Électricité et Énergie

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1 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

2 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. 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. 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.

3 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 En pourcentage Thermique classique 119,5 48,2 58 Thermique classique 65,5 11,5 10,1 ( charbon, fioul, gaz) ( charbon, fioul, gaz) Nucléaire 14,8 313,7 448,2 Nucléaire 8,1 74,7 78,3 Hydraulique, éolien, 48,1 58,3 66 Hydraulique, éolien, 26,4 13,9 11,5 photovoltaïque photovoltaïque Total 182,4 420,1 572,2 Total 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.

4 Essayons de comprendre comment ça marche. Remplissons un deuxième schéma Montrer la spécificité de la centrale nucléaire ; 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 Un petit

5 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. Frédéric Fontaine La centrale de Tchernobyl quelques jours après l'explosion 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

6 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

7 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?

8 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 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

9 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 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 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 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 Pyrénées- Orientales, 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

10 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 Production de 1000 Énergie Avantages Inconvénients MWe pendant 1 an Hydraulique potentiel de développement important outils de régulation des cours d'eau pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre technologie maîtrisée limité géographiquement investissement de départ élevé aspect environnemental (destruction d'habitats, modification des cours d'eau...) 12 barrages de type Serre-Ponçon (plus grand barrage d'europe) adaptation fine à la demande du réseau possible Marémotrice pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre Solaire photovoltaïque technologie maîtrisée potentiel de développement important fiabilité et modularité pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre en fonctionnement Eolienne pas de pollution ni de rejet de gaz à effet de serre technologie maîtrisée peu de sites adéquats disponibilité liée au cycle de 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) 18 usines identiques à celle de la Rance surface de 70 à 100 km² suivant le site (Europe) éoliennes de 600 kw (disponibilité de 30%) soit environ 560 km d'éolienne

11 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.