La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

La présentation est en train de télécharger. S'il vous plaît, attendez

Résolution de problèmes scientifiques Thème : Leau Sous-thème : Eau et ressources Mot clé : Hydrates de gaz Durée estimée : 2 h.

Présentations similaires


Présentation au sujet: "Résolution de problèmes scientifiques Thème : Leau Sous-thème : Eau et ressources Mot clé : Hydrates de gaz Durée estimée : 2 h."— Transcription de la présentation:

1 Résolution de problèmes scientifiques Thème : Leau Sous-thème : Eau et ressources Mot clé : Hydrates de gaz Durée estimée : 2 h

2 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Molécule de méthane CH 4 Molécule deau H 2 O Hydrates de gaz en feu Hydrate de gaz au fond de locéan libérant du méthane

3 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Énoncé La pénurie annoncée des ressources fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) a rendu nécessaire et impératif la recherche et le développement de nouvelles sources dénergie. Dans ce contexte, les ressources énergétiques issues de la mer ont aussi leur place… À laide des documents suivants, apporter une réponse argumentée à la problématique suivante :

4 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? 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 lépuisement des ressources fossiles ?

5 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 lépuisement des ressources fossiles ? Justifiez dès que possible vos propos à laide de calculs. Exercez un regard critique sur vos calculs et votre argumentation. Remarque : Lanalyse des données, la démarche suivie et lanalyse critique des résultats sont évaluées et nécessitent dêtre correctement présentées. Données : Masses molaires : M(H) = 1 g.mol -1 ; M(C) = 12 g.mol -1 ; M(O) = 16 g.mol -1

6 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 lépuisement des ressources fossiles ? Pour répondre à la problématique, déterminer létat physique des mélanges deau et de méthane à la surface de la Terre (à la pression atmosphérique). Puis, calculer le nombre dannées de ressources présentes dans les hydrates de gaz au fond des océans dont dispose lHomme. Écrire léquation 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 : Lanalyse des données, la démarche suivie et lanalyse critique des résultats sont évaluées et nécessitent dêtre correctement présentées. Données : Masses molaires : M(H) = 1 g.mol -1 ; M(C) = 12 g.mol -1 ; M(O) = 16 g.mol -1

7 Document 1 Quest-ce quun hydrate de gaz ? Les hydrates de gaz sont des molécules de gaz, essentiellement du méthane CH 4, entourées par un réseau de molécules deau disposées en cage. Ils ont lapparence 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 laction 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 deau pour former lhydrate de méthane, dans une fourchette bien définie de température et de pression. « Les hydrates de méthane constituent un fabuleux trésor énergétique, deux fois léquivalent de méthane des réserves prouvées de charbon, pétrole et gaz réunis. En effet, 1 m 3 dhydrate de méthane peut piéger 1 64 m 3 de méthane durant sa formation. Le service géologique américain (USGS) a récemment estimé à 20 millions de km 3 le volume de méthane piégés dans les hydrates de méthane dans les fonds marins et les sols gelés arctiques. Les techniques dextraction actuelles ne permettent pas une exploitation rentable et sécurisée des gisements. Une libération incontrôlée de méthane serait préjudiciable pour lenvironnement 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 » IfremerSinformer La consommation mondiale de gaz naturel est considérée stable à milliards de m 3 par an.

8 Document 2 Domaine de stabilité des hydrates de gaz ? Le diagramme suivant montre que létat physique des mélanges deau et de méthane dépend de deux paramètres : la pression et la température. Données : P atm = 1, Pa 1MPa = 1, 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.

9 Document 3 Énergies de combustion de sources fossiles ? Le charbon, lessence, le méthane sont des exemples de combustibles qui lors de réaction de combustion, produisent de lénergie thermique. La réaction combustion sobtient en faisant réagir un combustible et un comburant (dioxygène O 2 (g)). Lorsque la combustion dun hydrocarbure est complète, les produits sont du dioxyde de carbone gazeux CO 2 et de leau H 2 O (qui selon les conditions de pression et de température, pourra être sous forme liquide ou vapeur). Afin de pouvoir comparer lefficacité de différents combustibles on définit le pouvoir calorifique (ou énergie de combustion). Il correspond à la chaleur libérée par la combustion complète dun kg dun combustible. Il sexprime en kJ/kg. Le pouvoir calorifique est utilisé pour calculer et comparer la masse de dioxyde de carbone CO 2 (g) rejetée lors de différentes combustions pour produire 1,0 GJ dénergie. Combustible Pouvoir calorifique (en kJ/kg) Le méthane CH 4 (g) Lessence est considérée comme un mélange doctane C 8 H 18 (g) Le charbon contient en moyenne 80% de carbone C(s)

10 Document 4 Le projet SUGAR Le projet SUGAR a été lancé pendant lété Plus de 20 partenaires du monde économique et scientifique développent de nouvelles technologies, afin dextraire du gaz naturel (méthane) à partir dhydrates de méthane dans les fonds marins et de stocker de façon sûre, dans ces mêmes fonds marins, du CO 2 provenant de centrales thermiques et dautres 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 dhydrate. Alors que SUGAR entre dans sa deuxième phase, (il a débuté en août 2011, se prolongera jusquen 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 CO 2. Un intérêt international pour ce projet croît de jour en jour, et une troisième phase est dores 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 SUGAR acronyme signifiant : Submarine Gashydrat-Lagerstatten : Erkundung, Abbau und Transport (gisements sous-marins dhydrates de gaz : prospection, exploitation et transport).

11 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Proposition de corrigé

12

13

14

15 Combustible Masse de CO 2 (g) rejeté pour produire 1 GJ dénergie Méthane 55 kg Essence 68 kg Charbon 84 kg Le méthane est seulement une énergie plus propre que le charbon et lessence !

16 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 positifsLes points négatifs Problèmes techniques et financiers à surmonter : - Système de forage adapté aux grandes profondeurs (coût élevé) - Système dexploitation spécifique pour remonter les hydrates de gaz en les maintenant stables Technique dextraction mal maîtrisée : elle pourrait libérer accidentellement du méthane, gaz à effet de serre (effets 25 fois plus importants que ceux du CO 2 ) Combustion du méthane : libération de CO 2, gaz à effet de serre, en quantités non négligeables par rapport aux autres sources fossiles Projet SUGAR Projet prometteur

17 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 CompétencesABCD Sapproprier 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

18 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Sapproprier « Extraire linformation utile » Critères de réussite permettant dattribuer 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 deau formant des cages qui stockent du gaz, essentiellement du méthane : 1 m 3 dhydrate de méthane piège 164 m 3 de méthane. Le stock de méthane piégé est estimé à 20 millions de km 3 par le service géologique américain (USGS). Ce stock est deux fois plus important que les réserves de charbon, pétrole et gaz réunis. Les techniques dextraction 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.

19 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Sapproprier « Extraire linformation utile » Critères de réussite permettant dattribuer le niveau de maîtrise « A » Document 3 Le méthane est un combustible fossile. Sa combustion complète libère du dioxyde de carbone et de leau. 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 dénergie. 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 dautres sites industriels.

20 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

21 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 dattribuer 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, létat physique des hydrates de gaz à la surface de la Terre. Évaluation du nombre dannées de la ressource méthane dont dispose lhomme. Écrire léquation 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 1,0 GJ dénergie - 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 lessence.

22 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

23 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences REALISER « Effectuer des calculs littéraux ou numériques » Critères de réussite permettant dattribuer le niveau de maîtrise « A » Conversion de la pression atmosphérique en MPa : 1, Pa = 0,10 MPa Calcul du nombre dannées de la ressource méthane : 6, 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.

24 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Attribution du niveau de maîtrise Niveau A 4 items Niveau B 1 item manquant Niveau C 2 à 3 items manquants Niveau D 4 items manquants

25 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences VALIDER « Discuter du résultat obtenu au regard de la problématique » « Faire preuve desprit critique » Critères de réussite permettant dattribuer le niveau de maîtrise « A » La comparaison des masses de dioxyde de carbone rejetée par chaque combustible montre que : - le méthane nest 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 lessence. Lhomme dispose au fond de locéan une réserve gigantesque dhydrates de méthane qui pourrait faire face à lépuisement des ressources fossiles. Lexploitation commerciale des hydrates de méthane nest pas rentable à lheure actuelle : systèmes de forage et dexploitation adaptés aux grandes profondeurs très coûteux. Lexploitation commerciale des hydrates de méthane nest pas sécurisée à lheure actuelle : risque démission de méthane dans latmosphère, 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 latmosphère dues aux diverses activités industrielles. Certes cest un projet prometteur, mais actuellement il nest pas possible daffirmer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique propre du futur pour faire face à lépuisement des ressources fossiles.

26 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences Attribution du niveau de maîtrise Niveau A 6 items Niveau B 1 item manquant Niveau C 2 à 5 items manquants Niveau D 6 items manquants

27 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Notation par compétences COMMUNIQUER « Rédiger une réponse argumentée » Critères de réussite permettant dattribuer 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,…).

28 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

29 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Exemple dattribution dune 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 0

30 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 « Sapproprier » 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 » Travail préliminaire des élèves

31 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 « Sapproprier » Description et analyse pertinente des différents documents Description et analyse pertinente des différents documents

32 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 dannées pourraient-ils être la principale ressource ? 2. Est-il possible pour lhomme dy accéder et de lexploiter facilement ? 3. Par rapport aux autres combustibles, sont-ils plus écologiques, respectueux de lenvironnement ? Hiérarchisation convenable des questions 3. Quels sont les avantages des hydrates de gaz par rapport au charbon et à lessence ? Les hydrates de gaz sont-ils une menace pour lenvironnement ? 1. Les hydrates de gaz sont-ils une ressource inépuisable ? Quelle est la quantité disponible ? 2. Est-ce que lon va trouver une technique permettant une exploitation rentable ?

33 Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ? Ce quen pensent les élèves Bilan de copies de bons élèves Version brute Bilan de copies d élèves moyens Version guidée - Problème intéressant, problème dactualité qui a permis de découvrir les hydrates de gaz - Problème intéressant qui a permis dapprofondir ses connaissances sur les hydrates de gaz, denrichir ses connaissances avec le projet SUGAR - La méthode de calcul des masses de CO 2 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 CO 2 rejeté et aider à ce calcul : Les calculs sur les masses de CO 2 étaient difficiles car le raisonnement était compliqué, le début des calculs nétait pas évident. On na pas su comment relier les équations de combustions et les pouvoirs calorifiques pour calculer les masses de CO 2.


Télécharger ppt "Résolution de problèmes scientifiques Thème : Leau Sous-thème : Eau et ressources Mot clé : Hydrates de gaz Durée estimée : 2 h."

Présentations similaires


Annonces Google