Les énergies renouvelables

Transcription

1 DOSSIER PROFESSEUR / Cycle 3-6 ème - 5 ème Ce dossier vous présente les éléments techniques et pédagogiques de l'atelier «Les énergies renouvelables». Vous y trouverez la documentation nécessaire à la préparation de la visite. Les énergies renouvelables

2 Présentation de l'atelier 3 Objectifs pédagogiques 3 Scénario 3 Déroulement de l'atelier 3 Descriptif du matériel 5 Infos+ : Les énergies renouvelables 6 Énergies renouvelables, énergies non renouvelables 6 Panorama des énergies renouvelables 6 La Bretagne et les énergies renouvelables 8 Stations en site isolé 9 Ressources documentaires 10 Annexes 11 Les énergies renouvelables 2

3 Présentation de l'atelier Le développement durable devient un enjeu planétaire et les énergies renouvelables sont une des pistes préconisées. Dans le cadre de l'éducation au développement durable, l'atelier «Les énergies renouvelables» participe à sensibiliser les jeunes aux énergies renouvelables et plus particulièrement ici dans le domaine des télécoms. Cet atelier pratique s'adresse aux élèves des classes de CE2 à la 5 ème. La salle est équipée de 13 ordinateurs multimédia et d'un tableau interactif. Objectifs pédagogiques - Aborder la thématique des énergies renouvelables - Sensibiliser les élèves à la question de l'énergie (production, stockage, consommation) - Expérimenter et manipuler du matériel «grandeur nature» mis à leur disposition à la Cité des télécoms - Les amener à comprendre les enjeux de l'utilisation des énergies renouvelables, notamment dans le domaine des télécoms (avantages et inconvénients). Scénario «Vous êtes une équipe d ingénieurs qui doit préparer une expédition dans une contrée éloignée et inhabitée, ne disposant pas d électricité. Là-bas, vous devrez installer une station de téléphonie mobile que vous alimenterez en électricité grâce aux énergies renouvelables!» Avant de partir en expédition et pour la préparer, les élèves sont amenés à tester, à faire fonctionner des objets à partir des énergies renouvelables (solaire, éolien...), ainsi qu'à réaliser un système d alimentation d une station de téléphonie mobile virtuelle, en utilisant les énergies renouvelables. Déroulement de l'atelier L'atelier «Les énergies renouvelables» dure 90 min et se déroule en 4 parties : - Introduction : jeu de tri des énergies renouvelables et non renouvelables - «Tests énergie» : découverte des énergies solaire et éolienne par la démarche scientifique - «Opération énergie» : présentation de la mission et remise de l'équipement, 4 défis «Bonus énergie» à relever à l'extérieur! Puis, jeu sur ordinateur : réalisation de l'alimentation en énergie d'une station de téléphonie mobile virtuelle. - Ouverture sur les projets télécoms en sites isolés. Les énergies renouvelables 3

4 Introduction Jeu de tri pour différencier les énergies renouvelables des énergies non renouvelables (jeu multimédia sur le tableau numérique interactif). «Tests énergie» L animateur s appuie sur la démarche scientifique pour faire découvrir les énergies renouvelables en réalisant quelques expériences avec les élèves dans l'atelier. Ces tests de matériel leur permettent de préparer leur future mission. L'animateur interroge les élèves : Comment produire de l'électricité à partir de différentes sources d'énergie renouvelable? Il invite les élèves à formuler des hypothèses pour répondre aux situations suivantes : - Comment un panneau solaire produit-il de l'électricité? - Comment une éolienne produit-elle de l'électricité? - Quel est le principe de fonctionnement d'un alternateur? Les hypothèses avancées sont vérifiées et des éléments de réponses sont apportés par des expérimentations avec l'animateur ou en binôme. «Opération énergie» - Préparatifs : Chaque groupe d élèves, par équipe de 2, 3 ou 4, se voit remettre une fiche «Opération énergie», une mallette-kit (comprenant un téléphone mobile, une lampe-dynamo, un dictaphone), ainsi qu'une notice d'utilisation des appareils. - «Bonus énergie» : A l extérieur, sur l esplanade, chaque équipe part relever des défis «Bonus énergie». Elle remplit la fiche «Opération énergie» en relevant la production d énergie nécessaire à l'alimentation d'appareils de télécoms, en branchant son dictaphone pour écouter un message, etc. - Jeu sur ordinateur : A leur retour, les élèves doivent réaliser le schéma d'un système d alimentation d une station de téléphonie mobile virtuelle en utilisant les énergies renouvelables. Conclusion Ouverture sur les projets réalisés par des opérateurs télécoms à l'étranger. Les énergies renouvelables 4

5 Descriptif du matériel Test énergie (en atelier) Le matériel principal utilisé lors des expériences : - un panneau solaire monocristallin de 20 W Longueur : 662 mm, Largeur : 299 mm, Épaisseur : 34 mm, Poids : 2,70 kg - une éolienne Banc d'essai d'une éolienne réelle adaptée à des investigations et manipulations de 200 W Vitesse du vent de démarrage : 2,5 m/s maxi : 35 m/s - Envergure 140 cm, Poids 15 kg maquettes individuelles démontrant le principe de fonctionnement d'un alternateur. Opération énergie (à l'extérieur) - Chaque équipe (de 2 à 4 élèves par équipe) a à sa disposition une mallette : un téléphone portable, une lampe dynamo, un dictaphone, une notice d'utilisation du matériel, une fiche «Opération énergie». - Le module extérieur «la cabane aux énergies» comprend : - une éolienne de 200 W, érigée sur un mât de 4 m. - un panneau solaire de 300 W maximum, positionné sur l abri. - deux batteries de 12 V. - un module interactif composé de trois manivelles qu'il faut actionner pour alimenter un smartphone, une tablette numérique et un téléviseur. Les énergies renouvelables 5

6 Infos+ : Les énergies renouvelables Énergies renouvelables et énergies non renouvelables L'énergie se transforme... L énergie se transforme et se transmet de différentes manières, elle ne disparaît jamais Par exemple, l énergie produite par le Soleil est captée par l herbe. L herbe est broutée par la vache, qui récupère ainsi son énergie chimique. En mangeant de la salade et de la viande, nous absorbons l énergie chimique des plantes et celle stockée dans les muscles de la viande. Nos muscles transforment cette énergie chimique en énergie mécanique, pour faire du vélo. En pédalant, une partie de cette énergie est ensuite transformée en énergie électrique pour alimenter une dynamo et éclairer la route. L'énergie nous est utile pour toutes les tâches du quotidien, en fait, nous avons besoin d'énergie pour toute action, notamment pour nous chauffer, nous éclairer et nous déplacer. Des énergies qui s'épuisent... Certaines sources d'énergie se renouvellent continuellement, d'autres s'épuisent au fur et à mesure qu'on les utilise, c'est le cas des énergies non renouvelables : l'énergie nucléaire (l'uranium) et les énergies fossiles (charbon, gaz naturel, pétrole). A l'inverse, les énergies renouvelables sont presque inépuisables. Depuis 1950, les besoins énergétiques ont quintuplé en raison de l'accroissement de la population et de l'industrialisation. A ce rythme, toutes les réserves, fossiles et nucléaires, sont appelées à disparaître dans les deux siècles à venir alors qu'elles représentent aujourd'hui l'essentiel de l'énergie consommée dans le monde. Vers une consommation plus durable? Le recours aux énergies renouvelables s'inscrit dans une démarche plus globale, celle du développement durable. C'est en 2002, lors du sommet de la Terre à Johannesburg que ses principes ont été posés : le développement durable est un modèle économique conciliant croissance économique, protection de l'environnement et progrès social. En matière d'énergie, il s'agit de répondre équitablement aux besoins de tous, tout en préservant les ressources de la planète : maîtriser la consommation d'énergie, privilégier les énergies renouvelables ou énergies propres qui ne rejettent pas de gaz à effet de serre et sont inépuisables, permettre l'accès à l'électricité pour tous... Panorama des énergies renouvelables : solaire et éolien L'énergie solaire L'énergie solaire est basée sur la conversion des rayons lumineux en électricité. Les panneaux solaires photovoltaïques n'utilisent pas que la lumière directe disponible par temps dégagé, mais aussi ce qu'on appelle le rayonnement diffus provenant des nuages. EDF 1/ Les panneaux solaires, composés de cellules, captent la lumière du soleil. 2/ Sous l'effet de la lumière, le silicium contenu dans chaque cellule libère des électrons pour créer un courant électrique continu. 3/ Un onduleur transforme ce courant en courant alternatif. 4/ L'électricité est consommée par les appareils électriques. Si l'installation est raccordée au réseau, l'électricité peut être ré-injectée dans le réseau. Sinon elle peut être stockée dans des batteries. Source: : Les énergies renouvelables 6

7 Le photovoltaïque en site isolé Certains sites ne peuvent pas être reliés au réseau public de distribution car il est techniquement trop complexe d étendre le réseau jusqu à eux (en zone montagneuse par exemple) ou parce que le coût d une telle opération n est pas justifié par rapport à d autres solutions existantes. Ces installations, appelées «sites isolés», concernent particulièrement les lieux comme des bergeries, des habitations isolées, des phares et * régule les charges et les décharges de la batterie. ** dispositif permettant de délivrer des tensions et des courants alternatifs à partir d'une source de courant continu. des balises, etc. Ces installations se composent d un ou plusieurs modules photovoltaïques, d un régulateur* de charge, de batteries d'accumulation pour fournir de l énergie et éventuellement d un onduleur**. En hiver, le soleil étant plus bas sur l'horizon mais les besoins d électricité sur le site étant aussi importants qu en été, si ce n est davantage, les modules sont plus inclinés que dans les systèmes raccordés au réseau : idéalement à 45 avec l horizontale. Le photovoltaïque raccordé au réseau Ce type de système, centralisé (centrale solaire photovoltaïque) ou décentralisé, est constitué d'un ensemble de modules solaires photovoltaïques reliés entre eux et branchés sur un ou plusieurs onduleur(s) eux-mêmes connecté(s) au réseau de distribution ou de transport d'électricité. Les modules photovoltaïques sont habituellement apposés sur un pan de toiture (habitations individuelles, industrielles ou agricoles ou un mur antibruit exposés au sud. L'énergie éolienne Les éoliennes industrielles Les éoliennes permettent de convertir la force du vent en électricité. Elles peuvent produire de l'énergie dès que les vents atteignent 15 km/h et jusqu'à 90 km/h, leur rendement devenant optimal à partir de 50 km/h. La puissance d'une éolienne peut atteindre jusqu'à 2 MW. 1/ Sous l'effet du vent, l'hélice se met en marche. 2/ L'hélice entraîne un axe dans la nacelle, relié à un alternateur. L'alternateur produit de l'électricité. 3/ Un transformateur situé à l'intérieur du mât élève la tension du courant électrique produit par le générateur. EDF Source : Info + L'alternateur Composé d'une bobine de cuivre et d'un aimant, l'alternateur est un dispositif qui produit de l'électricité (un courant alternatif et une tension alternative). Ce sont les bornes de la bobine fixe qui fournissent une tension alternative lorsque l'aimant tourne. Source: Les éoliennes domestiques en site isolé Le mât a une taille plus réduite (2 à 30 m) par rapport aux éoliennes industrielles et la puissance électrique est comprise entre 100 W et 36 kw. Les installations domestiques en site relié à un réseau de distribution En cas de vent insuffisant, la maison est alimentée par le réseau de distribution. Le surplus est vendu à EDF. Les énergies renouvelables 7

8 La Bretagne et les énergies renouvelables L'usine marémotrice de la Rance Une usine marémotrice produit de l'électricité grâce aux marées montantes et descendantes. Ce dispositif consiste à créer une retenue d'eau artificielle grâce à un barrage fonctionnant dans les deux sens. Le barrage crée alors une différence de hauteur d'eau et permet à l'eau d'être turbinée deux fois par marée (lors du flux et du reflux). Inaugurée en 1966, l usine marémotrice de la Rance est implantée dans le département d'ille-et-vilaine. La puissance de cette usine marémotrice est de 240 mégawatt (MW). Elle produit l équivalent d une consommation en électricité d une ville comme Rennes, c est-à-dire plus de habitants. Elle était la seule usine au monde à produire de l électricité de façon industrielle jusqu en 2011, année pendant laquelle une usine marémotrice a été mise en service en Corée du Sud (254 MW). D autres projets sont à l étude en Inde, au Royaume-Uni, en Russie. Les éoliennes offshore en baie de Saint-Brieuc Une éolienne offshore est une éolienne installée en mer qui fonctionne de la même manière qu'une éolienne terrestre. Les vents marins étant plus forts et plus réguliers que sur terre, les éoliennes offshore produisent en moyenne 60% d électricité de plus que celles sur terre. Le parc éolien offshore, situé à une trentaine de kilomètres au large de Saint-Brieuc, comprendra une soixantaine d éoliennes. La puissance électrique totale sera de 500 MW, soit l équivalent de la consommation moyenne de plus de foyers (hors chauffage). Ce parc éolien sera mis progressivement en service à partir de Les hydroliennes au large de Bréhat Les hydroliennes utilisent les courants marins pour produire de l'électricité. Le parc de Bréhat sera composé de 4 hydroliennes de 16 mètres de diamètre et de 850 tonnes chacune. Chaque hydrolienne est constituée d'une turbine munie d'un trou central (pour laisser passer les animaux marins). Le courant des marées fait tourner la turbine, cette rotation entraîne un alternateur qui produit un courant électrique variable. Ce courant est ensuite redressé grâce à un convertisseur offshore immergé, puis il est transporté jusqu'à la côte par un câble de 15 km. Ce câble rejoint un poste situé à terre pour être raccordé au réseau de distribution d'électricité. D une puissance de 2 MW, les hydroliennes alimenteront entre 2000 et 3000 foyers. La première devrait être mise en service et connectée au réseau fin Les énergies renouvelables 8

9 Stations en site isolé Les opérateurs télécoms Les opérateurs de télécoms proposent des équipements utilisant des énergies renouvelables pour alimenter une station de téléphonie mobile en site isolé. Ils implantent des stations mobiles à énergie solaire ou des stations hybrides fonctionnant à l énergie solaire et éolienne. Station solaire Dans le but de réduire sa consommation d énergie de 15% et ses émissions de CO2 de 20% d ici 2020, Orange installe en Afrique, depuis 2006, des stations mobiles à énergie solaire appelées stations Oryx. Ce type de station a pour but de remplacer les relais mobiles implantés dans les zones rurales jusqu alors alimentés par un groupe électrogène au fuel, très polluants et très consommateurs en énergie. Dans les stations solaires, les panneaux photovoltaïques transforment les rayons lumineux en électricité. Une batterie permet de stocker le surplus d énergie pour le redistribuer la nuit. La production annuelle d un surplus d énergie de 25 % a été redistribué aux villages environnants (alimentation des écoles, des hôpitaux, éclairage public). Station hybride : solaire et éolien Alcatel-Lucent a collaboré avec Vodafone dans l'installation de stations hybrides au Quatar. Près de 3100 sites, notamment en Inde, ont déjà remplacé leurs générateurs diesel par des systèmes hybrides fonctionnant à l'énergie solaire et éolienne. Cette démarche a déjà permis de réduire de 70 % l'utilisation de diesel. L éolienne du site du Qatar a été installée au sommet d un mât existant afin de profiter de vents plus forts. Le contrôleur d énergie assure un contrôle intelligent afin d utiliser simultanément l énergie des panneaux photovoltaïques et celle de l éolienne, selon l intensité du soleil et la vitesse du vent. Ainsi, chaque seconde, les deux sources sont exploitées au maximum. Le surplus d'énergie est redistribué pour alimenter le centre informatique d'une école et une pompe à eau. En France L'utilisation de l'énergie solaire et/ou éolienne n'est pas réservée au seul domaine des télécoms mais concerne tous les sites dits «isolés», c'est-à-dire non raccordés au réseau électrique (bergeries isolées, refuges de montagne, habitations isolées, phares et balises, etc.). En France, environ 600 lieux sont ainsi équipés en solaire. Les énergies renouvelables 9

10 Ressources documentaires Sites Internet - Ministère de l'ecologie, du Développement durable et de l'energie : - Education Nationale sur le développement durable : France TV Education sur le développement durable : - EDF Espace enseignant : - L'école de l'énergie (EDF) : - CEA : Espace jeunes : Futura sciences : - Minisite Orange sur les énergies renouvelables : - Planète énergies : - Emission C'est pas sorcier " Nouvelles énergies : la planète carbure au vert " - Installations en site isolé : Livres - Protéger la Terre : les grands enjeux de l'environnement, Dokéo +, Nathan, Energies, Cathy FRANCO, La grande imagerie, Fleurus, Les énergies, Emilie BEAUMONT, Emmanuelle LEPETIT et Yves LEQUESNE, Ed. Fleurus, coll. Pourquoi Comment, Le développement durable : Tout comprendre d'un seul coup d'oeil, Play Bac, 2009 Les énergies renouvelables 10

11 Annexes Les fiches proposées dans cette rubrique, permettront à l'enseignant de récapituler et d'approfondir les notions vues lors de l'expérimentation avec l'alternateur : Fiche «Alternateur» pour cycle 3 Fiche «Alternateur» pour 6e - 5e Les énergies renouvelables 11

12 Nom : Alternateur A quoi sert un alternateur? A faire tourner une éolienne A produire de l'électricité A faire fonctionner des panneaux solaires Nomme les différents éléments de l'alternateur. C3

13 Nom : Alternateur A quoi sert un alternateur? Nomme les différents éléments de l'alternateur et cite le type d'énergie utilisée (musculaire, mécanique, électrique, lumineuse). 65

14 Ce dossier a été réalisé par l'équipe de médiation de la Cité des télécoms de Pleumeur-Bodou / Pour toute information pédagogique, vous pouvez joindre l'équipe de médiation au