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Travaux Personnels Encadrés Sciences et Vie de la Terre et Physique Chimie (Professeurs MM. LEFORT et MANSART) Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent ZABLOCKI.

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1 Travaux Personnels Encadrés Sciences et Vie de la Terre et Physique Chimie (Professeurs MM. LEFORT et MANSART) Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent ZABLOCKI 2006/2007 Lycée Notre-Dame de la PROVIDENCE Classe : 1 ère S1

2 Thème : Environnement et Progrès Problématique : En quoi lutilisation de la photosynthèse et de la technologie photovoltaïque, deux procédés de récupération de lénergie solaire, peut-elle contribuer à un progrès pour lenvironnement ?

3 Introduction Léconomie mondiale est basée sur des énergies fossiles qui sont amenées à disparaître.Léconomie mondiale est basée sur des énergies fossiles qui sont amenées à disparaître. Lutilisation de ces énergies est source de pollution.Lutilisation de ces énergies est source de pollution. Il existe des substituts renouvelables. La plupart sont issus de lénergie solaire, comme par exemple les biocarburants et le photovoltaïque.Il existe des substituts renouvelables. La plupart sont issus de lénergie solaire, comme par exemple les biocarburants et le photovoltaïque.

4 Plan de lexposé Première partie : De la photosynthèse aux biocarburantsPremière partie : De la photosynthèse aux biocarburants Seconde partie : La technologie photovoltaïqueSeconde partie : La technologie photovoltaïque Troisième partie : Un progrès pour lenvironnement ?Troisième partie : Un progrès pour lenvironnement ?

5 Première partie : De la photosynthèse aux biocarburants Introduction : La photosynthèse est la conversion dénergie solaire en énergie chimique. La photosynthèse est la conversion dénergie solaire en énergie chimique. Chez les plantes, lensemble des réactions se déroulant lors de ce processus est habituellement décrit en deux phases : la première requiert lénergie de la lumière, la seconde phase aboutit à la production de sucre. Chez les plantes, lensemble des réactions se déroulant lors de ce processus est habituellement décrit en deux phases : la première requiert lénergie de la lumière, la seconde phase aboutit à la production de sucre. En pratique, la photosynthèse chez les plantes peut être représentée par léquation suivante : En pratique, la photosynthèse chez les plantes peut être représentée par léquation suivante : 6 H 2 O + 6 CO 2 + énergie lumineuse 6 O 2 + C 6 H 12 O 6 I) La photosynthèse, production de matière organique

6 A) La localisation de la photosynthèse chez les plantes Cellules végétales chargées de chloroplastes

7 Schématisation d'un chloroplaste Schématisation d'un chloroplaste

8 B) B) La phase photochimique 1)Absorption de la lumière a) Les pigments : Le captage des photons fait appel à des pigments, c'est-à-dire des molécules apparaissant colorées à lœil humain car elles absorbent une partie du spectre lumineux. Le captage des photons fait appel à des pigments, c'est-à-dire des molécules apparaissant colorées à lœil humain car elles absorbent une partie du spectre lumineux. La chlorophylle est le principal pigment utilisé pour la photosynthèse. La chlorophylle est le principal pigment utilisé pour la photosynthèse. Les molécules de pigment sont incorporées au sein dune protéine membranaire antennaire chargée de capter les photons. Les molécules de pigment sont incorporées au sein dune protéine membranaire antennaire chargée de capter les photons.

9 Structure et localisation des pigments Protéine dantenne collectrice (En vert et jaune : sous unité protéique. En gris et orange : molécules de pigment) Molécules de chlorophylle a et de carotène

10 b) Le transfert dexcitation Quand un pigment capte un photon, il entre dans un état excité. Cette excitation est transmise de pigment à pigment pour arriver à un point dutilisation. Quand un pigment capte un photon, il entre dans un état excité. Cette excitation est transmise de pigment à pigment pour arriver à un point dutilisation. Il existe dans la membrane des thylakoïdes deux types de centres réactionnels structurés en antenne collectrice appelés photosystème I et II. Il existe dans la membrane des thylakoïdes deux types de centres réactionnels structurés en antenne collectrice appelés photosystème I et II.

11 2) Utilisation de lénergie lumineuse a) La photolyse de leau Dans les photosystèmes, lénergie dexcitation collectée est utilisée pour arracher un électron à la molécule deau. Dans les photosystèmes, lénergie dexcitation collectée est utilisée pour arracher un électron à la molécule deau. 2H 2 O O 2 + 4H + + 4e - Les protons libérés par la photolyse de leau dans le thylakoïde créent un gradient de protons à lintérieur de la membrane. Le transfert des protons à travers la membrane engendre de lATP. Les protons libérés par la photolyse de leau dans le thylakoïde créent un gradient de protons à lintérieur de la membrane. Le transfert des protons à travers la membrane engendre de lATP.

12 La circulation des électrons à travers la membrane, pour passer du photosystème II au photosystème I, aboutit également à lélaboration dATP. La circulation des électrons à travers la membrane, pour passer du photosystème II au photosystème I, aboutit également à lélaboration dATP. Une molécule appelée ferrédoxine va, grâce à lexcitation transmise par les pigments, capter un électron nécessaire à la fabrication de NADPH à partir de NADP. Une molécule appelée ferrédoxine va, grâce à lexcitation transmise par les pigments, capter un électron nécessaire à la fabrication de NADPH à partir de NADP. Ces molécules énergétiques sont utilisées dans la phase suivante pour la fabrication de glucides à partir du CO 2. Ces molécules énergétiques sont utilisées dans la phase suivante pour la fabrication de glucides à partir du CO 2. b) Transformation en énergie chimique

13 C) La phase de production de matière organique Lassimilation du dioxyde de carbone dans le but de former des glucides met en jeu un ensemble de réactions chimiques qui se déroule dans le stroma des chloroplastes, à lextérieur des thylakoïdes. Lassimilation du dioxyde de carbone dans le but de former des glucides met en jeu un ensemble de réactions chimiques qui se déroule dans le stroma des chloroplastes, à lextérieur des thylakoïdes. La synthèse de glucides fait intervenir un cycle de réactions catalysé par treize enzymes. Celui-ci est appelé cycle de Calvin. La synthèse de glucides fait intervenir un cycle de réactions catalysé par treize enzymes. Celui-ci est appelé cycle de Calvin. Le cycle consomme de lénergie sous forme d'ATP et utilise du NADPH + H + qui procure des électrons et des protons au cycle de Calvin. Le cycle consomme de lénergie sous forme d'ATP et utilise du NADPH + H + qui procure des électrons et des protons au cycle de Calvin.

14 Le cycle de Calvin Le glucide produit directement par le cycle de Calvin n'est pas du glucose mais un monosaccharide appelé PGAL (phosphoglycéraldéhyde) composé de trois carbones. Le glucide produit directement par le cycle de Calvin n'est pas du glucose mais un monosaccharide appelé PGAL (phosphoglycéraldéhyde) composé de trois carbones. Le PGAL issu du cycle de Calvin devient la matière première des voies métaboliques qui synthétisent d'autres composés organiques, dont différents glucides. Le PGAL issu du cycle de Calvin devient la matière première des voies métaboliques qui synthétisent d'autres composés organiques, dont différents glucides.

15 Conclusion : Les énergies non renouvelables fossiles que nous utilisons (charbon, gaz et pétrole) ont été fabriquées par la photosynthèse il y a des millions dannées. Les énergies non renouvelables fossiles que nous utilisons (charbon, gaz et pétrole) ont été fabriquées par la photosynthèse il y a des millions dannées. Aujourdhui une partie des énergies renouvelables sont obtenues par transformation de la biomasse produite par la photosynthèse, cest le cas par exemple des biocarburants. Aujourdhui une partie des énergies renouvelables sont obtenues par transformation de la biomasse produite par la photosynthèse, cest le cas par exemple des biocarburants. Actuellement, lutilisation de la photosynthèse pour des besoins énergétiques est mineure par rapport à lénergie lumineuse que nous envoie le Soleil. Ce qui souligne lintérêt de mieux récupérer lénergie de la photosynthèse pour la production dénergie. Actuellement, lutilisation de la photosynthèse pour des besoins énergétiques est mineure par rapport à lénergie lumineuse que nous envoie le Soleil. Ce qui souligne lintérêt de mieux récupérer lénergie de la photosynthèse pour la production dénergie.

16 II) La fabrication des biocarburants Introduction : Les biocarburants sont des carburants issus de la biomasse végétale. Les biocarburants sont des carburants issus de la biomasse végétale. Le biodiesel et le bioéthanol sont les biocarburants les plus répandus. Le biodiesel et le bioéthanol sont les biocarburants les plus répandus. Lobjectif de la production de bioéthanol est de transformer le sucre contenu dans les plantes en alcool. Lobjectif de la production de bioéthanol est de transformer le sucre contenu dans les plantes en alcool.

17 A) Transformation de matière végétale en sucre puis en alcool 1) Du végétal à un sucre fermentescible

18 a) Départ dune matière sucrière

19 b) Départ dune matière amylacée

20 c) Départ dune matière cellulosique

21 2) La fermentation alcoolique : transformation de sucre en alcool

22 La glycolyse est un mécanisme de régénération de lATP qui se déroule en anaérobie. La glycolyse est un mécanisme de régénération de lATP qui se déroule en anaérobie. La glycolyse correspond à loxydation du glucose en pyruvates à laide de coenzymes. La glycolyse correspond à loxydation du glucose en pyruvates à laide de coenzymes. Léquation bilan de la glycolyse est : Léquation bilan de la glycolyse est : C 6 H 12 O ADP + 2 HPO NAD + 2 CH 3 -CO-COOH + 2 ATP + 2 (NADH,H + ) + 2 H 2 O a) La glycolyse

23 b) Transformation des pyruvates en éthanol Permet au NADH,H + de retrouver sa forme initiale de NAD + Permet au NADH,H + de retrouver sa forme initiale de NAD + Les deux pyruvates issus de la glycolyse sont transformés en éthanol et en CO 2 Les deux pyruvates issus de la glycolyse sont transformés en éthanol et en CO 2 Le bilan général des réactions se déroulant dans la cellule est : Le bilan général des réactions se déroulant dans la cellule est : Glucose + 2 ADP + 2 HPO éthanol (CH 3 CH 2 OH) + 2 CO ATP

24 Expérience de fermentation alcoolique

25 Transformation des sucres fermentescibles en éthanol absolu Tamis moléculaire

26 B)Utilisation de léthanol comme carburant On peut réaliser des carburants à partir déthanol de différentes manières : Soit en lincorporant directement à de lessence traditionnelle à un taux de 85% pour des moteurs adaptés (E85). Soit en lincorporant directement à de lessence traditionnelle à un taux de 85% pour des moteurs adaptés (E85). Soit en lincorporant avec de lisobutylène pour obtenir de lETBE ( éthyl-tertio butyl-éther). Soit en lincorporant avec de lisobutylène pour obtenir de lETBE ( éthyl-tertio butyl-éther).

27 Conclusion : Le principe des biocarburants est innovant car il permet dutiliser les plantes issues de la photosynthèse. Le principe des biocarburants est innovant car il permet dutiliser les plantes issues de la photosynthèse. Les biocarburants sont donc un produit dérivé de la photosynthèse et donc, par extension une énergie solaire. Les biocarburants sont donc un produit dérivé de la photosynthèse et donc, par extension une énergie solaire.

28 Seconde partie : La technologie photovoltaïque Introduction : Les cellules photovoltaïques utilisent les photons de la lumière pour produire de lénergie électrique: Les cellules photovoltaïques utilisent les photons de la lumière pour produire de lénergie électrique: I) Le principe dune cellule photovoltaïque

29 Chaque cellule est divisible en cinq parties

30 Composition de la couche électriquement négative Silicium dopé N: Silicium dopé N:

31 Composition de la couche électriquement positive Silicium dopé P: Silicium dopé P:

32 La circulation des électrons

33 Les électrons doivent changer détat quantique pour combler le déficit en électrons de la seconde couche.Les électrons doivent changer détat quantique pour combler le déficit en électrons de la seconde couche. Cependant, la migration des électrons ne seffectue que sil y a un apport dénergie suffisant.Cependant, la migration des électrons ne seffectue que sil y a un apport dénergie suffisant.

34 A la surface de la cellule photovoltaïque est placée une couche anti-réflective pour perdre le moins possible de photons et protéger la cellule des variations de températures et de lhumidité.A la surface de la cellule photovoltaïque est placée une couche anti-réflective pour perdre le moins possible de photons et protéger la cellule des variations de températures et de lhumidité. Enfin, au-dessous de la cellule est placé un matériau protecteurEnfin, au-dessous de la cellule est placé un matériau protecteur La récupération de la lumière est également améliorée par la teinte noire de la cellule et sa porosité.La récupération de la lumière est également améliorée par la teinte noire de la cellule et sa porosité.

35 Vue en coupe dune cellule photovoltaïque Pile solaire à rendement moyen Pile solaire à rendement record

36 II) La fabrication des cellules CIS Les cellules à rendements records sont aujourdhui des cellules de type CIS.Les cellules à rendements records sont aujourdhui des cellules de type CIS. Sans modifier le principe photovoltaïque, le changement des matériaux composant cette cellule, double les rendements et améliore sa fabrication.Sans modifier le principe photovoltaïque, le changement des matériaux composant cette cellule, double les rendements et améliore sa fabrication.

37 Principe de fabrication

38 Interview de Daniel LINCOT Directeur de recherche au C.N.R.S.

39 Conclusion : Lefficacité du CIS est démontrée par leurs rendements élevés, proches de 41% soit plus de deux fois les rendements des cellules à homojonction au silicium. Lefficacité du CIS est démontrée par leurs rendements élevés, proches de 41% soit plus de deux fois les rendements des cellules à homojonction au silicium. Ce type de cellule fournit un avenir prometteur au photovoltaïque, cependant cette alternative restera marginale face au énergies issues du nucléaire et du charbon. Ce type de cellule fournit un avenir prometteur au photovoltaïque, cependant cette alternative restera marginale face au énergies issues du nucléaire et du charbon.

40 Troisième partie : Un progrès pour lenvironnement ? Introduction : Les biocarburants et la technologie photovoltaïque permettent dutiliser lénergie solaire. Les biocarburants et la technologie photovoltaïque permettent dutiliser lénergie solaire. Ces énergies sont des alternatives renouvelables, elles possèdent des avantages et des inconvénients. Ces énergies sont des alternatives renouvelables, elles possèdent des avantages et des inconvénients.

41 A) Les points forts et les limites des biocarburants Lutilisation de biocarburants permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Lutilisation de biocarburants permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Leur résistance à lauto inflammation est élevée, ce qui permet aux moteurs dêtre plus performants. Leur résistance à lauto inflammation est élevée, ce qui permet aux moteurs dêtre plus performants. 1) Les principaux avantages

42 La présence doxygène dans lalcool améliore la combustion, ce qui réduit lémission de gaz polluants. La présence doxygène dans lalcool améliore la combustion, ce qui réduit lémission de gaz polluants. Valorisation des zones rurales. Valorisation des zones rurales. Préserve les réserves dhydrocarbures, pouvant être utilisés dans les filières où il nexiste pas encore de substituts. Préserve les réserves dhydrocarbures, pouvant être utilisés dans les filières où il nexiste pas encore de substituts.

43 Une production agricole intensive réalisée à laide de pesticides et dengrais qui entraîne une pollution des sols et des eaux. Une production agricole intensive réalisée à laide de pesticides et dengrais qui entraîne une pollution des sols et des eaux. Nécessite une grande quantité deau. Nécessite une grande quantité deau. Nécessite de grandes surfaces de cultures. Nécessite de grandes surfaces de cultures. 2) Les principaux inconvénients

44 La France ne serait pas à même dalimenter son réseau de distribution. La culture des biocarburants pourrait donc se faire au dépend des cultures alimentaires. La France ne serait pas à même dalimenter son réseau de distribution. La culture des biocarburants pourrait donc se faire au dépend des cultures alimentaires. Miscible avec leau ils sont donc intransportable par pipeline. Miscible avec leau ils sont donc intransportable par pipeline. Les moteurs à éthanol consomment 30% de plus que les moteurs à essences classiques. Les moteurs à éthanol consomment 30% de plus que les moteurs à essences classiques.

45 Conclusion : Au regard de ces différents inconvénients, on peut se demander si lutilisation des biocarburants constitue un réel progrès pour lenvironnement, ou seulement une alternative au pétrole diminuant notre dépendance énergétique. Au regard de ces différents inconvénients, on peut se demander si lutilisation des biocarburants constitue un réel progrès pour lenvironnement, ou seulement une alternative au pétrole diminuant notre dépendance énergétique.

46 La production délectricité grâce aux piles solaires est propre et respectueuse pour lenvironnement. La production délectricité grâce aux piles solaires est propre et respectueuse pour lenvironnement. Les panneaux solaires peuvent être installés partout, et sont extrêmement fiables. Les panneaux solaires peuvent être installés partout, et sont extrêmement fiables. Même endommagés, ils sont non polluants. Même endommagés, ils sont non polluants. B) Les points forts et les limites de la technologie photovoltaïque 1) Les principaux avantages

47 La durée de vie moyenne est estimée à 30 ans et dès la cinquième année, leur coût de production est amorti. La durée de vie moyenne est estimée à 30 ans et dès la cinquième année, leur coût de production est amorti.

48 Ce secteur est en plein développement. Les prix baissent et les modules sont de plus en plus performants. Ce secteur est en plein développement. Les prix baissent et les modules sont de plus en plus performants.

49 Lachat de panneaux solaires nécessite un investissement onéreux. Cela freine leur développement et diminue donc les bénéfices sur lenvironnement. Lachat de panneaux solaires nécessite un investissement onéreux. Cela freine leur développement et diminue donc les bénéfices sur lenvironnement. La fabrication et le stockage de lénergie produite dépend de matériaux hautement polluants et non dégradables. La fabrication et le stockage de lénergie produite dépend de matériaux hautement polluants et non dégradables. Lapport énergétique des panneaux solaires reste par rapport à linvestissement initial relativement faible comparé aux autres énergies. Lapport énergétique des panneaux solaires reste par rapport à linvestissement initial relativement faible comparé aux autres énergies. 2) Les principaux inconvénients

50 La production dénergie est grandement tributaire du taux densoleillement. Ce qui lui fait connaître un succès inégalé dans le domaine spatial. La production dénergie est grandement tributaire du taux densoleillement. Ce qui lui fait connaître un succès inégalé dans le domaine spatial.

51 Conclusion : Le photovoltaïque, grâce à ses nombreuses qualités écologiques représente une source dénergie très intéressante. Le photovoltaïque, grâce à ses nombreuses qualités écologiques représente une source dénergie très intéressante. Installer des panneaux solaires sur une partie des toitures de France suffirait à couvrir les besoins en électricité du pays. Installer des panneaux solaires sur une partie des toitures de France suffirait à couvrir les besoins en électricité du pays.

52 Conclusion générale Lutilisation de ces deux énergies reste marginale malgré les avantages écologiques quelles apportent. Lutilisation de ces deux énergies reste marginale malgré les avantages écologiques quelles apportent. Les énergies renouvelables sont complémentaires et ne sont efficaces quen fonctionnant en corrélation. Les énergies renouvelables sont complémentaires et ne sont efficaces quen fonctionnant en corrélation. Une utilisation en complémentarité de lensemble des énergies renouvelables pourrait remplacer à long terme les énergies fossiles. Une utilisation en complémentarité de lensemble des énergies renouvelables pourrait remplacer à long terme les énergies fossiles. Une gestion adaptée de ces énergies permet dassocier environnement et progrès. Une gestion adaptée de ces énergies permet dassocier environnement et progrès.

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