Comment utiliser l énergie du soleil?

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1 Document 1 - La fusion nucléaire du soleil Jean Perrin ( ), Prix Nobel de Physique en Ce n est qu au début du XX ème siècle que l homme a découvert que le soleil, longtemps considéré comme une planète, était une étoile, c est-à-dire une énorme boule de gaz chaud qui produit de l énergie. Agé de 4,6 milliards d années, le soleil brillera encore pendant 5 milliards d années. Comment fait-il donc pour ne pas s éteindre et se refroidir à force d émettre de la chaleur sous forme de rayonnement énergétique? C est en 1921 que le physicien français Jean Perrin explique ce phénomène : l énergie solaire est d origine nucléaire. À la différence de la fission nucléaire, qui génère de l énergie grâce à la désintégration de noyaux lourds, la fusion nucléaire du soleil a lieu lorsque deux noyaux légers d hydrogène entrent en collision et s assemblent pour former un noyau plus lourd, celui d un nouvel élément : l hélium. Ainsi, chaque seconde, 620 millions de tonnes d hydrogène sont transformés en 616 millions de tonnes d hélium. Cette réaction produit une quantité de chaleur faramineuse : au cœur du soleil, il fait 15 millions de degrés. La chaleur voyage ensuite vers la surface de l'astre, où elle est transformée en lumière. C'est cette lumière qui nous illumine chaque jour. Et si on ne sait pas encore maîtriser les réactions de fusion nucléaire, on sait transformer cette lumière en électricité : c est l énergie solaire photovoltaïque. Exercice 1 Le saviez-vous? Hélium vient de,h lios : Soleil. A l aide du document 1 et du magazine Solarama, répondez aux questions suivantes : 1. Jean Perrin a découvert que l énergie solaire était d origine nucléaire. Qui a découvert l effet photovoltaïque du soleil? Le physicien français Antoine Becquerel constate en 1839 que certains matériaux font des étincelles lorsqu on les expose à la lumière. Pour lui l origine de cette réaction ne fait aucun doute : ces étincelles proviennent d une conversion directe de la lumière en électricité. Il vient de découvrir l effet photovoltaïque, mais ce n est qu un siècle plus tard qu on en verra les applications concrètes. 2. En plus d avoir reçu un Prix Nobel, qu ont en commun ces deux physiciens? Les deux physiciens sont français. 3. Quelle est l origine du mot photovoltaïque? Le mot photovoltaïque vient du grec «photos» qui signifie lumière, et du nom du physicien italien Alessandro Volta, inventeur de la pile électrique. C est aussi lui qui a donné son nom au volt, l unité de mesure de la tension électrique. 4.Quelle est la différence entre la fusion et la fission nucléaires? La fission nucléaire est l'éclatement d'un noyau atomique en deux autres noyaux plus légers (et quelques particules élémentaires). Cet éclatement produit de la chaleur, c'est-à-dire de l'énergie. C'est le procédé aujourd'hui utilisé dans les centrales nucléaires. La fusion nucléaire est le phénomène qui produit l énergie des rayonnements du soleil et des étoiles. La fusion de certains noyaux légers consiste à générer un noyau plus lourd tout en dégageant de l énergie. Dans le cas du soleil, la fusion nucléaire a lieu lorsque deux noyaux légers d hydrogène entrent en collision et s assemblent pour former un noyau plus lourd, celui d un nouvel élément : l hélium. 1/7

2 Document 2 - La réaction de fusion Tritium Hélium Les isotopes de l hydrogène, le deutérium 1 2 H et le tritium 1 3 H fusionnent et produisent un noyau 4 d hélium et un neutron 1 2 He 0 n Fusion Deutérium Neutron Exercice 2 1. En quoi le deutérium et le tritium sont-ils des isotopes? Le deutérium et le tritium sont des isotopes car ils diffèrent par leur nombre de neutrons mais ont le même nombre de protons et d électrons. Comme ils ont le même nombre d électrons, les propriétés chimiques des isotopes sont identiques. En revanche, comme leur noyau ne comporte pas le même nombre de neutrons, la masse de ces isotopes varie. 2. Ecrire l équation de la réaction de fusion en utilisant la représentation symbolique A Z X H+ 1 H 2 He+ 0 n Document 3 - Le phénomène de fusion nucléaire encore au stade de la recherche Sur Terre, l homme cherche à maîtriser les réactions de fusion du soleil ; mais il faudra sûrement patienter des dizaines d années avant d y parvenir. En effet, reproduire les fusions du soleil à petite échelle n est pas si simple. Pour cela, il est nécessaire de rapprocher deux atomes (du deutérium et du tritium) et de provoquer leur fusion, alors que ces derniers ont une forte tendance à se repousser l un l autre. Comment faire? Il faut porter le mélange de ces deux éléments à une température de l ordre de 100 millions de degrés. Depuis une trentaine d années, de nombreux laboratoires étudient ce phénomène de fusion. Ce domaine est encore au stade de la recherche et il n existe pas encore d applications industrielles pour la production d électricité. En attendant, il y a l énergie solaire photovoltaïque! 2/7

3 Document 4 - Energie solaire thermique et photovoltaïque Capteur 1 Eau chaude 1 Courant continu Courant alternatif Panneau photovoltaïque 2 Pompe de circulation Régulateur Ballon Résistance électrique 2 Onduleur 3 Réseau 3 Fonctionnement de l''énergie solaire photovoltaïque raccordée au réseau Eau froide Fonctionnement de l'énergie solaire thermique Exercice 3 A l aide du document 4 et du magazine Solarama, répondez à la question suivante : 1. Quelle est la différence entre l énergie solaire photovoltaïque et l énergie solaire thermique? L énergie solaire photovoltaïque permet de produire de l'électricité grâce à la lumière. La conversion directe de l'énergie solaire en électricité se fait par l'intermédiaire d'un matériau semi-conducteur, le plus souvent du silicium, constituant les panneaux solaires photovoltaïques. Le solaire thermique permet de produire de la chaleur grâce à la lumière. Les applications les plus répandues sont celles concernant le bâtiment comme la production d'eau chaude sanitaire. La conversion du rayonnement solaire en chaleur se fait grâce au capteur solaire thermique. Il existe également le système thermodynamique qui permet de produire de l électricité à partir de la chaleur du soleil. La concentration du rayonnement solaire permet d obtenir de la chaleur à haute température. La vapeur est ensuite transformée en énergie mécanique puis électrique à travers des cycles thermodynamiques. Exercice 4 Le silicium est la matière première des panneaux solaires photovoltaïques. 1. Où trouve-t-on le silicium? Le silicium est issu de la silice, principal composant du quartz et du sable. 2. Quels sont ses deux grands atouts? C est à la fois un très bon semi-conducteur et c est le 2 ème élément le plus abondant sur Terre après l oxygène. Le silicium est la matière première des cellules photovoltaïques les plus utilisées aujourd hui. Pour être utilisable, il faut le purifier à 99, % en utilisant des réactions chimiques. 3/7

4 Exercice 4 (suite) 3. A l aide de vos recherches, indiquez dans quels autres secteurs le silicium est utilisé en tant que semi-conducteur. Les semi-conducteurs à base de silicium sont notamment utilisées pour fabriquer des composants électroniques comme les microprocesseurs, les transistors On les retrouve dans tous les appareils électroniques qui possèdent des micro-processeurs (radios, réfrigérateurs, mémoires d ordinateurs, etc.). Exercice 5 A l aide du magazine Solarama, indiquez la (ou les) bonne(s) réponse(s) : 1. Qu est-ce que le rendement d un panneau solaire? A - La quantité d électricité produite par rapport à la lumière reçue B - Le prix d un panneau solaire C - La chaleur dégagée par un panneau D - La quantité d électricité d un panneau produite sur l année Le rendement d un panneau solaire photovoltaïque, c est le rapport entre la quantité d énergie électrique produite et l énergie solaire reçue par le panneau. Il s exprime en pourcentage. 2. Quels sont les défis à relever pour faire du solaire une énergie de tous les jours? A - Réduire les coûts B - Augmenter le rendement des panneaux C - Améliorer le stockage de l électricité D - Adapter le réseau électrique Réduire les coûts : pour devenir intéressante, il faut que l électricité produite soit moins chère que l électricité qu on achète au fournisseur d électricité comme EDF. Aujourd hui, elle coûte entre 0,7 et 5 fois plus cher en France, où le prix de l électricité est moins cher que dans d autres pays. On pourra réduire ces coûts en combinant plusieurs facteurs : produire à grande échelle, réduire le nombre d étapes de fabrication des panneaux, introduire de nouvelles technologies, faciliter l installation et la pose de systèmes photovoltaïques... Théoriquement, il faudra encore 5 à 10 ans pour atteindre ce qu on appelle la parité réseau en France, c'est-à-dire l équivalence entre le coût de production de l électricité photovoltaïque et le prix d achat de cette électricité du réseau. Les coûts ont tout de même été divisés par 100 en 20 ans et la parité réseau est en revanche atteinte à d autres endroits dans le monde, notamment en Allemagne. Augmenter le rendement : aujourd hui, avec la technologie la plus répandue du silicium cristallin, les panneaux les plus utilisés ne transforment en moyenne que 15 à 20 % des rayons du soleil. Tous les efforts des chercheurs tendent à augmenter ce rendement pour produire plus d électricité avec un même panneau, c està-dire mieux piéger et convertir la lumière. Améliorer le stockage : l énergie provenant du soleil est intermittente, c est-à-dire qu un panneau solaire ne peut pas produire de l électricité de façon constante (quand la nuit tombe, il ne produit plus). Pour ceux qui souhaitent consommer à tout moment l'électricité solaire qu'ils produisent, le principal enjeu est donc de pouvoir stocker cette électricité. Pour que ce système devienne accessible, il va notamment falloir rallonger la durée de vie des batteries et surtout réduire leur coût. Il existe d autres solutions que les batteries pour stocker l énergie : le pompage hydraulique, l air comprimé et l hydrogène par exemple. 4/7

5 Exercice 5 (suite) (suite) Adapter le réseau électrique : aujourd hui, l électricité est produite par quelques centrales et acheminée aux consommateurs via le réseau électrique. Multiplier les panneaux solaires revient à multiplier les sources de production d électricité dans un pays. Or, si l on sait aujourd hui acheminer l électricité produite par quelques usines à des milliers de consommateurs, l enjeu principal est de rendre le réseau plus flexible afin de transporter l électricité dans les deux sens car le consommateur est aussi producteur! Et c est d autant plus compliqué que l énergie solaire n est produite... qu'en plein jour, alors qu'en France, la consommation électrique se fait souvent en soirée. 3. Sur une population mondiale de 7 milliards de personnes, combien n ont pas accès à l électricité aujourd hui? A millions B - 1 milliard C - Plus de 1,3 milliard D - 2 milliards L électricité produite par l énergie solaire peut permettre de satisfaire les besoins fondamentaux des populations isolées des réseaux électriques : accès à l eau (fonctionnement des pompes), aux soins médicaux (fonctionnement des appareils médicaux), à l alimentation (réfrigération), ou encore à l éducation (éclairage et électricité dans les écoles). 4. Quels sont les deux pays précurseurs dans la production d énergie photovoltaïque? A - La France et l Espagne B - La France et l Allemagne C - La Chine et le Brésil D - Le Japon et l Allemagne Bien que l énergie photovoltaïque ait entamé son développement dans de nombreux pays depuis le début des années 2000, l Allemagne et le Japon sont parmi les premiers à avoir lancé des programmes d installation photovoltaïque sur les toits, au milieu des années L Allemagne est encore aujourd hui le premier pays producteur et consommateur d énergie solaire : 8 GW en 2011, soit l équivalent d une production photovoltaïque record équivalente à 20 réacteurs nucléaires de 1 GW. 5. Chaque jour, la Terre reçoit sous forme de lumière solaire une énergie suffisante pour satisfaire les besoins de la planète pendant : A - 3 ans B - 7 ans C - 17 ans D - 27 ans Document 5 - Cas pratique : la centrale photovoltaïque au sol Les centrales solaires photovoltaïques se présentent soit sous forme d un alignement de panneaux photovoltaïques standards montés sur châssis (système fixe), soit sous forme de système mobile, sur un ou deux axes, permettant de suivre le soleil (système à trackers). Le courant produit par les cellules photovoltaïques des panneaux solaires est un courant continu. Pour pouvoir alimenter les équipements électriques, il faut le transformer en courant alternatif grâce à un appareil électronique appelé onduleur. 5/7

6 Exercice 6 Une centrale solaire photovoltaïque convertit la lumière en énergie électrique. 1. Complétez la chaîne énergétique suivante Energie électromagnétique (lumière) Centrale solaire photovoltaïque Energie électrique 2. D après le document 5, quel est le rôle de l onduleur? L onduleur transforme le courant continu produit par les modules solaires photovoltaïques en courant alternatif, qui peut ensuite être réinjecté dans le réseau de distribution électrique. Le saviez-vous? Courant continu versus courant alternatif Le courant continu Un courant est dit continu lorsqu'il circule continuellement dans une seule et même direction : du pôle + vers le pôle -. Les électrons circulent de manière opposée au sens conventionnel du courant, et vont ainsi de la borne négative vers la borne positive. Le courant continu est produit par l'activité chimique d'une batterie ou d'une pile dans un circuit électrique fermé. C'est le cas par exemple dans une lampe électrique. Ce courant électrique est exprimé en ampère (A). Les panneaux photovoltaïques produisent du courant continu. Le courant alternatif Un courant est dit alternatif lorsqu'il circule alternativement dans une direction puis dans l'autre à intervalles réguliers appelés cycles. Ce courant est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz), nombre d allers-retours qu effectue le courant électrique en une seconde. La forme la plus utilisée de courant alternatif est pour la distribution commerciale de l'énergie électrique. Le courant électrique distribué par les réseaux aux particuliers est un courant alternatif, dont la fréquence est généralement de 60 Hz en Amérique du Nord et de 50 Hz en Europe. Les éoliennes, turbines et groupes électrogènes produisent du courant alternatif. Document 6 - Le photovoltaïque est partout! Depuis la première calculatrice solaire japonaise Teal photon en 1978, l usage de l énergie solaire s est généralisé à plusieurs objets de la vie courante : torches, lampes de jardin, radioréveils, mobiles animés, montres Les cellules photovoltaïques remplacent ainsi les piles électriques, plus difficiles à recycler et à recharger. De plus, les chargeurs solaires peuvent désormais alimenter téléphones mobiles comme ordinateurs portables, et ce où que l on se trouve. Certains imaginent aujourd hui des vêtements également dotés de cellules photovoltaïques, pour pouvoir y recharger directement leurs lecteurs MP3 par exemple. Exercice 7 Séquence création Et vous? Imaginez et dessinez un objet qui pourrait utiliser de l énergie solaire photovoltaïque : soyez inventif et créatif! 6/7

7 Pistes pédagogiques Rédaction d un texte argumenté Pourquoi est-il intéressant de développer l utilisation de l énergie solaire? Rédaction d un texte argumenté Expliquez la phrase suivante : Lorsque l on parle de production d énergie, il ne s agit donc pas d une création, mais d'une transformation! Recherche documentaire Plusieurs projets mondiaux existent pour tenter de maîtriser la fusion nucléaire, notamment le projet ITER en France. Présentez ce projet, ses espoirs et les progrès qu il reste à accomplir. Voici quelques sources documentaires pour vous aider : et Innovation Les panneaux solaires photovoltaïques récupèrent un maximum de lumière lorsqu ils sont perpendiculaires aux rayons solaires. C est pourquoi on veille soigneusement à leur orientation (les panneaux dirigés vers le sud captant davantage la lumière) et à leur inclinaison exprimée en degrés ( ). Cependant, l inclinaison des rayons du soleil varie notamment selon les moments de la journée! Imaginez une innovation des panneaux solaires photovoltaïques qui permettrait d augmenter la production d électricité sur les centrales solaires en évitant la variation de l inclinaison des rayons du soleil. Pour indice, un mot anglais : to track! Physique-Chimie Les cellules photovoltaïques produisent également de l électricité par la lumière indirecte du jour, alors qu un chauffe-eau solaire a besoin d une lumière directe. Expliquez la notion de lumière directe et indirecte en donnant d autres exemples. 7/7