Un

bioologiqueDomaine

conceptuel

Energie, Production d’électricité, Bioressources, C

électrochimiques

Situation Les élèves sont des scientifiques

réfléchir à la conception

chimie durable

Investigation Travail expérimental et recherches documentaires

Production Compte-rendu sous la forme d'un poster

Présentation orale basée sur un diaporama

Durée indicative 7 séances de 1h30

Ce projet a reçu un financement dans le cadre du 7ème programme-cadre de l'Union Européenne pour la recherche et le développement technologique sous l'agrément n°[321278].

EUPRB

Un générateur

bioologique ie, Production d’électricité, Bioressources, Chimie durable

électrochimiques

Les élèves sont des scientifiques travaillant dans une entreprise

réfléchir à la conception d’un générateur biosourcé dans une optique de

chimie durable.

Travail expérimental et recherches documentaires

rendu sous la forme d'un poster

Présentation orale basée sur un diaporama

7 séances de 1h30

1

générateur

himie durable, Piles

travaillant dans une entreprise qui doivent

dans une optique de

Un générateur biologique

Ce projet a été proposé par Eric Jacques* (eric.jacques@ac

et Jean-Baptiste ROTA (jean-baptiste.rota@ac

Finalisation et adaptation au dispositif Cha

Descriptif pour les professeurs

Résumé

Dans ce projet pédagogique, les élèves endossent le rôle de chercheurs service Recherche et Développementcoûts énergétiques et à fabriquer une électricité la plus «d’alimenter ses procédés industriels.

Dans ce cadre, ils doivent mengénérateur biosourcépermettant d’alimenter un chaine de production : par exemple un électrolyseur pour produire de l’eau de Javel ou du dihydrogène.

Savoirs mis en jeu

• Connaissances de collège sur la pile, en électricité.

• Connaissances de collège sur la pile électrochimique et la conversion d’énergie chimique en énergie électrique.

Canevas

Courrier électronique

Rédaction d’un compte

Recherches documentaires

générateur biologique

Eric Jacques* (eric.jacques@ac-nancy-metz.fr), Lycée Louis Vincent Metz

baptiste.rota@ac-nancy-metz.fr), Lycée Henri Poincaré Nancy

Finalisation et adaptation au dispositif Chain Reaction : CIFOP.

Descriptif pour les professeurs

Dans ce projet pédagogique, les élèves endossent le rôle de chercheurs Développement d’une entreprise qui cherche à diminuer ses

énergétiques et à fabriquer une électricité la plus « verted’alimenter ses procédés industriels.

Dans ce cadre, ils doivent mener un travail expérimental sur la fabrication d’un permettant d’alimenter un récepteur pouvant modéliser la : par exemple un électrolyseur pour produire de l’eau de Javel

ances de collège sur la pile, les récepteurs électriques et les appareils de mesure

Connaissances de collège sur la pile électrochimique et la conversion d’énergie chimique en

Présentation du projet

Courrier électronique du PDG de Eco’Electro

Support documentaire “Conception d’une pile

biosourcée”

Rédaction d’un compte -rendu

Présentation orale

Travail expérimental Recherches documentaires

2

générateur biologique

.fr), Lycée Louis Vincent Metz

fr), Lycée Henri Poincaré Nancy.

Dans ce projet pédagogique, les élèves endossent le rôle de chercheurs dans le e qui cherche à diminuer ses

verte » possible afin

er un travail expérimental sur la fabrication d’un pouvant modéliser la

: par exemple un électrolyseur pour produire de l’eau de Javel

les récepteurs électriques et les appareils de mesure

Connaissances de collège sur la pile électrochimique et la conversion d’énergie chimique en

Compétences visées

• S’approprier des notions et des modèles scientifiques pour énoncer une problématique.

• Proposer diverses stratégies pour • Évaluer les risques et mettre en œuvre les règles de sécurité au laboratoire• Concevoir et réaliser un travail expérimental• Obtenir et enregistrer des données (sources primaires et secondaires)• Proposer un modèle cohérent ave• Analyser les résultats de manière critique• Utiliser les outils de communication appropriés, y compris les TICE, pour

rendre compte de son travail et discuter des questions scientifiques

Cette activité est aussi l’occasion pour les élèves de• Rechercher, expérimenter, discuter et développer des arguments• Partir d’exemples de la vie courante pour développer son sens de la curiosité

Prérequis

Avant de se lancer dans ce projet, les élèves devraient avoir quelquesconnaissances de basesur les piles électrochimiques. Le professeur pourra légèrement anticiper le programme de première S en évoquant, de la manière la plus simple qui soit, le rôle du transfert électronique entre les molécules dans la conversion de l’énergie chimie en énergie électrique.

Déroulement

Ce projet peut être réalisé en 7 à 11 séances d’1h30, tout dépend du nombre d’expériences et de recherches entreprises.

Séance 1

Lancement Fiche « Résumé du projetCourrier électroniqueSupport documentaire «d’un générateur biosourcé

Séances 2 à 4 Travail expérimentalet recherches documentaires

Séances 5 et 6 Rédaction d’un compteSéance 7 Présentation orale

S’approprier des notions et des modèles scientifiques pour énoncer une

Proposer diverses stratégies pour répondre à la problématiqueÉvaluer les risques et mettre en œuvre les règles de sécurité au laboratoireConcevoir et réaliser un travail expérimental. Obtenir et enregistrer des données (sources primaires et secondaires)Proposer un modèle cohérent avec les observations ou les mesuresAnalyser les résultats de manière critique. Utiliser les outils de communication appropriés, y compris les TICE, pour rendre compte de son travail et discuter des questions scientifiques

l’occasion pour les élèves de : Rechercher, expérimenter, discuter et développer des argumentsPartir d’exemples de la vie courante pour développer son sens de la curiosité

Avant de se lancer dans ce projet, les élèves devraient avoir quelquessur les piles électrochimiques. Le professeur pourra

légèrement anticiper le programme de première S en évoquant, de la manière la plus simple qui soit, le rôle du transfert électronique entre les molécules dans la

rgie chimie en énergie électrique.

Ce projet peut être réalisé en 7 à 11 séances d’1h30, tout dépend du nombre d’expériences et de recherches entreprises.

Lancement Fiche « Résumé du projet » Courrier électronique Support documentaire « Conception d’un générateur biosourcé »

Classe entière Groupes de 2 à 4 élèves avec répartition des tâches

Travail expérimental et recherches documentaires Groupes Rédaction d’un compte-rendu Présentation orale Classe entière

3

S’approprier des notions et des modèles scientifiques pour énoncer une

répondre à la problématique. Évaluer les risques et mettre en œuvre les règles de sécurité au laboratoire.

Obtenir et enregistrer des données (sources primaires et secondaires). c les observations ou les mesures.

Utiliser les outils de communication appropriés, y compris les TICE, pour rendre compte de son travail et discuter des questions scientifiques.

Rechercher, expérimenter, discuter et développer des arguments. Partir d’exemples de la vie courante pour développer son sens de la curiosité.

Avant de se lancer dans ce projet, les élèves devraient avoir quelques sur les piles électrochimiques. Le professeur pourra

légèrement anticiper le programme de première S en évoquant, de la manière la plus simple qui soit, le rôle du transfert électronique entre les molécules dans la

Ce projet peut être réalisé en 7 à 11 séances d’1h30, tout dépend du nombre

Classe entière

Groupes de 2 à 4 élèves avec répartition des

Classe entière

Indications pour la mise en œuvre

A. Modalités

L’enseignant fournit aux élèves la fiche “Résumé du projet”. Cellel’ensemble des documents que les élèves doivent produire tout au long du projet et elle permet à chaque élève de gérer l’avancement de ses travaux.

Ensuite, l’enseignant (le directeur du laboratoire de recherche) remet aux élèves (les chercheurs) le courrier électronique le support documentaire intitulé «des indications sur le travail à accomplir. Ce projet permet de réaliser une démarche d’investigation motivante sur l’utilisation concrète, et la mise en commun des observations plus efficace possible.

À l’issue de leurs expérimentations, les élèves rédigeront un comptechaque groupe désignera réalisé (les différents membres du groupe peuvent aussi se partager le compterendu oral).

B. Activités expérimentales

Le cœur du travail expérimental consiste à utilisant des fruits, des légumes ou d’autres substances végétales comme électrolyte. Pour chaque objet créédélivrer la pile et on testera sélectrolyse. Il sera nécessairedizaine) pour que la puissance délivrée soit suffisante.expériences, un brainstormingidées. On aura à cœur de tester toutes les idées pourvu qu’elles soient raisonnables. En effet, le fait qu’un dispositif ne fonctionne pas est en soit un résultat qui peut être riche en connaissances apportpas, l’élève pourra acquérir des connaissances sur le fonctionnement des piles.

Il est aussi proposé d’étudier :

• L’influence du métal des électrodes utilisées• L’influence de la forme de la pile et de son

C. Sécurité

Il est de votre responsabilité d’établir votre propre fiche de sécurité assocexpériences envisagées. A priori les substances utilisées ne présentent pas de risque particulier.

Indications pour la mise en œuvre

L’enseignant fournit aux élèves la fiche “Résumé du projet”. Cellel’ensemble des documents que les élèves doivent produire tout au long du projet et

permet à chaque élève de gérer l’avancement de ses travaux.

Ensuite, l’enseignant (le directeur du laboratoire de recherche) remet aux élèves (les chercheurs) le courrier électronique qui définit le cadre du travail. Il leur remet aussi le support documentaire intitulé « Conception d’un générateur biosourcédes indications sur le travail à accomplir. Ce projet permet de réaliser une démarche d’investigation motivante sur l’utilisation des bio-ressources en vue d’une application

, et la mise en commun des observations afin de fabriquer un dispositif le

À l’issue de leurs expérimentations, les élèves rédigeront un compte un rapporteur qui rendra compte oralement du travail

(les différents membres du groupe peuvent aussi se partager le compte

B. Activités expérimentales

Le cœur du travail expérimental consiste à fabriquer une pile électrochimique en ilisant des fruits, des légumes ou d’autres substances végétales comme

objet créé on cherchera à déterminer la puissance que peut délivrer la pile et on testera si le dispositif est suffisamment efficace pour faire une

nécessaire de mettre plusieurs cellules en sédizaine) pour que la puissance délivrée soit suffisante. Avant de commencer les

brainstorming sera réalisé avec les élèves afin qu’ils proposent leurs tester toutes les idées pourvu qu’elles soient raisonnables.

En effet, le fait qu’un dispositif ne fonctionne pas est en soit un résultat qui peut être riche en connaissances apportées, en comprenant pourquoi son idée ne marche

l’élève pourra acquérir des connaissances sur le fonctionnement des piles.

Il est aussi proposé d’étudier :

L’influence du métal des électrodes utilisées L’influence de la forme de la pile et de son conditionnement

Il est de votre responsabilité d’établir votre propre fiche de sécurité assocexpériences envisagées. A priori les substances utilisées ne présentent pas de

4

L’enseignant fournit aux élèves la fiche “Résumé du projet”. Celle-ci récapitule l’ensemble des documents que les élèves doivent produire tout au long du projet et

Ensuite, l’enseignant (le directeur du laboratoire de recherche) remet aux élèves (les t le cadre du travail. Il leur remet aussi d’un générateur biosourcé» qui donne

des indications sur le travail à accomplir. Ce projet permet de réaliser une démarche ressources en vue d’une application

afin de fabriquer un dispositif le

À l’issue de leurs expérimentations, les élèves rédigeront un compte-rendu. Puis un rapporteur qui rendra compte oralement du travail

(les différents membres du groupe peuvent aussi se partager le compte-

fabriquer une pile électrochimique en ilisant des fruits, des légumes ou d’autres substances végétales comme

on cherchera à déterminer la puissance que peut le dispositif est suffisamment efficace pour faire une

érie (environ une Avant de commencer les

alisé avec les élèves afin qu’ils proposent leurs tester toutes les idées pourvu qu’elles soient raisonnables.

En effet, le fait qu’un dispositif ne fonctionne pas est en soit un résultat qui peut être , en comprenant pourquoi son idée ne marche

l’élève pourra acquérir des connaissances sur le fonctionnement des piles.

Il est de votre responsabilité d’établir votre propre fiche de sécurité associée aux expériences envisagées. A priori les substances utilisées ne présentent pas de

Un générateur biologique

Dossier élève

Résumé de projet et lettre de mission

Version sans but de participation aux conférences

1

Un générateur biologique

Résumé du projet

Ce que vous allez faire

Vous travaillez dans le service « Recherche et Développement » de l’entreprise « Eco’Electro » fabriquant des produits chimiques par électrolyse (comme de l’eau de Javel ou du dihydrogène). Afin de réduire ses coûts et sa dépendance énergétique, la direction vous demande de mettre au point un dispositif permettant de produire de l’électricité à bas coût tout en s’inscrivant dans un dispositif de développement durable. Elle vous oriente sur la valorisation des déchets d’origine végétale qui constitue une matière première bon marché et renouvelable dont l’exploitation est non polluante. Il vous est donc demandé de fabriquer un générateur biosourcé puis de l’utiliser pour fabriquer un composé par électrolyse. À l’issue de vos recherches, vous rédigerez un compte-rendu, et vous présenterez oralement vos résultats et vos conclusions.

Ce que vous allez apprendre :

• De l’énergie est stockée sous forme chimique dans les molécules.

• Il est possible de transformer l’énergie en énergie électrique et vice-versa.

• Les performances électriques d’une pile dépendent de divers facteurs qui peuvent être optimisés.

Ce que vous devez réaliser

� Recherches documentaires à partir du document fourni � Prise de notes sur les ressources documentaires � Tableau récapitulant les différentes solutions possibles pour réaliser un biogénérateur � Recueil des premières idées d’expériences � Rédaction d’un protocole expérimental détaillé, fiche de sécurité � Résultats expérimentaux � Liste des informations recueillies � Compte-rendu sous la forme d'un poster � Présentation orale basée sur un diaporama

2

Expéditeur : PDG Eco’Electro

À : Service Recherche et Développement de Eco’Electro

Objet : Fabrication d’un générateur biosourcé

Chers collègues,

L’entreprise Eco’Electro s’efforce de s’inscrire dans une production « durable » et éco-citoyenne de

produits chimiques. Notre procédé industriel utilisant la technique de l’électrolyse permet d’ores et

déjà de fortement limiter notre empreinte carbone. Toutefois comme vous le savez, si notre procédé,

utilisant exclusivement de l’électricité nous permet de ne pas produire de CO2, nous ne maitrisons pas

actuellement l’amont à savoir la production de l’électricité que nous utilisons. Comme cette dernière

s’accompagne souvent de production de CO2, les produits chimiques que nous fabriquons à

Eco’Electro présentent donc une empreinte carbone indirecte que nous souhaiterions diminuer.

De plus, vous n’êtes pas sans savoir que le coût de l’électricité augmente ce qui nuit à notre

compétitivité.

Eco’Elecro doit donc tendre vers une indépendance énergétique en produisant sa propre électricité de

la manière la plus « verte » possible. Pour cela un parc éolien et des panneaux photovoltaïquesont

déjà été installés. J’aimerais que ce parc « énergie renouvelable » soit complété par un dispositif

moins sensible aux aléas de la météo.

C’est pourquoi je vous demande de réfléchir à la fabrication d’un générateur à partir de matières

végétales et/ou de déchets agricoles ou ménagers. Une fois le générateur construit vous testerez ses

performances pour déterminer s’il peut servir à alimenter nos électrolyseurs. Soyez imaginatifs ! Je

vous encourage à tester diverses matières premières pour fabriquer votre générateur et à choisir le

dispositif qui offrira les meilleures performances.

Je vous demande donc de :

- lire attentivement le support documentaire ;

- établir plusieurs équipes ;

- au sein de chaque équipe, établir des stratégies expérimentales, et mener les travaux

associés ;

- rédiger un compte-rendu de vos travaux, par exemple sous la forme d'un poster ;

- participer à un séminaire de réflexion où seront discutés les résultats des différentes équipes.

À l’issue de ce séminaire, la mise en commun de vos résultats permettra l’élaboration d’un plan

d’évolution de notre chaîne de production.

Le Président Directeur Générale de Eco’Electro

EEEECCCCOOOO’’’’EEEELLLLEEEECCCCTTTTRRRROOOO ���

3

Un générateur biologique

Dossier élève

Résumé de projet et lettre de mission

Version destinée à préparer les conférences

1

Un générateur biologique

Résumé du projet

Ce que vous allez faire

Vous travaillez dans le service « Recherche et Développement » de l’entreprise « Eco’Electro » fabriquant des produits chimiques par électrolyse (comme de l’eau de Javel ou du dihydrogène). Afin de réduire ses coûts et sa dépendance énergétique, la direction vous demande de mettre au point un dispositif permettant de produire de l’électricité à bas coût tout en s’inscrivant dans un dispositif de développement durable. Elle vous oriente sur la valorisation des déchets d’origine végétale qui constitue une matière première bon marché et renouvelable dont l’exploitation est non polluante. Il vous est donc demandé de fabriquer un générateur biosourcé puis de l’utiliser pour fabriquer un composé par électrolyse. Ce projet sera présenté au congrès annuel des entreprises innovantes éco-responsables

Ce que vous allez apprendre :

• De l’énergie est stockée sous forme chimique dans les molécules.

• Il est possible de transformer l’énergie en énergie électrique et vice-versa.

• Les performances électriques d’une pile dépendent de divers facteurs qui peuvent être optimisés.

Ce que vous devez réaliser

� Recherches documentaires à partirdu document fourni � Prise de notes sur les ressources documentaires � Tableau récapitulant les différentes solutions possibles pour réaliser un biogénérateur � Recueil des premières idées d’expériences � Rédaction d’un protocole expérimental détaillé, fiche de sécurité � Résultats expérimentaux � Liste des informations recueillies � Compte-rendu sous la forme d'un poster � Présentation orale basée sur un diaporama � Sélection d’une ou deux équipes pour présenter un poster et les travaux lors du

regroupement national.

2

Expéditeur : PDG Eco’Electro

À : Service Recherche et Développement de Eco’Electro

Objet : Fabrication d’un générateur biosourcé

Chers collègues,

L’entreprise Eco’Electro s’efforce de s’inscrire dans une production « durable » et éco-citoyenne de

produits chimiques. Notre procédé industriel utilisant la technique de l’électrolyse permet d’ores et déjà

de fortement limiter notre empreinte carbone. Toutefois comme vous le savez, si notre procédé, utilisant

exclusivement de l’électricité nous permet de ne pas produire de CO2, nous ne maitrisons pas

actuellement l’amont à savoir ? la production de l’électricité que nous utilisons. Comme cette dernière

s’accompagne souvent de production de CO2, les produits chimiques que nous fabriquons à Eco’Electro

présentent donc une empreinte carbone indirecte que nous souhaiterions diminuer.De plus, vous n’êtes

pas sans savoir que le coût de l’électricité augmente ce qui nuit à notre compétitivité.

Eco’Elecro doit donc tendre vers une indépendance énergétique en produisant sa propre électricité de la

manière la plus « verte » possible. Pour cela un parc éolien et des panneaux photovoltaïquesont déjà été

installés. J’aimerais que ce parc « énergie renouvelable » soit complété par un dispositif moins sensible

aux aléas de la météo.

C’est pourquoi je vous demande de réfléchir à la fabrication d’un générateur à partir de matières

végétales et/ou de déchets agricoles ou ménagers. Une fois le générateur construit vous testerez ses

performances pour déterminer s’il peut servir à alimenter nos électrolyseurs. Soyez imaginatifs ! Je vous

encourage à tester diverses matières premières pour fabriquer votre générateur et à choisir le dispositif

qui offrira les meilleures performances.

Je vous demande donc de :

- lire attentivement le support documentaire ;

- établir plusieurs équipes ;

- au sein de chaque équipe, établir des stratégies expérimentales, et mener les travaux associés ;

- rédiger un compte-rendu de vos travaux, par exemple sous la forme d'un poster ;

- participer à un séminaire de réflexion où seront discutés les résultats des différentes équipes.

À l’issue de ce séminaire, une ou deux équipes de recherche participera au congrès annuel des

entreprises innovantes éco-responsables qui aura lieu à Lyon pour présenter la solution que nous

adopterons dans notre chaîne de production.

Le Président Directeur Générale de Eco’Electro

EEEECCCCOOOO’’’’EEEELLLLEEEECCCCTTTTRRRROOOO ���

3

Un générateur biologique

Dossier élève

Apport documentaire

4

Support documentaire

- Conception d’un générateur biosourcé pour faire fonctionner un électrolyseur -

Alors que nous savons aujourd’hui que les ressources de notre planète sont limitées, nous utilisons de

plus en plus de technologies consommatrices d’énergie. Depuis l’invention de la première pile

électrique par Volta (1799), le nombre d’appareils fonctionnant à l’aide du courant électrique n’a fait

que croître et il serait aujourd’hui bien difficile de nous priver de ces appareils qui ont envahi notre

quotidien et qui consomment parfois inutilement de l’énergie.

1. Qu’est-ce qu’une pile ?

Une pile est un générateur électrique. Elle contient des électrodes métalliques qui plongent dans un

électrolyte. Un électrolyte est une substance liquide ou solide dans laquelle le déplacement d’ions est

possible, ce qui assure la fermeture du circuit électrique à l’intérieur de la pile.

Comment définir les performances d’une pile ?

Les performances d’une pile peuvent être évaluées en considérant la tension délivrée aux bornes de la

pile et le courant qu’elle est capable de fournir à un circuit électrique. L’électrolyte, bien

qu’indispensable au fonctionnement de la pile, induit l’existence d’une résistance interne à la pile

néfaste pour ses performances. Il faut donc essayer de limiter au maximum la résistance interne. Cela

est possible en faisant en sorte que les ions de l’électrolyte soient les plus mobiles possibles.

2. Regarder l’histoire des sciences pour avoir des idées

Volta inventa en 1799 la première pile électrique en empilant des lames de cuivre et de zinc entrecoupé

de feuilles de papier ou de tissu imbibées d’eau salée ou acidulée. Entre 1829 et 1836, Antoine César

Becquerel et John Daniell ont l’idée d’utiliser du liquide pour faire passer le courant entre des lames de

cuivre et de zinc. Une pile de Volta possédait une tension de l’ordre de 12 V. Une pile de Daniell donne

une tension de l’ordre de 1 V. Dès 1800 Volta s’était rendu compte qu’en fabriquant plusieurs petites

piles et en les associant correctement ensemble, il obtenait une pile plus « puissante » : il fallait mettre

différentes piles en batterie (c'est-à-dire les brancher en série les unes à la suite des autres).

3. Une pile… bio ?

Depuis la fin des années 90, la Chimie Verte qui mélange Chimie et Développement Durable s’intéresse

dans tous les domaines à minimiser les gaspillages. Chaque année, chaque français jette 20 kilos de

nourriture dont 20 % de fruits et légumes abimés. D’un autre côté chaque année 500 millions de pièces

de 1 centime d’euros (en acier plaquée cuivre) disparaissent dans la zone Euro. Voilà une matière

première rêvée pour fabriquer un générateur.

5

4. Comment intégrer le caractère biosourcé ?

On peut faire des piles en utilisant l’acidité de fruits et ou légumes. Par exemple en piquant des tiges

métalliques dans des pommes de terre on s’aperçoit qu’une tension apparait entre les tiges métalliques.

Ce résultat est-il général à tous les fruits et légumes ?Ces quelques photos semblent plaider en faveur

de cette hypothèse.

5. Utiliser des récepteurs adaptés aux générateurs fabriqués

Un récepteur nécessite une puissance minimale délivrée pour fonctionner. Une pile ne pourra faire

fonctionner un récepteur que si la puissance délivrée (produit de la tension et de l’intensité) est

suffisante. Il est donc nécessaire d’optimiser le générateur formé pour faire fonctionner un

électrolyseur (récepteur cible dans ce travail). Pour cela les pistes que l’on peut proposer sont :

• tester différents types électrolytes,

• tester différentes électrodes,

• tester la concentration de l’électrolyte,

• tester la forme de la pile,

• etc…

Conclusion Les fruits, légumes et autres composés végétaux présentant une acidité, peuvent être utilisés pour concevoir des piles et produire de l’électricité. Il s’agit d’une énergie chimique renouvelable qui peut être exploitée pour produire de l’hydrogène (électrolyse de l’eau) ou de l’eau de javel (électrolyse de l’eau salée).