Electricité et Energie

Électricité et Énergie
Séance 1 : S ‘éclairer sur un vélo .
Partir de l’observation d’un vélo… équipé !
Mettre en évidence les 2 systèmes d’éclairage . la pile … s’use définitivement ( comparer avec
l’accumulateur ou la batterie qui se charge ; se décharge et se recharge ).
La « dynamo » ( ou alternateur ) il ne stocke pas l’électricité , mais la produit à la demande. La faire
fonctionner bien sûr .
Déjà s’interroger sur le coût … financier et …écologique
Montrer un alternateur démonté et constater le magnétisme (l’aimant, la bobine , la rotation ) …
Rappel de ce qui a été vu au CM1 sur le moteur électrique . On peut presque affirmer qu’une dynamo c’est
l’inverse d’un moteur
Mouvement  Dynamo  Electricité
Electricité  Moteur 
Mouvement
Réaliser une trace écrite ( texte et schéma de la dynamo démontée )
Piste intéressante : le circuit électrique sur une vélo … une ampoule , 1 seul fil ( l’idée de masse )
Séance 2 . Rappel de la séance précédente
Comment fabriquer de l’électricité ? : il faut faire tourner un alternateur .
Comment faire tourner l’alternateur ?
Déballage
Manipulation .
Expliquer le montage : coupler un alternateur à une « turbine artisanale »( bouchon évidé avec cuillers en
plastique )
Faire tourner la turbine :
• avec la force musculaire
Sortir l’idée de source d’énergie
• avec la force du vent
• avec la force de l’eau
• Mais aussi avec la force de la vapeur (Comment produire de la vapeur ? une cocotte minute ! )
Trace écrite
Les schémas des manipulations
Et faire apparaître les différentes sources d’énergie ( en particulier pour chauffer la cocotte minute ) .
En profiter pour différencier renouvelable et non renouvelable …
Piste : liaison avec l’histoire ( le XIXème et la révolution industrielle ; le charbon , la machine à vapeur ,
Energie et industrie , visite de Lewarde, histoire industrielle de notre région ; littérature : Un chant sous
la terre )
Séance 3 . Une séance « documentaire » : énergie renouvelable ou non ?
Utiliser le film sur le charbon de la série « C’est pas Sorcier » sur La mine pour expliquer la formation du
charbon et montrer des fossiles miniers
Trace écrite : tableau avec les 2 sortes de sources d’énergie … un inventaire des énergies renouvelables et
non renouvelables ( fossiles ) . Terminer par la lecture du doc. ci-dessous
Programmer une sortie chez M Espelle (voisin de l’école) pour voir son installation solaire
La formation du charbon dans le sol.
La formation du charbon dans le sol.
Le charbon a pour origine le bois des forêts
tropicales de l'ère primaire il y a plus de 300
millions d'années. Le charbon résulte de la
décomposition dans l'eau, à l'abri de l'air, de
débris de végétaux terrestres (feuilles, bois,...).
En simplifiant on peut dire que lorsqu'on brûle le
charbon, on récupère l'énergie envoyée par le
soleil sur la Terre et captée par les végétaux il y
a 300 millions d'années.
Le charbon est une ressource naturelle qui
s'épuise et qui est non renouvelable à court
terme.
Le charbon a pour origine le bois des forêts
tropicales de l'ère primaire il y a plus de 300
millions d'années. Le charbon résulte de la
décomposition dans l'eau, à l'abri de l'air, de
débris de végétaux terrestres (feuilles, bois,...).
En simplifiant on peut dire que lorsqu'on brûle le
charbon, on récupère l'énergie envoyée par le
soleil sur la Terre et captée par les végétaux il y
a 300 millions d'années.
Le charbon est une ressource naturelle qui
s'épuise et qui est non renouvelable à court
terme.
Les énergies renouvelables sont utilisées par l'homme
depuis des millénaires : bois de chauffage, traction animale,
chute d'eau ou vent pour des actions mécaniques et plus
récemment l’énergie solaire . Elles ont été supplantées
depuis près de 200 ans par l'utilisation des combustibles
fossiles plus appropriés aux développements industriels.
Les énergies fossiles désignent les énergies que l’on
produit à partir des roches issues de la fossilisation des êtres
vivants : pétrole , gaz naturel charbon ( ou houille) . Elles
sont présentes an quantité limitée et non renouvelables. Leur
combustion entraîne des gaz à effet de serre .
Les énergies renouvelables sont utilisées par l'homme
depuis des millénaires : bois de chauffage, traction animale,
chute d'eau ou vent pour des actions mécaniques et plus
récemment l’énergie solaire . Elles ont été supplantées depuis
près de 200 ans par l'utilisation des combustibles fossiles plus
appropriés aux développements industriels.
Les énergies fossiles désignent les énergies que l’on produit
à partir des roches issues de la fossilisation des êtres vivants :
pétrole , gaz naturel charbon ( ou houille) . Elles sont
présentes an quantité limitée et non renouvelables. Leur
combustion entraîne des gaz à effet de serre .
Séance 4. Produire de l’électricité en grande quantité
Rappel : Réinvestir ce qu’in a trouvé à travers l’annotation de ce schéma
Annote ces schéma , en plaçant dans les étiquettes les mots suivants :
alternateur ; turbine, eau liquide ; électricité ;
combustible ( charbon, gaz ou pétrole) ; vapeur d’eau ; air
Montrer un alternateur et une turbine de centrale thermique classique
Analyser d’une série de chiffres .
Production d’électricité en France ( source ministère de l’industrie)
En milliards de KWH
Thermique classique
( charbon, fioul, gaz)
Nucléaire
Hydraulique , éolien,
photovoltaïque
Total
1973
119,5
1990
48,2
2004
58
14,8
313,7
448,2
48,1
58,3
66
182,4
420,1
572,2
En pourcentage
Thermique classique
( charbon, fioul, gaz)
Nucléaire
Hydraulique , éolien,
photovoltaïque
Total
1973
65,5
1990
11,5
2004
10,1
8,1
74,7
78,3
26,4
13,9
11,5
100%
100%
100%
Lire ces tableaux …. Essayer de les comprendre ( différencier chiffres bruts et %, 1 kilowatt/heure : unité
d’énergie)
Regardons les chiffres bruts … De combien la production d’électricité a-t-elle augmenté en France en 30
ans …
Construire 2 carrés ( dont l’un fait le triple de l’autre en surface) le premier fera 4 de côté … Intéressant à
faire en maths
Puis représenter grossièrement en pourcentage ( travailler avec les quarts et la moitié du quart ! ) les parts
du renouvelable , non renouvelable et du nucléaire .
Constater bien sûr que la France a privilégié la production d’électricité par les centrales nucléaires .
Essayons de comprendre comment ça marche .
Remplissons un deuxième schéma … Montrer la spécificité de la centrale nucléaire ;
Un petit
Annote ces schéma , en plaçant dans les étiquettes les mots suivants :
alternateur ; uranium ; turbine, eau liquide ; électricité ;
combustible( charbon, gaz ou pétrole) ; vapeur d’eau ; air
Séance 4 . Un débat sur le nucléaire .
Donner à lire 2 articles extraits des « Cles de l’actualité Junior » .
Nucléaire 26/04/06
Il y a 20 ans, Tchernobyl…
Le 26 avril 1986, l’explosion d’une partie de la centrale nucléaire de Tchernobyl, en Ukraine, tuait des
milliers de personnes. Aujourd’hui encore, cette catastrophe continue de faire des victimes.
La centrale de Tchernobyl était en mauvais état, elle était mal entretenue,
mal surveillée et le pire est arrivé. L’un de ses réacteurs nucléaires a
explosé, lâchant dans l’atmosphère une énorme quantité de radiations
mortelles. Ce rayonnement est émis par les matériaux utilisés dans les
centrales, comme l’uranium. À fortes doses, il est très dangereux pour
l’homme et la nature. Or, les habitants des villages voisins, les employés
de la centrale et les pompiers chargés d’éteindre le feu ont reçu des doses
énormes de radiation. Beaucoup sont morts, d’autres ont développé des
maladies comme le cancer ou ont eu des enfants nés handicapés.
Les poussières radioactives de Tchernobyl ont survolé l’Europe durant
plusieurs jours. Elles étaient moins radioactives mais elles auraient
entraîné une multiplication des cancers dans certaines régions, notamment
en France.
Réacteur nucléaire : forme de pile géante contenant un minerai,
l’uranium. En de désintégrant, ce minerai produit une grande quantité de
chaleur qui est transformée ensuite en électricité.
La centrale de Tchernobyl quelques jours
après l'explosion
Frédéric Fontaine
Energie
05/07/00
La France peut-elle abandonner le nucléaire ?
Le 15 juin dernier, le Gouvernement allemand a officiellement annoncé qu’il arrêterait toutes ses
centrales nucléaires d’ici 20 ans. Aujourd’hui, des partis politiques demandent que le Gouvernement
français suive cet exemple.
En 2021, toutes les centrales nucléaires allemandes seront arrêtées. Tout
comme l’Allemagne, la plupart des pays européens abandonnent
progressivement cette forme d’énergie. Car les centrales nucléaires produisent
des déchets qui sont dangereux pour la nature et l’homme durant des… millions
d’années. Seule la France continue de développer l’utilisation de l’énergie
nucléaire : elle compte ainsi une vingtaine de centrales nucléaires qui produisent
les trois quarts de notre électricité. Le reste est produit dans des centrales
utilisant le charbon, le pétrole ou la force de l’eau.
Aujourd’hui, le parti politique Les Verts organise un débat à l’Assemblée
nationale pour demander l’arrêt des centrales nucléaires françaises. Mais le
Gouvernement français est opposé à cette demande. Il estime que l’électricité
produite dans les centrales nucléaires est beaucoup moins chère que celle issue des autres centrales. De plus, une
partie de cette électricité française est vendue à l’étranger et rapporte plus de 15 milliards de francs à l’Etat. Le
Gouvernement préfère aussi que la France soit indépendante. L’électricité doit être produite en France et non pas dans
un pays étranger qui pourrait bloquer notre pays en arrêtant de lui fournir cette énergie.
Le Gouvernement estime que ces centrales nucléaires et leurs déchets sont pas dangereux s’ils sont bien surveillés. Et
qu’ils sont moins polluants que le pétrole ou le charbon.
Ce n’est pourtant pas l’avis de la plupart des gouvernements européens. Le parti politique Les Verts compte ainsi sur la
décision de l’Allemagne pour faire réfléchir les citoyens français. Et les inciter à demander au Gouvernement l’arrêt des
centrales nucléaires françaises.
Frédéric Fontaine
En discuter . Arriver à un inventaire des arguments
Pour
Contre
Production massive d’électricité à un coût intéressant
financièrement .
Les Français sont très en pointe dans ce domaine
Les déchets produits par les réacteurs nucléaires sont
On ne dépend pas de l’étranger ( sauf pour trouver de très nocifs et on ne sait pas les traiter.
l’uranium , on n’en a pas dans notre sous-sol )
La production d’électricité dans les centrales
Le risque en cas d’accident est terrible ( Tchernobyl )
nucléaires serait moins dangereuse pour le
réchauffement climatique que la production
d’électricité dans les centrales thermiques classiques
par le charbon
Séance 5 : Évaluation
Prénom
Contrôle Sciences
1°) Savoir s’organiser : le classeur est rangé , corrigé . les recherches sont terminées (3pts)
2°) On a vu trois façons pour allumer une ampoule … (3pts)
On peut l’allumer à l’aide
d’une …………………………….. ou d’une ………………………...ou d’une ……………………….
3°) Complète ce schéma d’une centrale électrique thermique classique à l’aide des mots suivants : (9pts)
alternateur turbine eau liquide électricité combustible (charbon, gaz ou pétrole) vapeur d’eau ai r
Complète cette phrase.
Dans une centrale thermique classique , on utilise des énergies ………………………….
4°) Cite 3 sources d’énergies renouvelables : ……………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………
Quel est le principal intérêt des énergies renouvelables ? …………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………(5pts)
5°) On a vu que les Français avaient choisi de produire leur électricité ( plus des ¾ ) en utilisant l’énergie
atomique (dans des centrales nucléaires) . Lis l’article et complète ce tableau en notant au moins 2
arguments dans chaque colonne et en trouvant dans l’article qui est pour et qui est conter . (5pts)
Arguments en faveur des centrales nucléaires
Arguments contre les centrales nucléaires
Qui est pour ?
Qui est contre ?
Nucléaire : le sujet qui fâche
Faut-il moderniser ou abandonner le nucléaire ?
Les Clés de l’actualité junior. le 02 juin 2003
En mars, le gouvernement annonçait un “grand débat” pour discuter
notamment de l’avenir de l’énergie nucléaire en France. Cependant, il
envisage déjà de moderniser les centrales, en les équipant de nouveaux
réacteurs*. Plus des trois quarts de l’électricité que nous consommons
est produit dans des centrales nucléaires. Le reste est fabriqué à partir
de pétrole ou bien par des éoliennes ou des barrages sur les rivières. La
France est ainsi le pays du monde qui utilise le plus l’énergie nucléaire
dans sa consommation d’électricité.
Cependant, cette forme d’énergie présente des inconvénients : elle
produit des déchets très toxiques, qu’il faut enfouir et qui mettent des siècles à s’éliminer. Et en cas
d’accident dans une centrale, les dégâts peuvent être considérables, comme on l’a vu avec la catastrophe de
Tchernobyl (Ukraine), en 1986.
Aussi, depuis des années, plusieurs associations réclament la fermeture des centrales nucléaires.
Mais le Gouvernement français est opposé à cette demande. Il estime que l’électricité produite dans les
centrales nucléaires est beaucoup moins chère que celle issue des autres centrales. De plus, une partie de
cette électricité française est vendue à l’étranger et rapporte plusieurs milliards d’Euros à l’Etat. Le
Gouvernement préfère aussi que la France soit indépendante. L’électricité doit être produite en France et
non pas dans un pays étranger qui pourrait bloquer notre pays en arrêtant de lui fournir cette énergie. Le
Gouvernement estime que les centrales nucléaires et leurs déchets ne sont pas dangereux s’ils sont bien
surveillés. Et qu’ils sont moins polluants que le pétrole ou le charbon.
Aussi , le gouvernement , loin de vouloir fermer les centrales nucléaires , est déjà au contraire en train de
réfléchir à leur modernisation. En 2025, parmi les 58 réacteurs des 19 centrales françaises, 38 auront plus de
40 ans. Des députés* proposent aujourd’hui de renouveler ces vieux réacteurs, et de les remplacer peu à
peu par des réacteurs d’un nouveau type, baptisés EPR. Ces réacteurs, fabriqués en collaboration par les
Français et les Allemands, seraient moins chers, moins dangereux et produiraient moins de déchets que les
réacteurs actuels. Si ce projet est accepté, le chantier pourrait commencer très bientôt.
* réacteurs : Dans une centrale nucléaire, dispositif où l’on fait exploser des atomes d’uranium, ce qui produit une chaleur
extrême. La chaleur transforme l’eau en vapeur , la vapeur fait tourner un alternateur qui produit de l’électricité. Les atomes
sont les particules minuscules qui composent n’importe quelle matière.
* députés : personnes élues par les citoyens qui votent les lois à l’Assemblée nationale.
Contrôle Sciences : énergie et électricité
Sait s’organiser 3 pts
Mémorise des connaissances 17 points
Lit et comprend des documents 5 points
0
12
19
25
DOC INTERNET…
Energies renouvelables
Elles sont caractérisées par une densité énergétique faible et une disponibilité variable.
L'énergie hydraulique est la plus utilisée des énergies renouvelables. Elle fournit 3% de la
consommation d'énergie primaire mondiale et environ 18% de de la consommation électrique.
On estime qu'à ce jour 15% (2300 TWh/an) du potentiel techniquement exploitable (environ
15 000 TWh/an) sont utilisés mais la situation est très contrastée d'un pays à l'autre. Par
exemple, la France et la Suisse ont exploité 90% des sites possibles alors qu'à l'opposé,
l'Asie et l'Amérique du Sud exploitent moins de 20% de leur potentiel hydraulique.
L'énergie des océans existe sous diverses formes : énergie marémotrice due à l'attraction
de la lune, énergie des vagues, l'énergie thermique due à la différence de température entre
la surface et les eaux profondes. Les deux dernières formes sont difficilement exploitables
à des coûts économiquement raisonnables. Le potentiel technique réel d'énergie marémotrice
est estimé à 500 000 GWh/an (en prenant en compte la disponibilité des installations due au
cycle des marées). La faisabilité technique est démontrée, notamment grâce à la centrale
marémotrice de la Rance (240 MW installés, 500 GWe.h sur un an).
L'énergie solaire reçue en dehors de l'atmosphère est d'environ 5.5 1024 J (flux moyen de
l'ordre de 1.4 kW/m2). Environ 30% est réfléchie dans l'espace, 25% est utilisée pour le
cycle évaporation/précipitation de l'eau, la photosynthèse... et environ 45% est absorbée
puis transformée en chaleur par l'air, les continents et les océans. Ceci représente environ
6000 fois la consommation mondiale d'énergie primaire. Les principales difficultés
d'exploitations de l'énergie solaire reposent d'une part sur sa grande variabilité dans le
temps (cycle journalier et annuel) qui implique la nécessité d'un stockage et d'autre part sur
sa faible densité énergétique.
La conversion directe de l'énergie solaire en énergie électrique est possible via la conversion
photovoltaïque. La fabrication des cellules reste coûteuse et très consommatrice
d'énergie. Le rendement typique d'une cellule photovoltaïque actuelle est de 12-13%. La
production électrique annuelle est d'environ 260 kW.h/m² dans un endroit particulièrement
favorable (source World Energy Council).
La fabrication d'électricité peut s'envisager via des concepts concentrant les rayons du
soleil sur une chaudière. Des centrales pilotes ont été construites (ex : Thémis en PyrénéesOrientales, 2.5 MW) pour valider les options techniques principales mais n'ont pas débouché
sur la construction de centrales de plus forte puissance à cause d'un coût du kWh élevé.
Enfin, l'utilisation de l'énergie solaire peut être envisagée pour des systèmes complétant le
chauffage de maison individuelle (capteur solaire à corps noir).
L'énergie éolienne est utilisée depuis l'Antiquité (moulins, marine à voile...). La très grande
variabilité (direction, vitesse, jour/nuit, saison) de cette énergie est son principal handicap.
Le marché mondial de l'électricité éolienne connaît actuellement une période de
développement important. Les prévisions indiquent une multiplication par 5 de la puissance
installée dans le monde très rapidement (7200 MW installés à ce jour). Les éoliennes se
regroupent en deux grandes familles : les éoliennes à axe vertical, ne nécessitent pas de
dispositif d'orientation mais sont complexes et assez peu répandues et les éoliennes à axe
horizontal, fonctionnant face au vent et nécessitant donc un système de guidage. Ces
dernières sont les plus développées. Une éolienne typique de 600 kW dispose d'un rotor
d'environ 45 m. Elles commencent à produire de l'électricité à partir d'un vent de 13 km/h et
doivent être découplées à partir d'un vent de 90 km/h afin d'éviter des endommagements.
Un site possédant une vitesse moyenne supérieure à 27 km/h peut être considéré comme
adéquat (essentiellement les régions côtières). Les surfaces mobilisées sont importantes (20
kWh/m²/an) même si les surfaces réellement utilisées représentent moins de 1% de la
superficie totale. L'éolien "offshore" offre des potentialités plus importantes mais les coûts
d'installation et d'exploitation sont supérieurs à ceux des sites terrestres. Au niveau
français, le programme EOLE 2005 prévoit l'installation d'un potentiel éolien de 250 à
500 MW à l'horizon 2005.
Production de 1000
Énergie
Avantages
Inconvénients
MWe pendant 1 an
Hydraulique
• potentiel de développement
• limité géographiquement
12 barrages de type
important
• investissement de départ élevé Serre-Ponçon (plus
• outils de régulation des cours
grand barrage
d'eau
d'Europe)
• aspect environnemental
• pas de pollution ni de rejet de
(destruction d'habitats,
gaz à effet de serre
modification des cours
• technologie maîtrisée
d'eau...)
•
Marémotrice
•
•
Solaire
photovoltaïque
•
•
•
Eolienne
•
•
adaptation fine à la demande
du réseau possible
pas de pollution ni de rejet de
gaz à effet de serre
•
•
peu de sites adéquats
18 usines identiques
disponibilité liée au cycle de à celle de la Rance
la marée (<25%)
•
•
•
•
aspect environnemental
surface occupée importante
rendement faible
stockage de l'énergie
nécessaire
•
fabrication coûteuse
•
•
•
surface occupée importante
sites terrestres limités
grande variabilité de la
ressource
•
impact visuel, sonore et sur le
milieu biologique (oiseaux)
technologie maîtrisée
potentiel de développement
important
fiabilité et modularité
pas de pollution ni de rejet de
gaz à effet de serre en
fonctionnement
pas de pollution ni de rejet de
gaz à effet de serre
technologie maîtrisée
surface de 70 à 100
km² suivant le site
(Europe)
5 600 éoliennes de
600 kW
(disponibilité de
30%) soit environ
560 km d'éolienne
Des débris de végétaux s'accumulent sous une faible
profondeur d'eau.
Après affaissement du sol, la forêt meurt et le charbon se
forme.
Sur la couche végétale se dépose des alluvions.
La végétation réapparaît. La couche en dessous ne contient
plus d'air donc les sédiments (déchets de la couche végétale)
s'enrichissent en carbone et deviennent du charbon.
La classe géologique des charbons
Le terme de charbon s'applique à tout combustible (qui peut
brûler) fossile (reste d'animaux ou de plantes dans le sol depuis
très longtemps).
La tourbe est pauvre en carbone.
Le lignite plus riche en carbone reste un
combustible assez médiocre.
La houille remonte à l'ère primaire, là c'est le
charbon le plus ancien.
L'anthracite est de la même époque que la houille.
L'anthracite est une houille de catégorie supérieure.
C'est celle que l'on trouve à Notre Dame de Vaulx et
sur le plateau matheysin.
http://arras.4.free.fr