Le grand four solaire d'Odeillo : ce que demande l'exercice

Le deuxième exercice du Bac S 2017 Amérique du Sud est le plus long de l'épreuve : 9 points, soit environ une heure et demie de travail. Il part du grand four solaire d'Odeillo, dans les Pyrénées, où des héliostats renvoient la lumière du Soleil vers un immense miroir parabolique qui la concentre en un foyer. La première partie est énergétique : puissance au foyer, expérience de perçage d'une plaque d'acier, puis confrontation entre modèle et mesure. La seconde partie bascule vers la chimie, autour de la production de dihydrogène, par voie industrielle et par voie solaire.

Les passages clés, question par question

Partie 1 : puissance et transferts thermiques

Les héliostats, de surface totale 2835 m², reçoivent 720 W/m² et en réfléchissent 70 % : la puissance réfléchie vaut 1,43 × 10⁶ W. Le concentrateur réfléchit à son tour 70 % de cette puissance, d'où 1,00 × 10⁶ W au foyer. On rappelle ensuite P = E/Δt, puis on identifie la conversion d'énergie lumineuse en énergie thermique. Puisque la plaque est percée, l'acier a atteint au moins sa température de fusion, 1500 °C. Le calcul de la masse fondue (un cylindre de 40 cm de diamètre et 10 mm d'épaisseur) donne 9,0 kg. On en déduit l'énergie de chauffage de 20 °C à 1500 °C, 6,1 × 10⁶ J, puis l'énergie de fusion, 2,3 × 10⁶ J. Leur somme, divisée par la puissance au foyer, donne une durée théorique de 8,4 s, alors que l'expérience a duré 1 min 27 s, soit 87 s : environ dix fois plus. L'écart s'explique par les pertes par conduction dans le reste de la plaque, par convection avec l'air et par rayonnement, sans oublier la lumière réfléchie par la plaque.

Partie 2 : le dihydrogène

On écrit la formule brute de la MDEA, C₅H₁₃NO₂, puis on justifie que sa réaction avec H₂S est un transfert d'ion H⁺, avec les couples H₂S/HS⁻ et MDEAH⁺/MDEA. Le pH de 10,7 d'une solution à 0,10 mol/L, inférieur aux 13,0 qu'aurait une base forte, montre que la MDEA est une base faible. Viennent ensuite l'équation du vaporeformage, CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂, l'intérêt de la troisième étape (plus de dihydrogène, élimination du monoxyde de carbone), puis le bilan CH₄ + 2 H₂O → CO₂ + 4 H₂ : on obtient 5,5 kg de CO₂ pour 1,0 kg de dihydrogène. L'exercice se termine sur les cycles solaires, dont le bilan est la décomposition de l'eau, et sur leurs intérêts au regard de la chimie verte.

Les pièges à éviter

Ne prends pas la surface de la parabole à la place de celle des héliostats, et ne recalcule pas une puissance reçue par le concentrateur, qui n'est pas éclairé directement. Pour la masse d'acier, utilise le rayon et non le diamètre, et convertis tout en mètres. Pour la durée, n'oublie pas l'une des deux énergies : il faut chauffer puis fondre. En chimie, un catalyseur comme le nickel n'apparaît pas dans l'équation, et le calcul de la masse de CO₂ passe par les quantités de matière, jamais par une simple proportion de masses.

Conseils pour réussir

Cet exercice est long : avance avec régularité et garde trois chiffres significatifs pour les résultats intermédiaires attendus par la suite. Pour une comparaison entre théorie et expérience, donne un rapport chiffré plutôt qu'une phrase vague. Pour « fort ou faible », calcule le pH qu'aurait l'espèce si elle était forte et compare-le au pH mesuré. Enfin, pour les questions de chimie verte, appuie-toi sur des critères précis : source d'énergie, matières premières et rejets.