pas égale à
35°C car le calorimètre récupère une
eau froide à 20°C 200mL partie de la chaleur de l’eau.
La chaleur donnée par l’eau chaude est reçue par l’eau froide et le calorimètre.
Ce qui se traduit par le calcul suivant.
MefC (θ final – θ initial f)+k( θ final - θ initial f ) + MecC (θ final - θ initial c)= 0 ;
Dans ce cas, tout est connu sauf k
K= MefC (θ final – θ initial f) + MecC (θ final - θ initial c)/(θif-θf)
. . . . . .
Soit = . .
Et on obtient : k=8,0.102 J.K-1, c'est-à-dire que le calorimètre récupère ou donne cette énergie
lorsque sa température augmente ou diminue de 1°C
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8. Calorimètre utilisé pour nos expériences
b)Mesure de la chaleur libérée par l’éthanoate de sodium.
En utilisant le même montage expérimental, nous introduisons v=500mL d’eau
à l’eau et une chaufferette dans le calorimètre. On laisse la température
s’équilibrer, on la mesure : θi=21.7°C
On déclenche la solidification de l’éthanoate de sodium grâce à la pastille
métallique. On observe l’évolution de la température et on note la température
finale
θf=27.1°C
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9. Bilan Energétique :
Chaleur reçue par le calorimètre+chaleur reçue par l’eau+chaleur donnée par la
solidification de l’éthanoate d’éthyle=0
Ce qui donne : MefC (θ final – θ initial f)+k( θ final - θ initial f ) + Mc.Lf= 0 ;
– − −
On exprime Lf en fonction du reste : =
, . , − , − , − ,
On remplace : = soit Lf=-330kJ/Kg
.
(le signe – signifie que la chaleur est donnée par l’éthanoate de sodium)
27,7
26,7
25,7
24,7 degré (celsius)
Degré (Celsius)
23,7
22,7
21,7
0 100 200 300 400 500 600
Variation de la température en fonction du temps dans un calorimètre
c)Question : Est-ce que la chaleur libérée va changer en fonction de la
température de l’eau ?
Pour 500mL : température initiale 4.8°C Tmax 9.0°C ΔT=4.2°C
18.9°C 21.6°C ΔT=2.7°C
CmΔt (=capacité thermique ( en joules /kg/°C) * la masse( en kg)*la variation de
la température).
Dans le premier cas : 4180*0.5*4.2=8000 J
Dans le deuxième cas : =4000J
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10. Nous constatons que la chaleur fournie par la chaufferette à l’eau environnant
dépend de la température de l’eau à chauffer. Ce qui est contradictoire avec le
fait que la chaufferette stocke toujours la même quantité d’énergie, et que
cette quantité correspond à la chaleur de changement d’état libérée lors de la
solidification de l’éthanoate d’éthyle.
Une des hypothèses que nous voulons tester et de ne pas négliger la chaleur
consommée par l’éthanoate d’éthyle lorsqu’il passe de la température de l’eau
à chauffer à sa température de solidification.
3/ dosage de l’ion acétate dans une chaufferette
Nous nous sommes demandés si l’acétate de sodium était pur dans une
chaufferette, pour pouvoir vérifier nous avons réalisé cette expérience :
Nous avons dosé la concentration de l’ion éthanoate CH3COO- avec l’ion
oxonium H30+, pendant le dosage nous avons mesuré le pH. Nous avons pris :
CH3COO- à 8,1 g/L et la concentration en [H30+] à 10-1 mol/L. Le montage du
dosage est :
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11. Solution titrante :
ion oxonium
Agitateur
magnétique
Solution titrée :ion
acétate pHmètre
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12. La courbe du pH en fonction du volume est :
Pour déterminer le volume équivalent nous avons calculé la dérivée du pH en
fonction du volume d’acide ajouté, dpH=DERIV(pH,Volume) on obtient cette
courbe :
Véq = 12,0 mL
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13. On lit sur la courbe volume équivalent = 12,0 mL. On peut donc trouver la
concentration d’ion éthanoate dans une chaufferette avec cette formule :
[H 3 O + ] .Véq = [CH3 COO- ].V
−
[ H 3 O + ].Véq
[CH 3COO ] =
V
1,0.10 −1 * 12,0.10 −3
[CH 3 COO − ] =
20.10 −3
[CH 3COO− ] = 6.10−2 mol.L−1 = 4.9 g/L
4 .9
P% = * 100
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P% = 61%
Le dernier calcul nous permet de connaître le pourcentage d’acétate de sodium
dans une chaufferette, on peut donc en déduire qu’il y a 61% d’acétate et 39%
d’autre chose principalement de l’eau.
4/Quel quantité d’énergie est nécessaire pour se chauffer en fonction des
saisons?
En hiver il faut environ 50kw.h/m² pour une maison de 100m² c'est-à-dire
150MJ. En été il faut il faut à peut près 7kw.h/m² donc 700kw/h.
5/Comparaison, 45 tonnes !!!
Il faut 50kw.h/m2 en hiver dans une maison de 100m2 ce qui équivaut à
5000kw/h soit 150MJ. On sait que la chaufferette produit 330kJ/kg (mesure)ce
qui fait donc 450kg/jours ou 45t pour l’hiver (100 jours).
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14. V/ CONCLUSION
Pour chauffer une maison de 100m² il faudrait 450kg d’acétate par jour.
Il faudrait donc 45 tonnes pour pouvoir chauffer la maison pendant 100 jours
ce qui est une quantité énorme pour une si petite durée de chauffage et il
faudrait donc un énorme endroit de stockage. Cette quantité pourrait être
stockée dans une piscine creusée de taille standard. Imaginez donc une
deuxième piscine creusée en dessus de chez vous pour vous chauffer ne serait-
ce que cent jours. Cette manière de se chauffer pourrait être utilisée comme
supplément de chauffage pendant l’hiver en utilisant par exemple des réservoirs
de quelques centaines de litre.
Le chauffage à l’acétate de sodium ne serait pas une alternative aux énergies
fossiles car il ne produit pas une quantité suffisante de chaleur. De plus ce n’est
pas une source d’énergie primaire, elle sert juste à stocker l’énergie solaire.
Nous étudions également d’autres pistes, comme par exemple utiliser un
moteur (type Stirling) pour produire de l’électricité à partir de l’eau chaude
estivale. Une autre piste serait de chauffer le sol, des cailloux, de la terre ou
d’utiliser la chaleur de dissolution (comme celle du chlorure de potassium) pour
stocker l’énergie. Ses pistes sont en cours de test, elles ont été filmées et seront
montrées dans le clip vidéo réalisé pour le concours C’Génial.
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15. Remerciements :
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