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

Thème : Environnement et Progrès Problématique : En quoi l’utilisation de la photosynthèse et de la technologie photovoltaïque, deux procédés de récupération de l’énergie solaire, peut-elle contribuer à un progrès pour l’environnement ?

Introduction L’économie mondiale est basée sur des énergies fossiles qui sont amenées à disparaître. L’utilisation de ces énergies est source de pollution. Il existe des substituts renouvelables. La plupart sont issus de l’énergie solaire, comme par exemple les biocarburants et le photovoltaïque.

Plan de l’exposé Première partie : De la photosynthèse aux biocarburants Seconde partie : La technologie photovoltaïque Troisième partie : Un progrès pour l’environnement ?

Première partie : De la photosynthèse aux biocarburants I) La photosynthèse, production de matière organique Introduction : La photosynthèse est la conversion d’énergie solaire en énergie chimique. Chez les plantes, l’ensemble des réactions se déroulant lors de ce processus est habituellement décrit en deux phases : la première requiert l’énergie de la lumière, la seconde phase aboutit à la production de sucre. En pratique, la photosynthèse chez les plantes peut être représentée par l’équation suivante : 6 H2O + 6 CO2 + énergie lumineuse  6 O2 +  C6H12O6

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

Schématisation d'un chloroplaste

B) La phase photochimique 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 l’œil humain car elles absorbent une partie du spectre lumineux. La chlorophylle est le principal pigment utilisé pour la photosynthèse. Les molécules de pigment sont incorporées au sein d’une protéine membranaire antennaire chargée de capter les photons.

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

b) Le transfert d’excitation 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 d’utilisation. Il existe dans la membrane des thylakoïdes deux types de centres réactionnels structurés en antenne collectrice appelés photosystème I et II.

a) La photolyse de l’eau 2) Utilisation de l’énergie lumineuse a) La photolyse de l’eau Dans les photosystèmes, l’énergie d’excitation collectée est utilisée pour arracher un électron à la molécule d’eau. 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Les protons libérés par la photolyse de l’eau dans le thylakoïde créent un gradient de protons à l’intérieur de la membrane. Le transfert des protons à travers la membrane engendre de l’ATP.

b) Transformation en énergie chimique La circulation des électrons à travers la membrane, pour passer du photosystème II au photosystème I, aboutit également à l’élaboration d’ATP. Une molécule appelée ferrédoxine va, grâce à l’excitation 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 CO2.

C) La phase de production de matière organique L’assimilation 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 l’extérieur des thylakoïdes. 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 l’énergie sous forme d'ATP et utilise du NADPH + H+ qui procure des électrons et des protons au cycle de Calvin.

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 PGAL issu du cycle de Calvin devient la matière première des voies métaboliques qui synthétisent d'autres composés organiques, dont différents glucides.

Conclusion : Les énergies non renouvelables fossiles que nous utilisons (charbon, gaz et pétrole) ont été fabriquées par la photosynthèse il y a des millions d’années. Aujourd’hui une partie des énergies renouvelables sont obtenues par transformation de la biomasse produite par la photosynthèse, c’est le cas par exemple des biocarburants. Actuellement, l’utilisation de la photosynthèse pour des besoins énergétiques est mineure par rapport à l’énergie lumineuse que nous envoie le Soleil. Ce qui souligne l’intérêt de mieux récupérer l’énergie de la photosynthèse pour la production d’énergie.

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

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

a) Départ d’une matière sucrière

b) Départ d’une matière amylacée

c) Départ d’une matière cellulosique

2) La fermentation alcoolique : transformation de sucre en alcool

2 CH3-CO-COOH + 2 ATP + 2 (NADH,H+) + 2 H2O a) La glycolyse La glycolyse est un mécanisme de régénération de l’ATP qui se déroule en anaérobie. La glycolyse correspond à l’oxydation du glucose en pyruvates à l’aide de coenzymes. L’équation bilan de la glycolyse est : C6H12O6 + 2 ADP + 2 HPO42− + 2 NAD+ ↓ 2 CH3-CO-COOH + 2 ATP + 2 (NADH,H+) + 2 H2O

b) Transformation des pyruvates en éthanol Permet au NADH,H+ de retrouver sa forme initiale de NAD+ Les deux pyruvates issus de la glycolyse sont transformés en éthanol et en CO2 Le bilan général des réactions se déroulant dans la cellule est : Glucose + 2 ADP + 2 HPO42− ↓ 2 éthanol (CH3CH2OH) + 2 CO2 + 2 ATP

Expérience de fermentation alcoolique

Transformation des sucres fermentescibles en éthanol absolu Tamis moléculaire

B)Utilisation de l’éthanol comme carburant On peut réaliser des carburants à partir d’éthanol de différentes manières : Soit en l’incorporant directement à de l’essence traditionnelle à un taux de 85% pour des moteurs adaptés (E85). Soit en l’incorporant avec de l’isobutylène pour obtenir de l’ETBE (éthyl-tertio butyl-éther).

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

Seconde partie : La technologie photovoltaïque I) Le principe d’une cellule photovoltaïque Introduction : Les cellules photovoltaïques utilisent les photons de la lumière pour produire de l’énergie électrique:

Chaque cellule est divisible en cinq parties

Composition de la couche électriquement négative Silicium dopé N:

Composition de la couche électriquement positive Silicium dopé P:

La circulation des électrons

Les électrons doivent changer d’état quantique pour combler le déficit en électrons de la seconde couche. Cependant, la migration des électrons ne s’effectue que s’il y a un apport d’énergie suffisant.

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 l’humidité. Enfin, 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.

Vue en coupe d’une cellule photovoltaïque Pile solaire à rendement moyen Pile solaire à rendement record

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

Principe de fabrication

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

Conclusion : L’efficacité 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.

Troisième partie : Un progrès pour l’environnement ? Introduction : Les biocarburants et la technologie photovoltaïque permettent d’utiliser l’énergie solaire. Ces énergies sont des alternatives renouvelables, elles possèdent des avantages et des inconvénients.

A) Les points forts et les limites des biocarburants 1) Les principaux avantages L’utilisation de biocarburants permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Leur résistance à l’auto inflammation est élevée, ce qui permet aux moteurs d’être plus performants.

La présence d’oxygène dans l’alcool améliore la combustion, ce qui réduit l’émission de gaz polluants. Valorisation des zones rurales. Préserve les réserves d’hydrocarbures, pouvant être utilisés dans les filières où il n’existe pas encore de substituts.

2) Les principaux inconvénients Une production agricole intensive réalisée à l’aide de pesticides et d’engrais qui entraîne une pollution des sols et des eaux. Nécessite une grande quantité d’eau. Nécessite de grandes surfaces de cultures.

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

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

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

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

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

2) Les principaux inconvénients L’achat de panneaux solaires nécessite un investissement onéreux. Cela freine leur développement et diminue donc les bénéfices sur l’environnement. La fabrication et le stockage de l’énergie produite dépend de matériaux hautement polluants et non dégradables. L’apport énergétique des panneaux solaires reste par rapport à l’investissement initial relativement faible comparé aux autres énergies.

La production d’énergie est grandement tributaire du taux d’ensoleillement. Ce qui lui fait connaître un succès inégalé dans le domaine spatial.

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

Conclusion générale L’utilisation de ces deux énergies reste marginale malgré les avantages écologiques qu’elles apportent. Les énergies renouvelables sont complémentaires et ne sont efficaces qu’en fonctionnant en corrélation. Une utilisation en complémentarité de l’ensemble des énergies renouvelables pourrait remplacer à long terme les énergies fossiles. Une gestion adaptée de ces énergies permet d’associer environnement et progrès.

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