Épreuve collaborative

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1 Épreuve collaborative Pour chaque partie, la grille permet d apprécier, selon quatre niveaux, les compétences développées dans le sujet par le candidat. Pour cela, elle s appuie sur des indicateurs traduisant les critères fixés (voir ci - dessous). Niveau A : les indicateurs choisis apparaissent dans leur quasi-totalité. Niveau B : les indicateurs choisis apparaissent partiellement. Niveau C : les indicateurs choisis apparaissent de manière insuffisante. Niveau D : les indicateurs choisis ne sont pas présents. 1 ère partie (5 points) Présenter le problème lié à l utilisation d indium dans les panneaux solaires à long terme. Grille d évaluation de la présentation Compétences A B C D Pertinence de la présentation/problématique Argumentation Connaissances scientifiques Culture générale Structuration de la présentation Communication Passage à une note sur 5 points - majorité de A : note entre 4 ou 5 (majorité de A et aucun C ou D : 5) - majorité de B : note entre 2 et 4 (uniquement des B : 3) - majorité de C : entre 1 et 3 (uniquement des C : 2) - majorité de D entre 0 et 2 (uniquement des D : 0 ; dès qu il y a d autres niveaux que le D : 1 ou 2) 1

2 2 ème partie (10 points) Grille d évaluation de la résolution de problème L indium dans les panneaux solaires Compétences Capacités A B C D S approprier Identifier les grandeurs physiques pertinentes, leur attribuer un symbole Donner un sens aux quatre documents Analyser Identifier les principales étapes de la résolution Identifier les grandeurs physiques inconnues et non précisées : Nombre de panneaux à fabriquer en 2015 Masse d indium contenu dans un panneau Masse d indium obtenu par recyclage Faire une hypothèse : la totalité des écrans LCD sont collectés et recyclés. Faire la synthèse et proposer une démarche de résolution Réaliser Surface à installer en 2015 Calculer la puissance moyenne d un panneau solaire d un m² à partir de l énergie transformée. Estimation du taux d accroissement de la puissance de panneaux solaires installée dans le monde (40%) Détermination de la puissance totale de panneaux solaire installée en 2015 Détermination de la puissance des panneaux de type CIGS installée en 2015 (2% du total) Détermination de la surface de cellules d un m² correspondante Recyclage : Écriture des ½ éq. redox Calcul de la quantité de matière théorique d indium obtenue par un écran Calculer la quantité de matière expérimentale (puis la masse) obtenue pour un écran Calculer la masse d indium à récupérer pour les 20,5 millions d écrans Détermination de la masse d indium nécessaire pour 1 m² de cellule Détermination du pourcentage massique d indium dans l alliage présent dans les panneaux. Déduction de la surface masse d indium nécessaire pour produire tous les panneaux CIGS Valider Identifier d éventuelles erreurs aberrantes Discuter des conséquences d un résultat En déduire une réponse à la question posée Communiquer Rédiger un document de qualité (diaporama, autre présentation visuelle ; orthographe, grammaire) Transmettre de l information de manière synthétique et claire Résumer sa démarche S exprimer à l oral avec aisance Écoute et réactivité aux réponses du jury Passage à une note sur 10 points - majorité de A : note entre 8 ou 10 (majorité de A et aucun C ou D : 9) - majorité de B : note entre 6 et 8 (uniquement des B : 7) - majorité de C : entre 2 et 6 (uniquement des C : 5) - majorité de D entre 0 et 4 (uniquement des D : 0 ; dès qu il y a d autres niveaux que le D : 2 ou 4) 2

3 Repères pour l évaluation et éléments de correction Il s agit de repères donnés pour l évaluation : la démarche de résolution proposée n est nullement normative et toute autre démarche, bien argumentée et utilisant de manière pertinente tous les éléments d information fournis sera évaluée positivement. Identifier les grandeurs physiques pertinentes, leur attribuer un S approprier symbole Donner un sens aux quatre documents On cherche à savoir si la production d indium issu de la filière recyclage sera suffisante pour produire la totalité des panneaux solaires utilisant de l indium en Le document 1 nous renseigne de la capacité de panneaux solaires photovoltaïques (tous type confondus) pour différentes année et nous indique que la tendance d évolution pour 2015est la même que les années précédentes. On apprend également qu un m² de cellule solaire produit une énergie de 172 kwh. Enfin on rappelle la relation entre l énergie convertie et la puissance d un convertisseur. Le document 2 nous informe que certains panneaux solaires utilisent de l indium : filière CIS. Cette filière représente 2% de la puissance mondiale des cellules solaires installées. On apprend qu un m² de cellule de type CIGS contient 5,0g d alliage contenant de l indium. On trouve également la composition de cet alliage dans ce document. Le document 3 présente l indium en tant que métal et réducteur dont le couple est donné dans ce paragraphe. On apprend que les ressources en indium ne sont pas illimitées et que les réserves d indium sont de tonnes en L indium est utilisé dans les écrans LCD et les cellules photovoltaïques. On apprend que la quantité d écrans (de taille moyenne entre toutes les tailles, tv, téléphone, ordinateur est de 15 ) contenant de l indium jeté chaque année est d environ 20,5 millions Le document 4 nous présente une technique de recyclage se basant sur l électrolyse pour purifier l indium. On y apprend que la cathode permet de réduire l ion indium III pour obtenir de l indium métallique purifié. Cette étape est réalisée avec un rendement de 85%. On trouve également des données sur l expérience consistant à recycler l indium contenu dans un écran de 15. Analyser Identifier les principales étapes de la résolution Identifier les grandeurs physiques inconnues et non précisées : Nombre de panneaux à fabriquer en 2015 Masse d indium contenu dans un panneau Masse d indium obtenu par recyclage Faire une hypothèse : la totalité des écrans LCD sont collectés et recyclés. Faire la synthèse et proposer une démarche de résolution Les étapes possibles du raisonnement sont : Déduire de l énergie produite la puissance d un panneau de 1m² Estimer la capacité de panneaux à produire en 2015 (taux d accroissement + 2% du total) Calcul de la surface de panneau CIGS à produire en 2015 Calcul de la masse d indium présent dans un panneau solaire Calcul de la masse d indium nécessaire pour tout produire D autre part, calcul de la masse d indium que l on peut récupérer d un écran L.C.D. de 15 Hypothèse sur le fait que tous les écrans LCD seraient collectés puis recyclés Calcul de la masse que l on pourrait récupérer Comparaison des résultats. 3

4 Surface à installer en 2015 Calculer la puissance moyenne d un panneau solaire d un m² à partir de l énergie transformée. Estimation du taux d accroissement de la puissance de panneau solaire installée dans le monde (40%) Détermination de la puissance totale de panneaux solaire installée en 2015 Détermination de la puissance des panneaux de type CIGS installée en 2015 (2%) Détermination de la surface de panneau correspondante Réaliser Détermination de la masse d indium nécessaire pour 1 m² de panneaux Détermination du pourcentage massique d indium dans l alliage présent dans les panneaux. Calcul de la masse d indium pour 1m² Calcul de la masse d indium pour produire tous les panneaux CIGS Recyclage : Écriture des ½ équations redox Calcul de la quantité de matière théorique (puis la masse) d indium obtenue par un écran de 15 Calculer la masse expérimentale obtenue pour un écran Calculer la masse pour les 20,5 millions d écrans Surface à installer en 2015 Un panneau solaire de 1 m² convertit sur une année Cela correspond à une puissance de : De plus l évolution sur les dernières années est d environ 40 % par an : (idem pour 2015) Année capacité installée (GW) 1,32 1,60 2,39 3,35 4,69 6,56 9,19 12,86 18,01 25,21 35,30 Taux d'évolution (n/n-1) 1,21 1,49 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40 1,40 CIS (2% total) en GW 0,03 0,03 0,05 0,07 0,09 0,13 0,18 0,26 0,36 0,50 0,71 On a donc une puissance de 0,71 GW installée pour 2015 en ce qui concerne les couches minces de type CIGS. Sachant qu un panneau de 1 m² a une puissance de 19,6 W, on peut en déduire la surface nécessaire pour atteindre 0,71 GW. 4

5 Détermination de la masse d indium nécessaire pour 1 m² de panneaux Un panneau contient 5,0 g d alliage CuIn 0,7 Ga 0,3 Se 2 L indium représente un pourcentage massique de : Il faut donc Pour produire tous les panneaux de type CIGS, il faudrait donc Recyclage : Le recyclage d un écran de 15 produit par électrolyse : Au cours de cette électrolyse, on a : 1) à l anode (cément) en milieu aqueux : 2) à la cathode milieu en aqueux : D après la relation du document 4 : On a donc Ce qui nous donne : Cette étape d électrolyse s effectue avec un rendement de 85 %. On a alors. Chaque écran de 15 permet de récupérer. Tous les ans, c est l équivalent de 20,5 millions (2, ) d écrans en fin de vie On peut potentiellement avoir : 5

6 Valider Identifier d éventuelles erreurs aberrantes Discuter des conséquences d un résultat En déduire une réponse à la question posée On a. Le recyclage ne peut donc pas combler la demande en indium. On obtient un ratio d environ 40 %. Même si cette valeur est significative, il s agit de la fourchette haute car on a fait l hypothèse que tous les écrans LCD seraient recyclés. Cette valeur permet cependant de prolonger la durée de vie de l utilisation de l indium qui sinon bénéficie d un sursis de seulement ans d après les chiffres du doc 3. Ce sujet ne fait nulle part référence au cout du recyclage qui pour être développé doit être viable économiquement (cout de revient inférieur à l exploitation de la ressource issue du minerai) Remarque : Si la présentation présente des erreurs de calcul amenant à un résultat aberrant et qu il soit reconnu comme tel, évaluer cette compétence avec indulgence. Communiquer Rédiger un document de qualité (diaporama, autre présentation visuelle ; orthographe, grammaire) Transmettre de l information de manière synthétique et claire Résumer sa démarche S exprimer à l oral avec aisance Ecoute et réactivité aux réponses du jury 3 ème partie (5 points) Entretien avec le jury Après la présentation des deux parties, le jury sera amené, à poser des questions, pour évaluer la compréhension du sujet, pour demander d argumenter sur les choix, de développer des arguments, de faire avancer éventuellement une démarche de résolution non aboutie, d améliorer le modèle retenu pour la résolution, de corriger d'éventuelles erreurs et de répondre à des questions diverses liées à la problématique étudiée. L'évaluation de cette partie s effectuera par compétences : capacité d écoute et d analyse des questions, coopération au sein de l équipe pour construire et formuler une réponse, qualité des réponses, répartition des temps de parole, culture scientifique, communication. Grille d évaluation de l entretien avec le jury Passage à une note sur 5 points Compétences A B C D Argumentation Connaissances scientifiques Culture générale Communication - majorité de A : note entre 4 ou 5 (majorité de A et aucun C ou D : 5) - majorité de B : note entre 2 et 4 (uniquement des B : 3) - majorité de C : entre 1 et 3 (uniquement des C : 2) - majorité de D entre 0 et 2 (uniquement des D : 0 ; dès qu il y a d autres niveaux que le D : 1 ou 2) 6