Travaux Travaux Personnels Personnels EncadrésEncadrés

Sciences et Vie de la Terre et Sciences et Vie de la Terre et

Physique ChimiePhysique Chimie(Professeurs MM. LEFORT et (Professeurs MM. LEFORT et

MANSART)MANSART)

Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent ZABLOCKIZABLOCKI

2006/202006/200707

Lycée Notre-Lycée Notre-Dame de la Dame de la

PROVIDENCEPROVIDENCE

Classe : 1Classe : 1èreère S1 S1

Thème : Thème : Environnement et Environnement et

ProgrèsProgrès

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

IntroductionIntroduction

• L’économie mondiale est basée sur des L’économie mondiale est basée sur des énergies fossiles qui sont amenées à énergies fossiles qui sont amenées à disparaître.disparaître.

• L’utilisation de ces énergies est source de L’utilisation de ces énergies est source de pollution.pollution.

• Il existe des substituts renouvelables. La Il existe des substituts renouvelables. La plupart sont issus de l’énergie solaire, plupart sont issus de l’énergie solaire, comme par exemple les biocarburants et comme par exemple les biocarburants et le photovoltaïque.le photovoltaïque.

Plan de l’exposéPlan de l’exposé

• Première partiePremière partie : De la photosynthèse : De la photosynthèse aux aux biocarburants biocarburants

• Seconde partieSeconde partie : La technologie : La technologie photovoltaïquephotovoltaïque

• Troisième partieTroisième partie : Un progrès pour : Un progrès pour

l’environnement ?l’environnement ?

Première partie :Première partie :De la photosynthèse aux De la photosynthèse aux

biocarburantsbiocarburants

Introduction :Introduction :

La photosynthèse est la conversion d’énergie solaire en énergie chimique.La photosynthèse est la conversion d’énergie solaire en énergie chimique.

Chez les plantes, l’ensemble des réactions se déroulant lors de ce processus 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 est habituellement décrit en deux phases : la première requiert l’énergie de la lumière, la seconde phase aboutit à la production de sucre.lumière, la seconde phase aboutit à la production de sucre.

En pratique, la photosynthèse chez les plantes peut être représentée par En pratique, la photosynthèse chez les plantes peut être représentée par l’équation suivante :l’équation suivante :

6 H6 H22O + 6 COO + 6 CO22 + énergie lumineuse + énergie lumineuse 6 O 6 O22 +  C +  C66HH1212OO66

I) La photosynthèse, production de matière I) La photosynthèse, production de matière organiqueorganique

A) A) La localisation de la La localisation de la photosynthèse chez les plantesphotosynthèse chez les plantes

Cellules végétales chargées de chloroplastes

Schématisation d'un Schématisation d'un

chloroplastechloroplaste

B) B) La phase photochimique

1)1) Absorption de la lumièreAbsorption de la lumière

a) a) Les pigments :Les pigments :

Le captage des photons fait appel à des pigments, c'est-à-dire Le captage des photons fait appel à des pigments, c'est-à-dire des molécules apparaissant colorées à l’œil humain car elles des molécules apparaissant colorées à l’œil humain car elles absorbent une partie du spectre lumineux.absorbent une partie du spectre lumineux.

La chlorophylle est le principal pigment utilisé pour la La chlorophylle est le principal pigment utilisé pour la photosynthèse.photosynthèse.

Les molécules de pigment sont incorporées au sein d’une Les molécules de pigment sont incorporées au sein d’une protéine membranaire antennaire chargée de capter les protéine membranaire antennaire chargée de capter les photons. photons.

Structure et localisation des Structure et localisation des pigmentspigments

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)b) Le transfert d’excitationLe transfert d’excitation

Quand un pigment capte un photon, il entre dans un état excité. Cette 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 excitation est transmise de pigment à pigment pour arriver à un point d’utilisation.d’utilisation.

Il existe dans la membrane des thylakoïdes deux types de centres Il existe dans la membrane des thylakoïdes deux types de centres réactionnels structurés en antenne collectrice appelés photosystème I réactionnels structurés en antenne collectrice appelés photosystème I et II.et II.

2) 2) Utilisation de l’énergie lumineuseUtilisation de l’énergie lumineuse

a) a) La photolyse de l’eauLa photolyse de l’eau Dans les photosystèmes, l’énergie d’excitation collectée est Dans les photosystèmes, l’énergie d’excitation collectée est

utilisée pour arracher un électron à la molécule d’eau.utilisée pour arracher un électron à la molécule d’eau.

2H2H22O O → O→ O22 + 4H + 4H++ + 4e + 4e--

Les protons libérés par Les protons libérés par la photolyse de l’eau la photolyse de l’eau dans le thylakoïde dans le thylakoïde créent un gradient de créent un gradient de protons à l’intérieur de protons à l’intérieur de la membrane. Le la membrane. Le transfert des protons à transfert des protons à travers la membrane travers la membrane engendre de l’ATP. engendre de l’ATP.

La circulation des électrons à La circulation des électrons à travers la membrane, pour passer travers la membrane, pour passer du photosystème II au du photosystème II au photosystème I, aboutit également photosystème I, aboutit également à l’élaboration d’ATP. à l’élaboration d’ATP.

Une molécule appelée ferrédoxine Une molécule appelée ferrédoxine va, grâce à l’excitation transmise va, grâce à l’excitation transmise par les pigments, capter un par les pigments, capter un électron nécessaire à la fabrication électron nécessaire à la fabrication de NADPH à partir de NADP. de NADPH à partir de NADP.

Ces molécules énergétiques sont Ces molécules énergétiques sont utilisées dans la phase suivante utilisées dans la phase suivante pour la fabrication de glucides à pour la fabrication de glucides à partir du COpartir du CO22..

b) b) Transformation en énergie chimiqueTransformation en énergie chimique

C) C) La phase de La phase de production de matière production de matière organiqueorganique

L’assimilation du dioxyde de carbone dans le but de former des L’assimilation du dioxyde de carbone dans le but de former des glucides met en jeu un ensemble de réactions chimiques qui se glucides met en jeu un ensemble de réactions chimiques qui se déroule dans le stroma des chloroplastes, à l’extérieur des déroule dans le stroma des chloroplastes, à l’extérieur des thylakoïdes.thylakoïdes.

La synthèse de glucides fait intervenir un cycle de réactions La synthèse de glucides fait intervenir un cycle de réactions catalysé par treize enzymes. Celui-ci est appelé cycle de Calvin.catalysé par treize enzymes. Celui-ci est appelé cycle de Calvin.

Le cycle consomme de l’énergie sous forme d'ATP et utilise du Le cycle consomme de l’énergie sous forme d'ATP et utilise du NADPH + HNADPH + H++ qui procure des électrons et des protons au cycle de qui procure des électrons et des protons au cycle de Calvin.Calvin.

Le cycle de Le cycle de CalvinCalvin

Le glucide produit Le glucide produit directement par le cycle directement par le cycle de Calvin n'est pas du de Calvin n'est pas du glucose mais un glucose mais un monosaccharide appelé monosaccharide appelé PGAL PGAL (phosphoglycéraldéhyde(phosphoglycéraldéhyde) composé de trois ) composé de trois carbones. carbones.

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

Conclusion Conclusion ::

Les énergies non renouvelables fossiles que nous utilisons Les énergies non renouvelables fossiles que nous utilisons (charbon, gaz et pétrole) ont été fabriquées par la photosynthèse (charbon, gaz et pétrole) ont été fabriquées par la photosynthèse il y a des millions d’années. il y a des millions d’années.

Aujourd’hui une partie des énergies renouvelables sont obtenues Aujourd’hui une partie des énergies renouvelables sont obtenues par transformation de la biomasse produite par la photosynthèse, par transformation de la biomasse produite par la photosynthèse, c’est le cas par exemple des biocarburants.c’est le cas par exemple des biocarburants.

Actuellement, l’utilisation de la photosynthèse pour des besoins Actuellement, l’utilisation de la photosynthèse pour des besoins énergétiques est mineure par rapport à l’énergie lumineuse que énergétiques est mineure par rapport à l’énergie lumineuse que nous envoie le Soleil. Ce qui souligne l’intérêt de mieux récupérer nous envoie le Soleil. Ce qui souligne l’intérêt de mieux récupérer l’énergie de la photosynthèse pour la production d’énergie.l’énergie de la photosynthèse pour la production d’énergie.

II) La fabrication des II) La fabrication des biocarburantsbiocarburants

Introduction :Introduction : Les biocarburants sont des carburants Les biocarburants sont des carburants

issus de la biomasse végétale.issus de la biomasse végétale.

Le biodiesel et le bioéthanol sont les Le biodiesel et le bioéthanol sont les biocarburants les plus répandus.biocarburants les plus répandus.

L’objectif de la production de bioéthanol L’objectif de la production de bioéthanol est de transformer le sucre contenu dans est de transformer le sucre contenu dans les plantes en alcool.les plantes en alcool.

A) A) Transformation de matière Transformation de matière végétale en sucre puis en alcoolvégétale en sucre puis en alcool

1) 1) Du végétal à un sucre fermentescibleDu végétal à un sucre fermentescible

a)a) Départ d’une matière sucrière Départ d’une matière sucrière

b)b) Départ d’une matière amylacée Départ d’une matière amylacée

c)c) Départ d’une matière cellulosique Départ d’une matière cellulosique

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

La glycolyse est un mécanisme de régénération La glycolyse est un mécanisme de régénération de l’ATP qui se déroule en anaérobie.de l’ATP qui se déroule en anaérobie.

La glycolyse correspond à l’oxydation du La glycolyse correspond à l’oxydation du glucose en pyruvates à l’aide de coenzymes.glucose en pyruvates à l’aide de coenzymes.

L’équation bilan de la glycolyse est :L’équation bilan de la glycolyse est :

CC66HH1212OO66 + 2 ADP + 2 HPO + 2 ADP + 2 HPO442−2− + 2 NAD + 2 NAD++

↓↓2 CH2 CH33-CO-COOH + 2 ATP + 2 (NADH,H-CO-COOH + 2 ATP + 2 (NADH,H++) + 2 ) + 2

HH22OO

a) a) La glycolyseLa glycolyse

b) b) Transformation des pyruvates Transformation des pyruvates en éthanolen éthanol

Permet au NADH,HPermet au NADH,H+ + de retrouver sa de retrouver sa forme initiale de NADforme initiale de NAD++

Les deux pyruvates issus de la glycolyse Les deux pyruvates issus de la glycolyse sont transformés en éthanol et en COsont transformés en éthanol et en CO22

Le bilan général des réactions se Le bilan général des réactions se déroulant dans la cellule est :déroulant dans la cellule est :

Glucose + 2 ADP + 2 HPOGlucose + 2 ADP + 2 HPO442−2−

↓↓

2 éthanol (CH2 éthanol (CH33CHCH22OH) + 2 COOH) + 2 CO22 + 2 ATP + 2 ATP

Expérience de fermentation Expérience de fermentation alcooliquealcoolique

Transformation des sucres Transformation des sucres fermentescibles en éthanol absolufermentescibles en éthanol absolu

Tamis Tamis moléculairemoléculaire

B)B)Utilisation de l’éthanolUtilisation de l’éthanolcomme carburantcomme carburant

On peut réaliser des carburants à partir On peut réaliser des carburants à partir d’éthanol de différentes manières :d’éthanol de différentes manières :

Soit en l’incorporant directement à de Soit en l’incorporant directement à de l’essence traditionnelle à un taux de 85% l’essence traditionnelle à un taux de 85% pour des moteurs adaptés (E85).pour des moteurs adaptés (E85).

Soit en l’incorporant avec de l’isobutylène Soit en l’incorporant avec de l’isobutylène pour obtenir de l’ETBE (pour obtenir de l’ETBE (éthyl-tertio éthyl-tertio butyl-éther).butyl-éther).

Conclusion :Conclusion :

Le principe des biocarburants est Le principe des biocarburants est innovant car il permet d’utiliser les innovant car il permet d’utiliser les plantes issues de la photosynthèse.plantes issues de la photosynthèse.

Les biocarburants sont donc un produit Les biocarburants sont donc un produit dérivé de la photosynthèse et donc, par dérivé de la photosynthèse et donc, par extension une énergie solaire.extension une énergie solaire.

Seconde partie :Seconde partie :La technologie La technologie photovoltaïquephotovoltaïque

Introduction :Introduction : Les cellules photovoltaïques utilisent les photons de la Les cellules photovoltaïques utilisent les photons de la

lumière pour produire de l’énergie électrique:lumière pour produire de l’énergie électrique:

I) I) Le principe d’une cellule Le principe d’une cellule photovoltaïquephotovoltaïque

Chaque cellule est divisible en cinq Chaque cellule est divisible en cinq partiesparties

Composition de la Composition de la couche électriquement couche électriquement

négativenégative Silicium dopé N:Silicium dopé N:

Composition de la Composition de la couche électriquement couche électriquement

positivepositive Silicium dopé P:Silicium dopé P:

La circulation des La circulation des électronsélectrons

• Les électrons Les électrons doivent doivent changer d’état changer d’état quantique quantique pour combler pour combler le déficit en le déficit en électrons de la électrons de la seconde seconde couche.couche.

• Cependant, la Cependant, la migration des migration des électrons ne électrons ne s’effectue que s’effectue que s’il y a un s’il y a un apport apport d’énergie d’énergie suffisant.suffisant.

• A la surface de la cellule photovoltaïque est A la surface de la cellule photovoltaïque est placée une couche anti-réflective pour perdre placée une couche anti-réflective pour perdre le moins possible de photons et protéger la le moins possible de photons et protéger la cellule des variations de températures et de cellule des variations de températures et de l’humidité.l’humidité.

• Enfin, au-dessous de la cellule est placé un Enfin, au-dessous de la cellule est placé un matériau protecteurmatériau protecteur

• La récupération de la lumière est également La récupération de la lumière est également améliorée par la teinte noire de la cellule et sa améliorée par la teinte noire de la cellule et sa porosité.porosité.

Vue en Vue en coupe coupe d’une d’une cellule cellule

photovoltaïphotovoltaïqueque Pile solaire à Pile solaire à

rendement rendement moyenmoyen

Pile solaire à Pile solaire à rendement rendement

recordrecord

II) La fabrication des II) La fabrication des cellules CIScellules CIS

• Les cellules à rendements records Les cellules à rendements records sont aujourd’hui des cellules de sont aujourd’hui des cellules de type CIS.type CIS.

• Sans modifier le principe Sans modifier le principe photovoltaïque, le changement photovoltaïque, le changement des matériaux composant cette des matériaux composant cette cellule, double les rendements et cellule, double les rendements et améliore sa fabrication.améliore sa fabrication.

Principe de Principe de fabricationfabrication

Interview de Daniel LINCOTInterview de Daniel LINCOTDirecteur de recherche au Directeur de recherche au

C.N.R.S.C.N.R.S.

Conclusion :Conclusion :

• L’efficacité du CIS est L’efficacité du CIS est démontrée par leurs rendements démontrée par leurs rendements élevés, proches de 41% soit plus élevés, proches de 41% soit plus de deux fois les rendements des de deux fois les rendements des cellules à homojonction au cellules à homojonction au silicium.silicium.

• Ce type de cellule fournit un Ce type de cellule fournit un avenir prometteur au avenir prometteur au photovoltaïque, cependant cette photovoltaïque, cependant cette alternative restera marginale face alternative restera marginale face au énergies issues du nucléaire et au énergies issues du nucléaire et du charbon.du charbon.

Troisième partieTroisième partie : :Un progrès pour Un progrès pour

l’environnement ?l’environnement ?

Introduction :Introduction :

Les biocarburants et la technologie Les biocarburants et la technologie photovoltaïque permettent d’utiliser l’énergie photovoltaïque permettent d’utiliser l’énergie solaire.solaire.

Ces énergies sont des alternatives Ces énergies sont des alternatives renouvelables, elles possèdent des avantages renouvelables, elles possèdent des avantages et des inconvénients.et des inconvénients.

A) A) Les points forts et les Les points forts et les limites des biocarburantslimites des biocarburants

L’utilisation de biocarburants L’utilisation de biocarburants permet de réduire les émissions de permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre.gaz à effet de serre.

Leur résistance à l’auto Leur résistance à l’auto inflammation est élevée, ce qui inflammation est élevée, ce qui permet aux moteurs d’être plus permet aux moteurs d’être plus performants.performants.

1) 1) Les principaux avantagesLes principaux avantages

La présence d’oxygène dans l’alcool améliore la La présence d’oxygène dans l’alcool améliore la combustion, ce qui réduit l’émission de gaz polluants.combustion, ce qui réduit l’émission de gaz polluants.

Valorisation des zones rurales.Valorisation des zones rurales. Préserve les réserves d’hydrocarbures, Préserve les réserves d’hydrocarbures,

pouvant être utilisés dans les filières où il pouvant être utilisés dans les filières où il n’existe pas encore de substituts.n’existe pas encore de substituts.

Une production agricole intensive réalisée Une production agricole intensive réalisée à l’aide de pesticides et d’engrais qui à l’aide de pesticides et d’engrais qui entraîne une pollution des sols et des eaux.entraîne une pollution des sols et des eaux.

Nécessite une grande quantité d’eau.Nécessite une grande quantité d’eau. Nécessite de grandes surfaces de cultures. Nécessite de grandes surfaces de cultures.

2) 2) Les principaux inconvénientsLes principaux inconvénients

La France ne serait pas à même La France ne serait pas à même d’alimenter son réseau de distribution. La d’alimenter son réseau de distribution. La culture des biocarburants pourrait donc se culture des biocarburants pourrait donc se faire au dépend des cultures alimentaires.faire au dépend des cultures alimentaires.

Miscible avec l’eau ils sont donc Miscible avec l’eau ils sont donc intransportable par pipeline. intransportable par pipeline.

Les moteurs à éthanol consomment 30% Les moteurs à éthanol consomment 30% de plus que les moteurs à essences de plus que les moteurs à essences classiques.classiques.

Conclusion :Conclusion :

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

La production d’électricité grâce aux piles La production d’électricité grâce aux piles solaires est propre et respectueuse pour solaires est propre et respectueuse pour l’environnement.l’environnement.

Les panneaux solaires peuvent être Les panneaux solaires peuvent être installés partout, et sont extrêmement installés partout, et sont extrêmement fiables.fiables.

Même endommagés, ils sont non Même endommagés, ils sont non polluants.polluants.

B) B) Les points forts et les Les points forts et les limites de la technologie limites de la technologie

photovoltaïquephotovoltaïque1) 1) Les principaux avantagesLes principaux avantages

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

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

L’achat de panneaux solaires nécessite un L’achat de panneaux solaires nécessite un investissement onéreux. Cela freine leur investissement onéreux. Cela freine leur développement et diminue donc les développement et diminue donc les bénéfices sur l’environnement.bénéfices sur l’environnement.

La fabrication et le stockage de l’énergie La fabrication et le stockage de l’énergie produite dépend de matériaux hautement produite dépend de matériaux hautement polluants et non dégradables.polluants et non dégradables.

L’apport énergétique des panneaux solaires L’apport énergétique des panneaux solaires reste par rapport à l’investissement initial reste par rapport à l’investissement initial relativement faible comparé aux autres relativement faible comparé aux autres énergies.énergies.

2) 2) Les principaux inconvénientsLes principaux inconvénients

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

Conclusion :Conclusion :

Le photovoltaïque, grâce à ses Le photovoltaïque, grâce à ses nombreuses qualités écologiques nombreuses qualités écologiques représente une source d’énergie très représente une source d’énergie très intéressante.intéressante.

Installer des panneaux solaires sur Installer des panneaux solaires sur une partie des toitures de France une partie des toitures de France suffirait à couvrir les besoins en suffirait à couvrir les besoins en électricité du pays.électricité du pays.

Conclusion généraleConclusion générale

L’utilisation de ces deux énergies reste marginale L’utilisation de ces deux énergies reste marginale malgré les avantages écologiques qu’elles apportent.malgré les avantages écologiques qu’elles apportent.

Les énergies renouvelables sont complémentaires et Les énergies renouvelables sont complémentaires et ne sont efficaces qu’en fonctionnant en corrélation.ne sont efficaces qu’en fonctionnant en corrélation.

Une utilisation en complémentarité de l’ensemble des Une utilisation en complémentarité de l’ensemble des énergies renouvelables pourrait remplacer à long énergies renouvelables pourrait remplacer à long terme les énergies fossiles.terme les énergies fossiles.

Une gestion adaptée de ces énergies permet Une gestion adaptée de ces énergies permet d’associer environnement et progrès.d’associer environnement et progrès.

Travaux Travaux Personnels Personnels EncadrésEncadrés

Sciences et Vie de la Terre et Sciences et Vie de la Terre et

Physique ChimiePhysique Chimie(Professeurs MM. LEFORT et (Professeurs MM. LEFORT et

MANSART)MANSART)

Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent ZABLOCKIZABLOCKI

2006/202006/200707

Lycée Notre-Lycée Notre-Dame de la Dame de la

PROVIDENCEPROVIDENCE

Classe : 1Classe : 1èreère S1 S1