Résolution de problèmes scientifiques

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Thème : L’eau Sous-thème : Eau et ressources Mot clé : Hydrates de gaz Durée estimée : 2 h

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Molécule de méthane CH4 Molécule d’eau H2O Hydrates de gaz en feu Hydrate de gaz au fond de l’océan libérant du méthane

Énoncé La pénurie annoncée des ressources fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) a rendu nécessaire et impératif la recherche et le développement de nouvelles sources d’énergie. Dans ce contexte, les ressources énergétiques issues de la mer ont aussi leur place… À l’aide des documents suivants, apporter une réponse argumentée à la problématique suivante :

Quelle est la problématique ? Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique propre du futur ? Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la solution face à l’épuisement des ressources fossiles ?

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Énoncé de la problématique Version brute Problème Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique propre du futur ? Seraient la solution face à l’épuisement des ressources fossiles ? Justifiez dès que possible vos propos à l’aide de calculs. Exercez un regard critique sur vos calculs et votre argumentation. Remarque : L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique des résultats sont évaluées et nécessitent d’être correctement présentées. Données : Masses molaires : M(H) = 1 g.mol-1 ; M(C) = 12 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Énoncé de la problématique Version guidée Problème Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique propre du futur ? Seraient la solution face à l’épuisement des ressources fossiles ? Pour répondre à la problématique, déterminer l’état physique des mélanges d’eau et de méthane à la surface de la Terre (à la pression atmosphérique). Puis, calculer le nombre d’années de ressources présentes dans les hydrates de gaz au fond des océans dont dispose l’Homme. Écrire l’équation de combustion complète pour chacun des trois combustibles cités afin de comparer les masses de dioxyde de carbone rejeté par ceux-ci. Exercez un regard critique sur vos calculs et votre argumentation. Remarque : L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique des résultats sont évaluées et nécessitent d’être correctement présentées. Données : Masses molaires : M(H) = 1 g.mol-1 ; M(C) = 12 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1

Document 1 Qu’est-ce qu’un hydrate de gaz ?
Les hydrates de gaz sont des molécules de gaz, essentiellement du méthane CH4, entourées par un réseau de molécules d’eau disposées en cage. Ils ont l’apparence et la consistance de la glace. Les hydrates de gaz sont naturellement présents dans les fonds marins, plus précisément dans les sédiments à la marge des plateaux et sur les talus continentaux, ainsi que dans le pergélisol (couche du sol gelée en permanence) des régions polaires. Une importante quantité de matière organique qui se dépose sur les fonds océaniques est incorporée dans les sédiments. Sous l’action des bactéries anaérobies, ces matières organiques se transforment en méthane : un volume très important de méthane est ainsi produit. Une partie de ce méthane se combine aux molécules d’eau pour former l’hydrate de méthane, dans une fourchette bien définie de température et de pression. « Les hydrates de méthane constituent un fabuleux trésor énergétique, deux fois l’équivalent de méthane des réserves prouvées de charbon, pétrole et gaz réunis. En effet, 1 m3 d’hydrate de méthane peut piéger 164 m3 de méthane durant sa formation. Le service géologique américain (USGS) a récemment estimé à 20 millions de km3 le volume de méthane piégés dans les hydrates de méthane dans les fonds marins et les sols gelés arctiques. Les techniques d’extraction actuelles ne permettent pas une exploitation rentable et sécurisée des gisements. Une libération incontrôlée de méthane serait préjudiciable pour l’environnement car le pouvoir de gaz à effet de serre du méthane est 25 fois plus important que celui du dioxyde de carbone. » Extrait de « Les hydrates de gaz naturel » Ifremer S’informer La consommation mondiale de gaz naturel est considérée stable à 3 000 milliards de m3 par an.

Document 2 Domaine de stabilité des hydrates de gaz ?
Le diagramme suivant montre que l’état physique des mélanges d’eau et de méthane dépend de deux paramètres : la pression et la température. Données : Patm = 1, Pa 1MPa = 1,0.106 Pa. Hydrate de méthane en feu posé sur le sol, récupéré dans la zone III et remonté à la surface de la Terre dans ses conditions de stabilité.

Document 3 Énergies de combustion de sources fossiles ?
Le charbon, l’essence, le méthane sont des exemples de combustibles qui lors de réaction de combustion, produisent de l’énergie thermique. La réaction combustion s’obtient en faisant réagir un combustible et un comburant (dioxygène O2(g)). Lorsque la combustion d’un hydrocarbure est complète, les produits sont du dioxyde de carbone gazeux CO2 et de l’eau H2O (qui selon les conditions de pression et de température, pourra être sous forme liquide ou vapeur). Afin de pouvoir comparer l’efficacité de différents combustibles on définit le pouvoir calorifique (ou énergie de combustion). Il correspond à la chaleur libérée par la combustion complète d’un kg d’un combustible. Il s’exprime en kJ/kg. Le pouvoir calorifique est utilisé pour calculer et comparer la masse de dioxyde de carbone CO2(g) rejetée lors de différentes combustions pour produire 1,0 GJ d’énergie. Combustible Pouvoir calorifique (en kJ/kg) Le méthane CH4(g) 51.103 L’essence est considérée comme un mélange d’octane C8H18(g) 45.103 Le charbon contient en moyenne 80% de carbone C(s) 35.103

Document 4 Le projet SUGAR
Le projet SUGAR a été lancé pendant l’été Plus de 20 partenaires du monde économique et scientifique développent de nouvelles technologies, afin d’extraire du gaz naturel (méthane) à partir d’hydrates de méthane dans les fonds marins et de stocker de façon sûre, dans ces mêmes fonds marins, du CO2 provenant de centrales thermiques et d’autres sites industriels. Par des tests en laboratoire, les scientifiques ont pu montrer comment la substitution du méthane par du dioxyde de carbone dans les hydrates fonctionnait, et comment elle pouvait être accélérée. En parallèle, les partenaires industriels du projet ont réussi à développer pour les pétroliers un concept de transport de méthane sous forme de granulats d’hydrate. Alors que SUGAR entre dans sa deuxième phase, (il a débuté en août 2011, se prolongera jusqu’en 2014), plusieurs expéditions maritimes sont prévues, au cours desquelles les méthodes développées en laboratoire seront mises en application. […] Le projet SUGAR pourrait donc aider à réduire les émissions mondiales de CO2. Un intérêt international pour ce projet croît de jour en jour, et une troisième phase est d’ores et déjà prévue à partir de 2014 au cours de laquelle les méthodes testées en phase deux seront utilisées en conditions réelles sur le terrain. Myrina MEUNIER, BE Allemagne n°539, 15 septembre 2011. SUGAR acronyme signifiant : Submarine Gashydrat-Lagerstatten : Erkundung, Abbau und Transport (gisements sous-marins d’hydrates de gaz : prospection, exploitation et transport).

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Proposition de corrigé
Zone III : Domaine de stabilité des hydrates de gaz 0°C < T < 15°C P > 3 MPa Entre 300 m et 1500 m de profondeur La pression atmosphérique est 1, Pa = 1, × 1 1, MPa = 0,10 MPa États physiques des hydrates de méthane à la surface de la Terre À l’état eau liquide + méthane gaz (Zone I) À l’état eau solide (glace) + méthane gaz : (Zone II)

♦ Réserve de méthane au fond de l’océan : 20 millions de km3 ♦ Consommation mondiale de gaz naturel : milliards de m3 par an 1 an ↔ 3000 km3 x années ↔ km3 x = / 3000 = 6,7.103 années. L’homme disposerait d’environ 6700 années de ressources dans les hydrates de gaz au fond des océans, ce qui constitue une réserve gigantesque.

Équations de combustion des trois combustibles ♦ Le méthane
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Proposition de corrigé Équations de combustion des trois combustibles ♦ Le méthane CH4(g) O2(g) → CO2(g) H2O(g) ♦ L’essence (octane) 2 C8H18(g) O2(g) → 16 CO2(g) H2O(g) ♦ Le charbon C(s) O2(g) → CO2(g)

Calcul de la masse de dioxyde de carbone rejeté par la combustion du méthane pour produire 1 GJ d’énergie. CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) La combustion de 1Kg de méthane libère kJ Pour 1,0 GJ = 109 J, la masse de méthane brûlée est : m(CH4) = 1, = 2,0.101 kg = 2,0.104 g La quantité de matière de CO2 formée est égale à la quantité de matière de CH4 brûlée est : n(CO2) = n(CH4) La masse de CO2 formée est : m(CO2)= n(CO2) × M(CO2) = m(C H 4 ) M(C H 4 ) × M(CO2) m(CO2) = 2, × 44 = g = 55 kg

Masse de CO2(g) rejeté pour produire
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Proposition de corrigé Combustible Masse de CO2(g) rejeté pour produire 1 GJ d’énergie Méthane 55 kg Essence 68 kg Charbon 84 kg Le méthane est seulement une énergie plus propre que le charbon et l’essence !

Hydrates de gaz : Ressource de la mer du futur ?...
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Proposition de corrigé Hydrates de gaz : Ressource de la mer du futur ?... Peut-être un jour !... Les points positifs Les points négatifs Problèmes techniques et financiers à surmonter : Système de forage adapté aux grandes profondeurs (coût élevé) Système d’exploitation spécifique pour remonter les hydrates de gaz en les maintenant stables Technique d’extraction mal maîtrisée : elle pourrait libérer accidentellement du méthane, gaz à effet de serre (effets 25 fois plus importants que ceux du CO2) Combustion du méthane : libération de CO2, gaz à effet de serre, en quantités non négligeables par rapport aux autres sources fossiles Projet SUGAR Projet prometteur

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences 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 Compétences A B C D S’approprier Extraire l'information utile Analyser Construire la démarche Exploiter ses connaissances et les informations extraites Réaliser Effectuer des calculs littéraux ou numériques Valider Discuter du résultat obtenu au regard de la problématique Faire preuve d'esprit critique Communiquer Rédiger une réponse argumentée

« Extraire l’information utile »
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences S’approprier « Extraire l’information utile » Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A » Document 1 • Les hydrates de gaz sont présents dans les sédiments océaniques entre 500 et 1500 m de profondeur. • Les hydrates de gaz sont formés de molécules d’eau formant des cages qui stockent du gaz, essentiellement du méthane : 1 m3 d’hydrate de méthane piège 164 m3 de méthane. • Le stock de méthane piégé est estimé à 20 millions de km3 par le service géologique américain (USGS). Ce stock est deux fois plus important que les réserves de charbon, pétrole et gaz réunis. • Les techniques d’extraction actuelles ne permettent pas une exploitation rentable et sécurisée des gisements. Document 2 • Les hydrates de gaz ne sont stables que dans certaines conditions de température et de pression .

« Extraire l’information utile »
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences S’approprier « Extraire l’information utile » Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A » Document 3 • Le méthane est un combustible fossile. Sa combustion complète libère du dioxyde de carbone et de l’eau. • Définition du pouvoir calorifique. Il est utilisé pour calculer et comparer la masse du dioxyde de carbone rejetée lors de différentes combustions pour produire 1,0 GJ d’énergie. Document 4 • Le projet SUGAR vise à réduire les émissions mondiales de dioxyde de carbone en substituant le méthane piégé dans les hydrates par du dioxyde de carbone provenant des centrales thermiques et d’autres sites industriels.

Attribution du niveau de maîtrise
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Attribution du niveau de maîtrise Niveau A 8 items Niveau B 1 à 2 items manquants Niveau C 3 à 7 items manquants Niveau D 8 items manquants

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences ANALYSER « Construire la démarche » « Exploiter ses connaissances et les informations extraites » Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A » • Détermination précise des domaines de stabilité des hydrates de méthane : stables sous P > 3 MPa et 0 < T < 15°C. • Convertir la pression atmosphérique en MPa pour définir, à partir du diagramme du document 2, l’état physique des hydrates de gaz à la surface de la Terre. • Évaluation du nombre d’années de la ressource méthane dont dispose l’homme. • Écrire l’équation de combustion complète de chaque combustible et exploiter le pouvoir calorifique pour déterminer : - la masse de chaque combustible cité dans le document 3 nécessaire à la production de ,0 GJ d’énergie - la masse de dioxyde de carbone rejetée lors de la combustion complète de chaque combustible • Le méthane est un gaz à effet de serre : comparaison de la masse de dioxyde de carbone rejetée lors de sa combustion complète par rapport à celles rejetées par les combustions du charbon et de l’essence.

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Attribution du niveau de maîtrise Niveau A 5 items Niveau B 1 item manquant Niveau C 2 à 4 items manquants Niveau D 5 items manquants

« Effectuer des calculs littéraux ou numériques »
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences REALISER « Effectuer des calculs littéraux ou numériques » Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A » • Conversion de la pression atmosphérique en MPa : 1, Pa = 0,10 MPa • Calcul du nombre d’années de la ressource méthane : 6,7.103 années. • À partir des valeurs numériques des pouvoirs calorifiques, calcul de la masse de chaque combustible nécessaire à la production de 1,0 GJ. • Calcul de la masse de dioxyde de carbone rejetée par chaque combustible.

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences VALIDER « Discuter du résultat obtenu au regard de la problématique » « Faire preuve d’esprit critique » Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A » • La comparaison des masses de dioxyde de carbone rejetée par chaque combustible montre que : - le méthane n’est pas une ressource énergétique propre puisque sa combustion produit des quantités non négligeables de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre - le méthane apparaît seulement comme une énergie plus propre que le charbon et l’essence. • L’homme dispose au fond de l’océan une réserve gigantesque d’hydrates de méthane qui pourrait faire face à l’épuisement des ressources fossiles. • L’exploitation commerciale des hydrates de méthane n’est pas rentable à l’heure actuelle : systèmes de forage et d’exploitation adaptés aux grandes profondeurs très coûteux. • L’exploitation commerciale des hydrates de méthane n’est pas sécurisée à l’heure actuelle : risque d’émission de méthane dans l’atmosphère, gaz à effet de serre de pouvoir 25 fois plus important que celui du dioxyde de carbone. • Le projet SUGAR, lancé en 2008, devrait permettre de diminuer les quantités de dioxyde de carbone de l’atmosphère dues aux diverses activités industrielles. • Certes c’est un projet prometteur, mais actuellement il n’est pas possible d’affirmer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique propre du futur pour faire face à l’épuisement des ressources fossiles.

« Rédiger une réponse argumentée »
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences COMMUNIQUER « Rédiger une réponse argumentée » Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A » • La démarche est présentée en utilisant un vocabulaire adapté, rigoureux et scientifique. • Les connecteurs logiques sont correctement utilisés. • Les résultats sont présentés de manière adaptée (unités, chiffres significatifs,…).

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Attribution du niveau de maîtrise Niveau A 3 items Niveau B 1 item manquant Niveau C 2 items manquants Niveau D 3 items manquants

Majorité (A + B) et des C et D Majorité de C ou de (C + D)
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Exemple d’attribution d’une note chiffrée à la copie Barème : Note sur 10 Que des A 10 Que des A et B 9 Que des B 8 Majorité (A + B) et 1 C 7 Majorité (A + B) et 2 C 6 Majorité (A + B) et des C et D 5 Majorité de C ou de (C + D) 4 Que des C et D 3 Que des D

Travail préliminaire des élèves
Résolution de problèmes scientifiques Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Étape 1 : Lire et comprendre les documents ♦ Apports des différents documents ♦ Analyser les schémas Compétence « S’approprier » Étape 2 : Formuler et hiérarchiser une liste de questions afin de clarifier la problématique Étape 3 : Bâtir le raisonnement (Indiquer les étapes de la résolution) Compétence « Analyser »

Compétence « S’approprier »
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Comment les élèves ont-ils réagi ? Bilan de copies de bons élèves Version brute Bilan de copies d’ élèves moyens Version guidée Étape 1 : Lire et comprendre les documents ♦ Apports des différents documents ♦ Analyser les schémas Compétence « S’approprier » Description et analyse pertinente des différents documents

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Comment les élèves ont-ils réagi ? Bilan de copies de bons élèves Version brute Bilan de copies d’ élèves moyens Version guidée Étape 2 : Formuler et hiérarchiser une liste de questions afin de clarifier la problématique Bonne hiérarchisation des questions 1. Les hydrates de gaz sont-ils présents en quantité suffisante ? Sur combien d’années pourraient-ils être la principale ressource ? 2. Est-il possible pour l’homme d’y accéder et de l’exploiter facilement ? 3. Par rapport aux autres combustibles, sont-ils plus écologiques, respectueux de l’environnement ? Hiérarchisation convenable des questions 3. Quels sont les avantages des hydrates de gaz par rapport au charbon et à l’essence ? Les hydrates de gaz sont-ils une menace pour l’environnement ? 1. Les hydrates de gaz sont-ils une ressource inépuisable ? Quelle est la quantité disponible ? 2. Est-ce que l’on va trouver une technique permettant une exploitation rentable ?

Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Ce qu’en pensent les élèves Bilan de copies de bons élèves Version brute Bilan de copies d’ élèves moyens Version guidée - Problème intéressant, problème d’actualité qui a permis de découvrir les hydrates de gaz - Problème intéressant qui a permis d’approfondir ses connaissances sur les hydrates de gaz, d’enrichir ses connaissances avec le projet SUGAR - La méthode de calcul des masses de CO2 rejeté était assez difficile à trouver. Les documents étaient simples à exploiter. Ce problème était intéressant, il nous a apporté des connaissances sur les différentes ressources possibles du futur ; on se sent concerné. Le problème était particulièrement long bien que pas excessivement compliqué. Intervention du professeur pour montrer la nécessité du calcul des masses de CO2 rejeté et aider à ce calcul : Les calculs sur les masses de CO2 étaient difficiles car le raisonnement était compliqué, le début des calculs n’était pas évident. On n’a pas su comment relier les équations de combustions et les pouvoirs calorifiques pour calculer les masses de CO2.

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