ChReact_WP4_EUPRB-générateur-biologique

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Ce projet a reçu un financement dans
le cadre du 7ème programme-cadre de
l'Union Européenne pour la recherche
et le développement technologique
sous l'agrément n°[321278].
EUPRB
Un générateur
bioologique
Domaine
conceptuel
Situation
Investigation
Production
Durée indicative
Energie, Production d’électricité, Bioressources, Chimie durable, Piles
électrochimiques
Les élèves sont des scientifiques travaillant dans une entreprise qui doivent
réfléchir à la conception d’un générateur biosourcé dans une optique de
chimie durable.
Travail expérimental et recherches documentaires
Compte-rendu sous la forme d'un poster
Présentation orale basée sur un diaporama
7 séances de 1h30
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Un générateur biologique
Ce projet a été proposé par Eric Jacques* ([email protected]), Lycée Louis Vincent Metz
et Jean-Baptiste ROTA ([email protected]), Lycée Henri Poincaré Nancy.
Finalisation et adaptation au dispositif Chain Reaction : CIFOP.
Descriptif pour les professeurs
Résumé
Dans ce projet pédagogique, les élèves endossent le rôle de chercheurs dans le
service Recherche et Développement d’une entreprise qui cherche à diminuer ses
coûts énergétiques et à fabriquer une électricité la plus « verte » possible afin
d’alimenter ses procédés industriels.
Dans ce cadre, ils doivent mener un travail expérimental sur la fabrication d’un
générateur biosourcépermettant d’alimenter un récepteur pouvant modéliser la
chaine de production : par exemple un électrolyseur pour produire de l’eau de Javel
ou du dihydrogène.
Savoirs mis en jeu


Connaissances de collège sur la pile, les récepteurs électriques et les appareils de mesure
en électricité.
Connaissances de collège sur la pile électrochimique et la conversion d’énergie chimique en
énergie électrique.
Canevas
Présentation du projet
Courrier électronique du PDG de
Eco’Electro
Support documentaire
“Conception d’une pile
biosourcée”
Travail expérimental
Recherches documentaires
Rédaction d’un compte-rendu
Présentation orale
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Compétences visées








S’approprier des notions et des modèles scientifiques pour énoncer une
problématique.
Proposer diverses stratégies pour répondre à la problématique.
Évaluer les risques et mettre en œuvre les règles de sécurité au laboratoire.
Concevoir et réaliser un travail expérimental.
Obtenir et enregistrer des données (sources primaires et secondaires).
Proposer un modèle cohérent avec les observations ou les mesures.
Analyser les résultats de manière critique.
Utiliser les outils de communication appropriés, y compris les TICE, pour
rendre compte de son travail et discuter des questions scientifiques.
Cette activité est aussi l’occasion pour les élèves de :
 Rechercher, expérimenter, discuter et développer des arguments.
 Partir d’exemples de la vie courante pour développer son sens de la curiosité.
Prérequis
Avant de se lancer dans ce projet, les élèves devraient avoir quelques
connaissances de basesur les piles électrochimiques. Le professeur pourra
légèrement anticiper le programme de première S en évoquant, de la manière la
plus simple qui soit, le rôle du transfert électronique entre les molécules dans la
conversion de l’énergie chimie en énergie électrique.
Déroulement
Ce projet peut être réalisé en 7 à 11 séances d’1h30, tout dépend du nombre
d’expériences et de recherches entreprises.
Séance 1
Séances 2 à 4
Séances 5 et 6
Séance 7
Lancement
Fiche « Résumé du projet »
Courrier électronique
Support documentaire « Conception
d’un générateur biosourcé »
Travail expérimental
et recherches documentaires
Rédaction d’un compte-rendu
Présentation orale
Classe entière
Groupes de 2 à 4 élèves
avec répartition des
tâches
Groupes
Classe entière
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Indications pour la mise en œuvre
A. Modalités
L’enseignant fournit aux élèves la fiche “Résumé du projet”. Celle-ci récapitule
l’ensemble des documents que les élèves doivent produire tout au long du projet et
elle permet à chaque élève de gérer l’avancement de ses travaux.
Ensuite, l’enseignant (le directeur du laboratoire de recherche) remet aux élèves (les
chercheurs) le courrier électronique qui définit le cadre du travail. Il leur remet aussi
le support documentaire intitulé « Conception d’un générateur biosourcé» qui donne
des indications sur le travail à accomplir. Ce projet permet de réaliser une démarche
d’investigation motivante sur l’utilisation des bio-ressources en vue d’une application
concrète, et la mise en commun des observations afin de fabriquer un dispositif le
plus efficace possible.
À l’issue de leurs expérimentations, les élèves rédigeront un compte-rendu. Puis
chaque groupe désignera un rapporteur qui rendra compte oralement du travail
réalisé (les différents membres du groupe peuvent aussi se partager le compterendu oral).
B. Activités expérimentales
Le cœur du travail expérimental consiste à fabriquer une pile électrochimique en
utilisant des fruits, des légumes ou d’autres substances végétales comme
électrolyte. Pour chaque objet créé on cherchera à déterminer la puissance que peut
délivrer la pile et on testera si le dispositif est suffisamment efficace pour faire une
électrolyse. Il sera nécessaire de mettre plusieurs cellules en série (environ une
dizaine) pour que la puissance délivrée soit suffisante. Avant de commencer les
expériences, un brainstorming sera réalisé avec les élèves afin qu’ils proposent leurs
idées. On aura à cœur de tester toutes les idées pourvu qu’elles soient raisonnables.
En effet, le fait qu’un dispositif ne fonctionne pas est en soit un résultat qui peut être
riche en connaissances apportées, en comprenant pourquoi son idée ne marche
pas, l’élève pourra acquérir des connaissances sur le fonctionnement des piles.
Il est aussi proposé d’étudier :


L’influence du métal des électrodes utilisées
L’influence de la forme de la pile et de son conditionnement
C. Sécurité
Il est de votre responsabilité d’établir votre propre fiche de sécurité associée aux
expériences envisagées. A priori les substances utilisées ne présentent pas de
risque particulier.
Un générateur biologique
Dossier élève
Résumé de projet et lettre de mission
Version sans but de
participation aux conférences
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Un générateur biologique
Résumé du projet
Ce que vous allez faire
Vous travaillez dans le service « Recherche et Développement » de l’entreprise
« Eco’Electro » fabriquant des produits chimiques par électrolyse (comme de l’eau
de Javel ou du dihydrogène). Afin de réduire ses coûts et sa dépendance
énergétique, la direction vous demande de mettre au point un dispositif permettant
de produire de l’électricité à bas coût tout en s’inscrivant dans un dispositif de
développement durable. Elle vous oriente sur la valorisation des déchets d’origine
végétale qui constitue une matière première bon marché et renouvelable dont
l’exploitation est non polluante. Il vous est donc demandé de fabriquer un générateur
biosourcé puis de l’utiliser pour fabriquer un composé par électrolyse. À l’issue de
vos recherches, vous rédigerez un compte-rendu, et vous présenterez oralement
vos résultats et vos conclusions.
Ce que vous allez apprendre :

De l’énergie est stockée sous forme chimique dans les molécules.

Il est possible de transformer l’énergie en énergie électrique et vice-versa.

Les performances électriques d’une pile dépendent de divers facteurs qui peuvent
être optimisés.
Ce que vous devez réaliser









Recherches documentaires à partir du document fourni
Prise de notes sur les ressources documentaires
Tableau récapitulant les différentes solutions possibles pour réaliser un biogénérateur
Recueil des premières idées d’expériences
Rédaction d’un protocole expérimental détaillé, fiche de sécurité
Résultats expérimentaux
Liste des informations recueillies
Compte-rendu sous la forme d'un poster
Présentation orale basée sur un diaporama
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Eco’ELEcTRo

Expéditeur : PDG Eco’Electro
À:
Service Recherche et Développement de Eco’Electro
Objet :
Fabrication d’un générateur biosourcé
Chers collègues,
L’entreprise Eco’Electro s’efforce de s’inscrire dans une production « durable » et éco-citoyenne de
produits chimiques. Notre procédé industriel utilisant la technique de l’électrolyse permet d’ores et
déjà de fortement limiter notre empreinte carbone. Toutefois comme vous le savez, si notre procédé,
utilisant exclusivement de l’électricité nous permet de ne pas produire de CO 2, nous ne maitrisons pas
actuellement l’amont à savoir la production de l’électricité que nous utilisons. Comme cette dernière
s’accompagne souvent de production de CO2, les produits chimiques que nous fabriquons à
Eco’Electro présentent donc une empreinte carbone indirecte que nous souhaiterions diminuer.
De plus, vous n’êtes pas sans savoir que le coût de l’électricité augmente ce qui nuit à notre
compétitivité.
Eco’Elecro doit donc tendre vers une indépendance énergétique en produisant sa propre électricité de
la manière la plus « verte » possible. Pour cela un parc éolien et des panneaux photovoltaïquesont
déjà été installés. J’aimerais que ce parc « énergie renouvelable » soit complété par un dispositif
moins sensible aux aléas de la météo.
C’est pourquoi je vous demande de réfléchir à la fabrication d’un générateur à partir de matières
végétales et/ou de déchets agricoles ou ménagers. Une fois le générateur construit vous testerez ses
performances pour déterminer s’il peut servir à alimenter nos électrolyseurs. Soyez imaginatifs ! Je
vous encourage à tester diverses matières premières pour fabriquer votre générateur et à choisir le
dispositif qui offrira les meilleures performances.
Je vous demande donc de :
-
lire attentivement le support documentaire ;
-
établir plusieurs équipes ;
-
au sein de chaque équipe, établir des stratégies expérimentales, et mener les travaux
associés ;
-
rédiger un compte-rendu de vos travaux, par exemple sous la forme d'un poster ;
-
participer à un séminaire de réflexion où seront discutés les résultats des différentes équipes.
À l’issue de ce séminaire, la mise en commun de vos résultats permettra l’élaboration d’un plan
d’évolution de notre chaîne de production.
Le Président Directeur Générale de Eco’Electro
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Un générateur biologique
Dossier élève
Résumé de projet et lettre de mission
Version destinée à préparer les conférences
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Un générateur biologique
Résumé du projet
Ce que vous allez faire
Vous travaillez dans le service « Recherche et Développement » de l’entreprise
« Eco’Electro » fabriquant des produits chimiques par électrolyse (comme de l’eau de
Javel ou du dihydrogène). Afin de réduire ses coûts et sa dépendance énergétique, la
direction vous demande de mettre au point un dispositif permettant de produire de
l’électricité à bas coût tout en s’inscrivant dans un dispositif de développement durable.
Elle vous oriente sur la valorisation des déchets d’origine végétale qui constitue une
matière première bon marché et renouvelable dont l’exploitation est non polluante. Il
vous est donc demandé de fabriquer un générateur biosourcé puis de l’utiliser pour
fabriquer un composé par électrolyse. Ce projet sera présenté au congrès annuel des
entreprises innovantes éco-responsables
Ce que vous allez apprendre :

De l’énergie est stockée sous forme chimique dans les molécules.

Il est possible de transformer l’énergie en énergie électrique et vice-versa.

Les performances électriques d’une pile dépendent de divers facteurs qui peuvent être
optimisés.
Ce que vous devez réaliser

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
Recherches documentaires à partirdu document fourni
Prise de notes sur les ressources documentaires
Tableau récapitulant les différentes solutions possibles pour réaliser un biogénérateur
Recueil des premières idées d’expériences
Rédaction d’un protocole expérimental détaillé, fiche de sécurité
Résultats expérimentaux
Liste des informations recueillies
Compte-rendu sous la forme d'un poster
Présentation orale basée sur un diaporama
Sélection d’une ou deux équipes pour présenter un poster et les travaux lors du
regroupement national.
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Eco’ELEcTRo

Expéditeur : PDG Eco’Electro
À:
Service Recherche et Développement de Eco’Electro
Objet :
Fabrication d’un générateur biosourcé
Chers collègues,
L’entreprise Eco’Electro s’efforce de s’inscrire dans une production « durable » et éco-citoyenne de
produits chimiques. Notre procédé industriel utilisant la technique de l’électrolyse permet d’ores et déjà
de fortement limiter notre empreinte carbone. Toutefois comme vous le savez, si notre procédé, utilisant
exclusivement de l’électricité nous permet de ne pas produire de CO 2, nous ne maitrisons pas
actuellement l’amont à savoir ? la production de l’électricité que nous utilisons. Comme cette dernière
s’accompagne souvent de production de CO 2, les produits chimiques que nous fabriquons à Eco’Electro
présentent donc une empreinte carbone indirecte que nous souhaiterions diminuer.De plus, vous n’êtes
pas sans savoir que le coût de l’électricité augmente ce qui nuit à notre compétitivité.
Eco’Elecro doit donc tendre vers une indépendance énergétique en produisant sa propre électricité de la
manière la plus « verte » possible. Pour cela un parc éolien et des panneaux photovoltaïquesont déjà été
installés. J’aimerais que ce parc « énergie renouvelable » soit complété par un dispositif moins sensible
aux aléas de la météo.
C’est pourquoi je vous demande de réfléchir à la fabrication d’un générateur à partir de matières
végétales et/ou de déchets agricoles ou ménagers. Une fois le générateur construit vous testerez ses
performances pour déterminer s’il peut servir à alimenter nos électrolyseurs. Soyez imaginatifs ! Je vous
encourage à tester diverses matières premières pour fabriquer votre générateur et à choisir le dispositif
qui offrira les meilleures performances.
Je vous demande donc de :
-
lire attentivement le support documentaire ;
-
établir plusieurs équipes ;
-
au sein de chaque équipe, établir des stratégies expérimentales, et mener les travaux associés ;
-
rédiger un compte-rendu de vos travaux, par exemple sous la forme d'un poster ;
-
participer à un séminaire de réflexion où seront discutés les résultats des différentes équipes.
À l’issue de ce séminaire, une ou deux équipes de recherche participera au congrès annuel des
entreprises innovantes éco-responsables qui aura lieu à Lyon pour présenter la solution que nous
adopterons dans notre chaîne de production.
Le Président Directeur Générale de Eco’Electro
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Un générateur biologique
Dossier élève
Apport documentaire
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Support documentaire
- Conception d’un générateur biosourcé pour faire
fonctionner un électrolyseur Alors que nous savons aujourd’hui que les ressources de notre planète sont limitées, nous utilisons de
plus en plus de technologies consommatrices d’énergie. Depuis l’invention de la première pile
électrique par Volta (1799), le nombre d’appareils fonctionnant à l’aide du courant électrique n’a fait
que croître et il serait aujourd’hui bien difficile de nous priver de ces appareils qui ont envahi notre
quotidien et qui consomment parfois inutilement de l’énergie.
1. Qu’est-ce qu’une pile ?
Une pile est un générateur électrique. Elle contient des électrodes métalliques qui plongent dans un
électrolyte. Un électrolyte est une substance liquide ou solide dans laquelle le déplacement d’ions est
possible, ce qui assure la fermeture du circuit électrique à l’intérieur de la pile.
Comment définir les performances d’une pile ?
Les performances d’une pile peuvent être évaluées en considérant la tension délivrée aux bornes de la
pile et le courant qu’elle est capable de fournir à un circuit électrique. L’électrolyte, bien
qu’indispensable au fonctionnement de la pile, induit l’existence d’une résistance interne à la pile
néfaste pour ses performances. Il faut donc essayer de limiter au maximum la résistance interne. Cela
est possible en faisant en sorte que les ions de l’électrolyte soient les plus mobiles possibles.
2. Regarder l’histoire des sciences pour avoir des idées
Volta inventa en 1799 la première pile électrique en empilant des lames de cuivre et de zinc entrecoupé
de feuilles de papier ou de tissu imbibées d’eau salée ou acidulée. Entre 1829 et 1836, Antoine César
Becquerel et John Daniell ont l’idée d’utiliser du liquide pour faire passer le courant entre des lames de
cuivre et de zinc. Une pile de Volta possédait une tension de l’ordre de 12 V. Une pile de Daniell donne
une tension de l’ordre de 1 V. Dès 1800 Volta s’était rendu compte qu’en fabriquant plusieurs petites
piles et en les associant correctement ensemble, il obtenait une pile plus « puissante » : il fallait mettre
différentes piles en batterie (c'est-à-dire les brancher en série les unes à la suite des autres).
3. Une pile… bio ?
Depuis la fin des années 90, la Chimie Verte qui mélange Chimie et Développement Durable s’intéresse
dans tous les domaines à minimiser les gaspillages. Chaque année, chaque français jette 20 kilos de
nourriture dont 20 % de fruits et légumes abimés. D’un autre côté chaque année 500 millions de pièces
de 1 centime d’euros (en acier plaquée cuivre) disparaissent dans la zone Euro. Voilà une matière
première rêvée pour fabriquer un générateur.
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4. Comment intégrer le caractère biosourcé ?
On peut faire des piles en utilisant l’acidité de fruits et ou légumes. Par exemple en piquant des tiges
métalliques dans des pommes de terre on s’aperçoit qu’une tension apparait entre les tiges métalliques.
Ce résultat est-il général à tous les fruits et légumes ?Ces quelques photos semblent plaider en faveur
de cette hypothèse.
5. Utiliser des récepteurs adaptés aux générateurs fabriqués
Un récepteur nécessite une puissance minimale délivrée pour fonctionner. Une pile ne pourra faire
fonctionner un récepteur que si la puissance délivrée (produit de la tension et de l’intensité) est
suffisante. Il est donc nécessaire d’optimiser le générateur formé pour faire fonctionner un
électrolyseur (récepteur cible dans ce travail). Pour cela les pistes que l’on peut proposer sont :

tester différents types électrolytes,

tester différentes électrodes,

tester la concentration de l’électrolyte,

tester la forme de la pile,

etc…
Conclusion
Les fruits, légumes et autres composés végétaux présentant une acidité, peuvent être utilisés pour
concevoir des piles et produire de l’électricité. Il s’agit d’une énergie chimique renouvelable qui
peut être exploitée pour produire de l’hydrogène (électrolyse de l’eau) ou de l’eau de javel
(électrolyse de l’eau salée).