Un bioologique Un générateur bioologique nérateur
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Un bioologique Un générateur bioologique nérateur
1 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 Domaine conceptuel Situation Investigation Production Durée indicative Energie, ie, Production d’électricité, Bioressources, Chimie Chimie durable, durable Piles électrochimiques Les élèves sont des scientifiques travaillant dans une entreprise qui doivent réfléchir à la conception d’un générateur biosourcé dans une optique de chimie durable. durable Travail expérimental et recherches documentaires Compte-rendu rendu sous la forme d'un poster Présentation orale basée sur un diaporama 7 séances de 1h30 2 Un générateur biologique Ce projet a été proposé par Eric Jacques* ([email protected]), (eric.jacques@ac .fr), Lycée Louis Vincent Metz et Jean-Baptiste ROTA (jean-baptiste.rota@ac [email protected]), fr), Lycée Henri Poincaré Nancy. Nancy Finalisation et adaptation au dispositif Chain Cha Reaction : CIFOP. Descriptif pour les professeurs Résumé Dans ce projet pédagogique, les élèves endossent le rôle de chercheurs dans le service Recherche et Développement d’une entreprise e qui cherche à diminuer ses coûts énergétiques et à fabriquer une électricité la plus « verte » possible afin d’alimenter ses procédés industriels. Dans ce cadre, ils doivent mener mener un travail expérimental sur la fabrication d’un générateur biosourcépermettant permettant d’alimenter un récepteur pouvant modéliser la chaine de production : par exemple un électrolyseur pour produire de l’eau de Javel ou du dihydrogène. Savoirs mis en jeu • • Connaissances ances de collège sur la pile, les récepteurs électriques et les appareils de mesure en électricité. Connaissances de collège sur la pile électrochimique et la conversion d’énergie chimique en énergie électrique. Canevas Présentation du projet Courrier électronique du PDG de Eco’Electro Support documentaire “Conception d’une pile biosourcée” Travail expérimental Recherches documentaires Rédaction d’un compte-rendu compte Présentation orale 3 Compétences visées • • • • • • • • S’approprier des notions et des modèles scientifiques pour énoncer une problématique. Proposer diverses stratégies pour répondre à la problématique. problématique Évaluer les risques et mettre en œuvre les règles de sécurité au laboratoire. laboratoire Concevoir et réaliser un travail expérimental. expérimental Obtenir et enregistrer des données (sources primaires et secondaires). secondaires) Proposer un modèle cohérent avec avec les observations ou les mesures. mesures Analyser les résultats de manière critique. critique Utiliser les outils de communication appropriés, y compris les TICE, pour rendre compte de son travail et discuter des questions scientifiques. scientifiques Cette activité est aussi l’occasion pour les élèves de : • Rechercher, expérimenter, discuter et développer des arguments. arguments • Partir d’exemples de la vie courante pour développer son sens de la curiosité. curiosité Prérequis Avant de se lancer dans ce projet, les élèves devraient avoir quelques connaissances de basesur 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 conversion de l’énergie rgie 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 Séances 2 à 4 Séances 5 et 6 Séance 7 Lancement Fiche « Résumé du projet » Courrier électronique Support documentaire « Conception d’un générateur biosourcé » Travail expérimental et recherches documentaires Rédaction d’un compte-rendu compte Présentation orale Classe entière Groupes de 2 à 4 élèves avec répartition des tâches Groupes Classe entière 4 Indications pour la mise en œuvre A. Modalités L’enseignant fournit aux élèves la fiche “Résumé du projet”. Celle-ci Celle récapitule l’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 qui définitt le cadre du travail. Il leur remet aussi le support documentaire intitulé « Conception d’un générateur biosourcé» biosourcé qui donne des indications sur le travail à accomplir. Ce projet permet de réaliser une démarche d’investigation motivante sur l’utilisation des bio-ressources ressources en vue d’une application concrète,, et la mise en commun des observations afin de fabriquer un dispositif le plus efficace possible. À l’issue de leurs expérimentations, les élèves rédigeront un compte-rendu. compte Puis chaque groupe désignera un rapporteur qui rendra compte oralement du travail réalisé (les différents membres du groupe peuvent aussi se partager le comptecompte rendu oral). B. Activités expérimentales Le cœur du travail expérimental consiste à fabriquer une pile électrochimique en utilisant ilisant des fruits, des légumes ou d’autres substances végétales comme électrolyte. Pour chaque objet créé on cherchera à déterminer la puissance que peut délivrer la pile et on testera si s le dispositif est suffisamment efficace pour faire une électrolyse. Il sera nécessaire de mettre plusieurs cellules en sé érie (environ une dizaine) pour que la puissance délivrée soit suffisante. Avant de commencer les expériences, un brainstorming sera réalisé alisé avec les élèves afin qu’ils proposent leurs idées. 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 apportées, apport , en comprenant pourquoi son idée ne marche pas, 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 C. Sécurité Il est de votre responsabilité d’établir votre propre fiche de sécurité associée assoc aux expériences envisagées. A priori les substances utilisées ne présentent pas de risque particulier. 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 ECO’ELECTRO 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 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 ECO’ELECTRO 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 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).