THEME Sous-thème AGIR Economiser les ressources et respecter l environnement Chapitre 1 : LES DEFIS DE DEMAIN NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES Enjeux énergétiques Nouvelles chaînes énergétiques. Economie d énergie. Apport de la chimie au respect de l environnement Chimie durable : économie d atomes / limitation des déchets / agro-ressources / chimie douce / choix des solvants / recyclage. Valorisation du dioxyde de carbone. - Extraire et exploiter des informations sur des réalisations ou des projets scientifiques répondant à des problématiques énergétiques contemporaines. - Faire un bilan énergétique dans les domaines de l habitat ou du transport. - Argumenter sur des solutions permettant de réaliser des économies d énergie. - Extraire et exploiter des informations en lien avec : * la chimie durable, * la valorisation du dioxyde de carbone, pour comparer les avantages et les inconvénients de procédés de synthèse du point de vue du respect de l environnement. I. Les enjeux énergétiques. 1. Dans le domaine de l habitat. 2. Dans le domaine du transport. SOMMAIRE II. Chimie et environnement. 1. La chimie durable. 2. Valorisation du dioxyde de carbone. ACTIVITE Activité documentaire : Economies d énergie dans l habitat Economies d énergie dans les transports Activité documentaire : Economies d atomes et limitation des déchets Chimie douce et respect de l environnement Valorisation du dioxyde de carbone EXERCICES MOTS CLES Chaîne et bilan énergétique, économie d énergie, énergies fossiles et énergies renouvelables, chimie durable, économie d atomes, limitation des déchets, agro-ressources, chimie douce, choix de solvants, recyclage, valorisation du dioxyde de carbone. M.Meyniel 1/9
LES SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES EN TERMINALE SCIENTIFIQUE De nos jours, dans notre société, les informations arrivent de toutes parts, de tous ordres et immédiatement. La formation de l esprit est donc nécessaire pour transformer l information en connaissance à acquérir (les 2 facettes indissociables de l activité éducative). Le programme de TS s inscrit alors dans le prolongement de celui de 1 S en approfondissant la formation à la démarche scientifique afin de consolider les compétences déjà rencontrées et d en acquérir deux nouvelles : extraire et exploiter les informations. Pour cela, divers supports multiples seront proposés (textes de vulgarisation et scientifiques en français ou non, graphiques, tableaux de données, vidéos, signaux, spectres, modèles, expériences simulées ou réalisées, ). L extraction a pour but de s interroger de manière critique sur la valeur scientifique des informations, sur la pertinence et de choisir de façon argumentée ce qui est à retenir par rapport à une information surabondante et parfois erronée (où la connaissance objective et rationnelle doit être distinguée de l opinion et de la croyance). L exploitation passera ensuite par l étape d identification des grandeurs physiques ou chimiques et par celle de modélisation. Cette formalisation pourra conduire à l établissement d équation et leur traitement, numérique comme graphique. Le but est donc de raisonner avec méthode et de mettre en œuvre avec rigueur l ensemble des étapes permettant d aboutir à une solution au problème posé. Le recours à l outil mathématique pourra se faire mais sans le lieu commun. L exploitation sera aussi menée de façon qualitative mais toujours avec rigueur (analyse dimensionnelle, examen préalable des phénomènes en cause, comparaison des o.g, peuvent permettre une simplification efficace et amener une résolution rapide à un problème a priori complexe). Ainsi, on apprendra à faire un peu de physique-chimie «avec les mains» afin de savoir communiquer en tant que scientifique avec des non-scientifiques. Enfin, on prendra soin d effectuer une analyse critique des résultats obtenus notamment en comparant les effets attendus et ceux observés. L exploitation d un résultat apparaîtra alors comme : - un moyen de validation ou non des hypothèses faites lors d une modélisation - le point de départ d un réinvestissement à l interface entre «comprendre» et «agir». Dans cette optique de formation de l esprit, le programme de TS comme celui de 1 S s articule autour des 3 grandes phases de la démarche scientifique : observer, comprendre et agir en partant de questionnements sur notre quotidien. M.Meyniel 2/9
AGIR : DEFIS DU XXIème SIECLE Toute démarche scientifique débute par l observation comme nous l avons «vu» à travers la première partie. Dès lors, on peut émettre des hypothèses afin d établir des lois et modèles permettant de comprendre le fonctionnement d un système et de prédire son comportement. C était là, l objet de la deuxième partie de l année. Tout ce travail repose sur une curiosité scientifique mais aussi sur une volonté d améliorer le quotidien de l Homme et de répondre aux défis qui lui sont proposés aujourd hui et demain. On se propose dans cette dernière partie de voir justement les moyens qu il possède pour agir. De nos jours, les défis qui se proposent aux Sciences physiques sont notamment : - économiser les ressources et respecter l environnement, - synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux, - transmettre et stocker l information. Les conférences de plus en plus fréquentes qui concernent la planète entière se tenant en anglais, on continuera à s appuyer sur de tels documents, relatant des recherches scientifiques passées, actuelles ou futures afin de mettre en exergue les tendances actuelles et les progrès techniques. Pour ce faire, nous nous appuierons sur toutes nos connaissances acquises jusqu à maintenant que nous chercherons à réinvestir pour établir ou comprendre une stratégie d action face à un défi en tentant de considérer tous les paramètres possibles et accessibles à nos notions. La compétence attendue ici portera donc notamment sur une synthèse de documents permettant de mobiliser nos capacités d analyse, d esprit critique, de synthèse et de méthodes de travail acquises tout au long de notre formation. Prérequis - Energie : Réaliser des chaînes énergétiques (identifier les transferts et conversions d énergie lors d une étude) ; les sources d énergie fossiles sont des énergies non renouvelables ; les transports d électricité s accompagnent de pertes par effet Joule. - Chimie de synthèse : Combustion de combustibles organiques => CO 2 : gaz à effet de serre ; Rendement d une synthèse ; Toxicité et conditions d utilisation des produits ; Notion de protocole expérimentale ; Caractéristiques physico-chimiques des espèces chimiques. - Chimie analytique et de synthèse : Spectrophotométrie ; Conductimétrie ; Tableau d évolution ; Oxydoréduction. - Informations : OEM ; Périodicité d un signal ; Phénomènes de réflexion et réfraction ; Notion de réflexion totale ; Synthèse additive (bleu, rouge, vert) ; Source monochromatique et longueur d onde. M.Meyniel 3/9
LES DEFIS DE DEMAIN La population mondiale ne cesse d augmenter et les besoins énergétiques ont été multipliés par 10 (!) en un siècle. Les réserves en ressources fossiles (et fissiles) s épuisent. Les pertes énergétiques (gaspillages, déperditions de chaleur) sont nombreuses. Ce tout engendre notamment un réchauffement climatique aux conséquences néfastes. Les scientifiques ont tiré la sonnette d alarme amenant une prise de conscience par l humanité des dérives énergétiques. Les progrès technologiques et l activité scientifique propose de relever ce défi. Les sciences physiques proposent de nombreuses solutions. Néanmoins, la chimie trouve beaucoup d opposants, la considérant comme une industrie polluante, amenant plus de problèmes que de solutions. Le chimiste se retrouve confronter face à un autre défi : tendre vers une chimie plus propre, minimisant les déchets voire les revaloriser en travaillant toujours dans le respect de l environnement donc en limitant notamment la consommation d énergie. Ces deux défis s élevant devant le scientifique apparaissent intimement liés. On se propose ici d aborder quelques éléments de réponse à ces enjeux mondiaux actuels pour répondre aux besoins d une population mondiale de plus en plus nombreuse tout en réduisant l impact des ressources énergétiques et atomiques de notre planète. I. Les enjeux énergétiques. 1. Dans le domaine de l habitat. Economies d énergie dans l habitat Activité p 428 Nathan 1. a. Le bâtiment représente, en 2004, près de la moitié (43,5 % d après le document 1) de la consommation d énergie en France. Pour réduire la consommation énergétique globale, il convient donc de la limiter dans le secteur du bâtiment. b. D après le document 2, le Soleil, la chaleur de la Terre (= géothermie), la biomasse ou encore l éolien constituent des ressources d énergie renouvelables pour produire de l énergie domestique. c. En hiver, un arbre à feuilles caduques perd ses feuilles favorisant la pénétration de la lumière naturelle dans l habitat évitant l utilisation d électricité pour l éclairage et permettant de réchauffer l intérieur. En été, l arbre conserve ses feuilles évitant une température trop chaude dans l habitation du fait du rayonnement solaire. L utilisation d une climatisation apparaît alors limitée. d. A l instar d un arbre à feuilles caduques, un toit débordant limite les effets de surchauffes solaires en été et autorise ces apports en hiver pour les pièces orientées sud. Par ailleurs, le toit abritera de la pluie. 2. a. Le rendement d une centrale électrique amène : 2,58 kwh ep 1 kwh élec D après le document 1, à partir de 2013, un bâtiment neuf est limité à une consommation d énergie primaire de E ep autorisée = 50 kwh ep.m -2.an -1 : E ep max E élec max Pour 1 m 2, sur un an, l énergie maximale E max autorisée pour une maison 1 50 neuve tout électrique vaut : E max = = 19 kwh élec.m -2.an -1 b. D après le document 3, l isolation de cette maison semble défaillante au niveau des fenêtres qui apparaissent en rouge signe d une déperdition thermique importante puisque la température de la paroi est élevée par rapport aux autres zones. c. D après le document 2, l énergie consommée vaut : E conso = 14 000 + 5 000 = 19 000 kwh l énergie produite vaut : E prod = 4 700 + 3 300 + 5 000 = 13 000 kwh Sur un an, le bilan énergétique vaut : E bilan = E prod - E conso = - 6 000 kwh < 0 Le bilan énergétique annuel étant négatif, cette construction est à énergie négative. 2,58 D après le document 1 de l activité, les transports représentent près du tiers de la demande énergétique. Le pétrole, ressource d énergie non renouvelable, en constitue la principale source. => Des méthodes alternatives s imposent. M.Meyniel 4/9
2. Dans le domaine du transport. Economies d énergie dans les transports Activité p 430 Nathan 1. a. D après le document 1, les trois types de moteur évoqués sont les moteurs thermique, électrique et hybride. b. Toujours d après le document 1, le moteur assure, dès 1909, une meilleure vitesse de pointe, un meilleur rapport entre la performance mécanique et le coût, une facilité d usage et d approvisionnement en carburant. c. Un biocarburant est un carburant produit à partir de matériaux organiques non fossiles, provenant de la biomasse. Cette ressource (fournissant des composés de base nécessaires à l énergie, la chimie générale et celle des matériaux) correspond aux végétaux, matières premières renouvelables, issus de l agriculture ; en d autres termes : d agroressources. d. Les solutions alternatives proposées sont : - de nouveaux carburants : les biocarburants ; - de nouveaux moteurs : les moteurs hybrides. Biocarburants Moteurs hybrides Avantages * écologiques * économie d énergie fossile * facile à utiliser * limitation des émissions de CO 2 anthropique * adapté au trajet urbain et périurbain * la batterie se recharge en phase de freinage et de décélération * limitation de la pollution Inconvénients * cultures dédiées en concurrence avec les cultures vivrières pour un biocarburant de 1 ère génération * faible autonomie * manque de bornes pour recharger * nécessité de produire plus d énergie électrique e. La consommation de carburants devrait diminuer dans les 40 prochaines années. - L utilisation du pétrole comme carburant devrait aussi diminuer, du fait de sa rareté et de son coût. - L utilisation de l électricité et des biocarburants devraient, elles, augmenter tout comme l utilisation des piles à hyrogène. => Le moteur thermique sera de moins en moins utilisé au profit du moteur électrique, du moteur hybride ou du moteur utilisant une pile à hydrogène. (Cf document 1, Diagramme projet européen 2004) 2. a. Le «tep» est une unité conventionnelle permettant de comparer les ressources en termes de bilan énergétique. 1 tep constitue une équivalence : le tep correspond à l énergie libérée par une tonne de pétrole soit 41,9 GJ. Conversion : 2,5 millions de tep = 2,5.10 6 tep = 2,5.10 6 41,9.10 9 J = 1,0.10 17 J (= 1,0.10 8 GJ) Or, 1 Wh correspond à l énergie libérée pendant 1 heure et non 1 seconde pour le joule, d où : 1 Wh = 3,6.10 3 J 2,5 millions de tep = 1,0.10 17 J = 1,0.10 17 / 3,6.10 3 Wh = 2,8.10 13 Wh = 2,8.10 10 kwh Conclusion : D après le document 3, l énergie économisée grâce aux biocarburants correspond à l énergie fossile contenue dans 2,5 millions de tonnes de pétrole soit 10 8 GJ. b. Pour recharger la batterie d une voiture électrique, il faut que de l électricité soit produite en amont. On ne fait que déplacer le problème, les besoins énergétiques passent d une ressource (le pétrole, certes non renouvelables) à d autres (nucléaire, solaire, éolien, hydrolien, ). c. La filière biocarburant peut être contestée dans le sens où elle utilise des surfaces arables qui pourraient être utilisées pour l alimentation. Or, la population mondiale ne cesse d augmenter et certains habitants souffrent de la faim (déjà plus de 850 000 millions dans le monde!). d. D après le document 2, les véhicules hybrides pourraient être des véhicules économes en énergie fossile s ils étaient utilisés uniquement en mode électrique. Donc, pour des trajets inférieurs à 25 km et pour des vitesses inférieures à 25 km.h -1. M.Meyniel 5/9
Problématique : L énergie utilisée par le consommateur provient d une énergie primaire (c est-à-dire issue d une ressource disponible dans la nature) au bout d une chaîne énergétique. La population mondiale ne cesse d augmenter et la demande énergétique augmente d autant plus. L humanité doit faire face à une triple contrainte majeure : - développer l accès à l énergie pour l ensemble des populations, - minimiser l impact de l activité humaine sur l environnement, - économiser les ressources fossiles, donc non renouvelables. Bilan énergétique : Que ce soit dans le domaine de l habitat ou des transports (les deux principaux domaines énergivores en France), pour un effectuer un bilan énergétique, il convient de prendre en compte toute la chaîne énergétique, de l énergie primaire (la source) à l énergie utile (celle qu on utilise) en tenant compte des pertes énergétiques sous forme de chaleur notamment. Solutions pour économiser l énergie : Deux solutions principales émergent : - limiter les pertes énergétiques ; - utiliser des énergies renouvelables. (solaire, géothermique, éolienne, hydraulique, de la biomasse) Exemples de chaînes énergétiques : Cas d un panneau photovoltaïque : Soleil : Energie lumineuse Rayonnement Photodiodes W élec Travail électrique Energie électrique Cas d un chauffe-eau solaire : Soleil : Energie lumineuse Rayonnement Surface noire Q Transfert thermique Energie thermique Rappel énergétique : * L énergie consommée E est liée à la puissance P des appareils et leur temps de fonctionnement t : E = P Δt * L énergie perdue par transfert thermique Q est reliée au flux thermique Φ : Q = ϕ Δt Ce flux thermique dépend lui-même de la différence de température entre l intérieur et l extérieur du système ΔT : ϕ = R th ΔT Rq : * La résistance thermique R th d une paroi se détermine par : R th = La chimie est souvent considérée comme une industrie polluante, responsable de bien des problèmes environnementaux. De nos jours, la chimie tend à devenir plus propre en minimisant les déchets, en les revalorisant, en travaillant dans le respect de l environnement et devenir plus durable en limitant la consommation d énergies M.Meyniel 6/9
II. Chimie et environnement. 1. La chimie durable. Economies d atomes et limitation des déchets Activité p 432 Nathan 1. a. Le rendement d une transformation chimique correspond au rapport de la quantité de matière de produit obtenue par la quantité de matière maximale attendue : Le rendement d une transformation chimique est insuffisant pour rendre compte de l efficacité d un procédé industriel car il ne tient pas compte des autres produits obtenus, notamment par rapport aux déchets et à la pollution occasionnés (cf document 1). b. La chimie durable a pour objectif de : - minimiser les quantités d espèces chimiques introduites, - rendre les procédés de synthèse moins polluants, - consommer moins d énergie que par le passé, - limiter les déchets. c. Les matériaux composites sont plus légers que des métaux. Ils nécessitent donc moins d énergie pour leur transport. d. D après l extrait d article du document 2, le nouvel émulsifiant utilisé pour fluidifier les bitumes est «biodégradable, moins toxique, obtenu par un procédé qui ne nécessite pas de solvant, qui ne produit pas de rejet et qui utilise des matières premières végétales naturelles jusqu alors non ou peu valorisées, en particulier hors du domaine alimentaire». rdt = 2. a. Soit la réaction : aa + bb cc + dd L économie d atomes se définit par : E at = Or, la masse du système chimique se conserve lors d une réaction donc : m A + m B = m P + m Q On en déduit que : 0 < E at = < 1 d où : m P < m A + m B * Si E at 0, la synthèse n est pas économe. * Si E at 1, la synthèse est très économe. b. On utilise la seconde relation d économie d atomes, celle avec les masses molaires : 1 ère synthèse historique : E at =,,, = 0,23 Synthèse enzymatique : E at = = 0,73 => La synthèse enzymatique est nettement plus économe en atomes (!!) et respecte mieux ce critère de la chimie durable. c. Une réaction chimique endothermique nécessite de la chaleur alors qu une réaction exothermique en libère vers l extérieur. Cette dernière permet donc de «consommer moins d énergie que par le passé». d. Un co-produit peut être réutilisé tandis qu un sous-produit est un déchet inutilisable. 3. L économie d atomes permet de quantifier deux objectifs de la chimie durable cités précédemment : - minimiser les quantités d espèces chimiques introduites (= économie d atomes), - limiter par conséquent les déchets évitant leur traitement ou élimination. Cf titre Chimie douce et respect de l environnement Activité p 434 Nathan 1. a. Pour que le dioxyde de carbone soit à l état supercritique, il faut que la pression soit supérieure à 73 bar. b. Dans l extracteur (étape 1), le dioxyde de carbone est à l état de fluide supercritique. Puis lorsqu il est détendu (étape 2), il devient gazeux. Le recyclage nécessite alors de le porter à nouveau à l état supercritique. c. L extraction au dioxyde de carbone apparaît efficace et ne dénature pas le goût. Cette méthode ne laisse pas de traces résiduelles de solvants (potentiellement dangereux pour la santé) et a un bon impact sur l environnement (utilisation d un gaz à effet de serre), le tout à un coût raisonnable. d. Travailler à température ambiante permet de faire des économies d énergie en évitant de chauffer. M.Meyniel 7/9
2. a. Une extraction a pour but d isoler une (ou plusieurs) espèce(s) chimique(s) du milieu dans lequel elle se trouve initialement. Au lycée, le plus souvent, on procède à une extraction liquide-liquide permettant d isoler une espèce chimique initialement présente dans un liquide à l aide d un autre solvant dit extracteur non miscible avec le liquide initial et dans lequel l espèce à extraire y est très soluble (contrairement aux autres espèces). b. L extraction au dioxyde de carbone supercritique nécessite de fortes pressions et donc une dépense énergétique importante. Cependant, elle préserve l environnement puisque le dioxyde de carbone n est pas toxique et on se retrouve à consommer un gaz à effet de serre. c. L utilisation des microorganismes pour réaliser cette réaction dans le domaine de l architecture permet de protéger les façades des monuments. d. Il est intéressant de contrôler la viscosité d un gel pour le traitement des surfaces afin de pouvoir déposer un film d épaisseur faible et régulière. 3. Les trois objectifs de la chimie douce présentés dans ces documents sont : - les économies d énergie ; - la protection de l environnement ; - tenter de travailler dans des conditions proches de celles de la nature. 2. Valorisation du dioxyde de carbone. Valorisation du dioxyde de carbone Activité p 436 Nathan 1. a. Il est intéressant de valoriser le dioxyde de carbone car c est un gaz à effet de serre qui est fabriqué dans les centrales thermiques, les raffineries, les cimenteries, les usines sidérurgiques b. Les disciplines concernées par les trois méthodes de valorisation du CO 2 sont la physique, la chimie et la géologie. c. D après l équation de la synthèse industrielle de l acide salicylique : =, La masse de CO 2 valorisée par cette synthèse est donc de 22 tonnes par an. (12 + 2 16) = 22 t 2. a. La masse de dioxyde de carbone produite annuellement dans le monde est environ de 49 milliards de tonnes. La masse de CO 2 valorisée actuellement tourne autour de 153,5 millions de tonnes soit un pourcentage de : η = 153,5 / 49.10 3 = 0,31 % b. La valorisation du CO 2 permet sa transformation, tandis que le stockage géologique n est qu une étape intermédiaire qui remet à une date ultérieure le problème de son élimination! c. Les différentes utilisations industrielles de l urée sont les engrais, l alimentation animale, les matières plastiques, en tant qu agent de réduction des oxydes d azote, en biochimie, en tant qu additif alimentaire L acide salicylique est utilisé dans les domaines de la pharmacie et de la cosmétique comme agent kératolytique pour soigner les problèmes de cuir chevelu (pellicules) et comme agent comédolytique pour la peau (acné, verrues, eczéma). On l emploie pour la synthèse de produits pharmaceutiques, agents antiseptiques et arômes chimiques. Il s agit aussi d un additif dans l industrie alimentaire (conservateur), les produits d entretien (maison) et l industrie chimique (colorants, résines, vulcanisation du caoutchouc). 3. Pour limiter les effets du dioxyde de carbone sur l effet de serre, il faut tendre vers sa valorisation car son stockage comporte des risques. Pour cela, on peut : - l utilisé directement pour ses propriétés physiques propres puisqu il s agit d un bon solvant extracteur à l état de fluide supercritique ou comme réfrigérant par exemple, - le faire réagir avec d autres espèces chimiques. Les produits de la réaction peuvent alors présenter une valeur ajoutée en termes d énergie ou de propriétés à l instar de la synthèse de l urée ou de l acide salicylique, - le faire réagir au sein de végétaux chlorophylliens entre autres dans le cadre de la photosynthèse produisant glucides, lipides en plus de dioxygène. M.Meyniel 8/9
Le défi du chimiste pour contribuer au respect de l environnement se fait par deux voies principales : (1) la chimie durable qui repose sur : - l économie d atomes (on cherche à maximiser le nombre d atomes de réactifs transformés en produit souhaité afin de minimiser les pertes et les déchets qui imposent traitement et/ou recyclage), - la limitation des déchets et de leur recyclage, - la production d agro-ressources (végétaux donnant des composés de base nécessaires dans le domaine de l énergie [biodiesel, biogaz] ou non [solvants, chimie fine, synthèse de polymères]), - une chimie douce (travail proche des conditions naturelles [température ambiante, avec des solutions aqueuses] pour économiser de l énergie), - un choix pertinent de solvants (favorisés les moins nocifs, diminuer la quantité utilisée). (2) la valorisation du dioxyde de carbone : - limitation des rejets de CO 2 dans l atmosphère, - sa réutilisation : application directe / réactif de réactions chimiques / réactif dans des procédés biologiques (industrielles ou non). Conclusion : L énergie et la chimie verte constitue de réels défis à relever pour le scientifique. Les connaissances et les progrès technologiques permettent à l Homme d y répondre, c est ce que nous allons voir par la suite. Compétences - Extraire et exploiter des informations sur des réalisations ou des projets scientifiques répondant à des problématiques énergétiques contemporaines. - Faire un bilan énergétique dans les domaines de l habitat ou du transport. - Argumenter sur des solutions permettant de réaliser des économies d énergie. - Extraire et exploiter des informations en lien avec : * la chimie durable, * la valorisation du dioxyde de carbone, pour comparer avantages & inconvénients de procédés de synthèse du point de vue du respect de l environnement. M.Meyniel 9/9