Travaux Personnels Encadr

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Travaux Personnels Encadrés
Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent ZABLOCKI

• 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
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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 ?

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Introduction

• Léconomie mondiale est basée sur des énergies
  fossiles qui sont amenées à disparaître.
• 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.

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Plan de lexposé

• Première partie De la photosynthèse aux
  biocarburants
• Seconde partie La technologie photovoltaïque
• Troisième partie Un progrès pour
  lenvironnement ?

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Première partie De la photosynthèse aux
biocarburants
I) La photosynthèse, production de matière
organique

• Introduction
• 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.
• En pratique, la photosynthèse chez les plantes
  peut être représentée par léquation suivante 
• 6 H2O  6 CO2 énergie lumineuse ? 6
  O2   C6H12O6

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A) La localisation de la photosynthèse chez les
plantes
Cellules végétales chargées de chloroplastes
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Schématisation d'un chloroplaste
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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 lœil 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
  dune protéine membranaire antennaire chargée de
  capter les photons.

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

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• 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.
• 2H2O ? O2 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.

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• b) Transformation en énergie chimique

• 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.
• Ces molécules énergétiques sont utilisées dans la
  phase suivante pour la fabrication de glucides à
  partir du CO2.

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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.
• 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.

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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.

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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.
• 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.

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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.
• Lobjectif de la production de bioéthanol est de
  transformer le sucre contenu dans les plantes en
  alcool.

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A) Transformation de matière végétale en sucre
puis en alcool
1) Du végétal à un sucre fermentescible
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a) Départ dune matière sucrière
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b) Départ dune matière amylacée
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c) Départ dune matière cellulosique
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2) La fermentation alcoolique transformation de
sucre en alcool
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a) La glycolyse

• 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.
• Léquation bilan de la glycolyse est
• C6H12O6 2 ADP 2 HPO42- 2 NAD
• ?
• 2 CH3-CO-COOH 2 ATP 2 (NADH,H) 2 H2O

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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

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Expérience de fermentation alcoolique
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Transformation des sucres fermentescibles en
éthanol absolu

• Tamis moléculaire

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B)Utilisation de léthanolcomme 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 avec de lisobutylène pour
  obtenir de lETBE (éthyl-tertio butyl-éther).

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• Conclusion
• 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.

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Seconde partie La technologie photovoltaïque
I) Le principe dune cellule photovoltaïque

• Introduction
• Les cellules photovoltaïques utilisent les
  photons de la lumière pour produire de lénergie
  électrique

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Chaque cellule est divisible en cinq parties
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Composition de la couche électriquement négative

• Silicium dopé N

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Composition de la couche électriquement positive

• Silicium dopé P

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La circulation des électrons
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• 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.

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

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(No Transcript)
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II) La fabrication des cellules 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.

37
Principe de fabrication
38
Interview de Daniel LINCOTDirecteur 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.
• Ce type de cellule fournit un avenir prometteur
  au photovoltaïque, cependant cette alternative
  restera marginale face au énergies issues du
  nucléaire et du charbon.

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Troisième partie Un progrès pour
lenvironnement ?

• Introduction
• Les biocarburants et la technologie
  photovoltaïque permettent dutiliser lénergie
  solaire.
• Ces énergies sont des alternatives renouvelables,
  elles possèdent des avantages et des
  inconvénients.

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A) Les points forts et les limites des
biocarburants
1) Les principaux avantages

• 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.

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• La présence doxygène dans lalcool améliore la
  combustion, ce qui réduit lémission de gaz
  polluants.

• Valorisation des zones rurales.
• Préserve les réserves dhydrocarbures, pouvant
  être utilisés dans les filières où il nexiste
  pas encore de substituts.

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2) Les principaux inconvénients

• 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 de grandes surfaces de cultures.

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

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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.

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B) Les points forts et les limites de la
technologie photovoltaïque
1) Les principaux avantages

• La production délectricité grâce aux piles
  solaires est propre et respectueuse pour
  lenvironnement.
• Les panneaux solaires peuvent être installés
  partout, et sont extrêmement fiables.
• Même endommagés, ils sont non polluants.

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

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

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2) Les principaux inconvénients

• 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.
• Lapport énergétique des panneaux solaires reste
  par rapport à linvestissement initial
  relativement faible comparé aux autres énergies.

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

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Conclusion générale

• 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.
• 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.

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Julien CALIEZ Baptiste HEILES Laurent ZABLOCKI

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• (Professeurs MM. LEFORT et MANSART)

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