Peut-on remplacer la centrale de Fessenheim par des panneaux

Peut-on remplacer la centrale de Fessenheim par des panneaux solaires ?
Compétences évaluées
Coefficient
Analyser
2
Réaliser
3
Valider
1
CONTEXTE :
La fermeture de la centrale nucléaire de Fessenheim est aujourd’hui évoquée, et
plusieurs pistes sont étudiées pour produire de l’électricité de façon plus
écologique en Alsace.
On envisage dans cette activité la production d’électricité grâce à des panneaux
solaires photovoltaïques et on se propose de répondre à la question suivante :
« Quelle surface de panneaux solaires photovoltaïques devrait-on utiliser en
Alsace pour produire autant d’électricité que la centrale de Fessenheim ? »
A l’aide du matériel et des documents fournis, votre travail consiste à rédiger un compte rendu détaillé
permettant de répondre à la question posée. Ce compte rendu devra notamment présenter les expériences
réalisées et l’exploitation des mesures faites. Des commentaires sur les résultats obtenus sont également
attendus.
Document 1 : Présentation de la centrale nucléaire de Fessenheim :
La centrale nucléaire de Fessenheim est la plus ancienne centrale nucléaire française, en exploitation commerciale
depuis 1978, implantée en bordure du Grand Canal d'Alsace sur le territoire de la commune de Fessenheim.
Sa construction, décidée à la fin des années 1960 par les présidents Charles de Gaulle puis Georges Pompidou,
repose sur la technologie des réacteurs à eau pressurisée de l'entreprise américaine Westinghouse Electric. La
centrale est équipée de deux réacteurs d'une puissance installée de 900 MW chacun, soit 2,88 % de la puissance du
parc électronucléaire français. En 2012, la centrale a produit une énergie totale de 12 417 GWh, soit plus de 88%
de la consommation alsacienne.
D’après http://fr.wikipedia.org/wiki/Centrale_nucl%C3%A9aire_de_Fessenheim
Document 2 : L’ensoleillement en France (D’après http://fr.wikipedia.org/wiki/Irradiation_solaire)
La carte ci-contre indique l’ensoleillement
moyen en France entre 2004 et 2010.
L’ensoleillement correspond à l’énergie lumineuse
reçue par une surface de 1 mètre carré pendant
une année.
Il s’exprime usuellement en kW.h.m -2
Document 3: Panneaux solaires photovoltaïques :
Les panneaux solaires photovoltaïques sont constitués de cellules photovoltaïques reliées
entre elles. Ces cellules photovoltaïques contiennent des matériaux semi-conducteurs
et elles ont la particularité de produire un courant électrique lorsqu’elles sont exposées
aux rayonnements du Soleil.
Pour comprendre le principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque, visualiser
l’animation suivante :
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/les-panneaux-solaires
Document 4 : Caractéristique d’une cellule photovoltaïque et rendement:
En électronique, lorsqu’on veut connaître le comportement d’un dipôle, on peut tracer sa caractéristique. Il s’agit
de la courbe représentant l’évolution du courant I en fonction de la tension U qui règne entre ses bornes.
Pour tracer la caractéristique d’une cellule photovoltaïque, on réalise le montage ci-dessous (figure 1) :
- On éclaire la cellule par une lampe de bureau placée à environ 20 cm de la cellule. Ne plus déplacer la lampe, ni la
cellule.
- Lorsqu’on fait varier la résistance R dans le circuit, la tension aux bornes de la cellule et l’intensité du courant
varient. On relève alors les couples (U, I) et on peut tracer la caractéristique (figure 2).
Figure 1
Figure 2
P (en W)
Avec les mesures obtenues à l’aide du montage cidessus, on peut également tracer la courbe donnant la
Figure 3
puissance électrique (Pel=U×I) délivrée en fonction
de la tension de la cellule. On obtient alors l’allure
ci-contre:
U (en V)
Le rendement d’une cellule photovoltaïque est défini comme le rapport de la puissance électrique maximale
(Pel,max) qu’elle est capable de fournir par la puissance lumineuse reçue (P lum) : r=
.
Document 5 : matériel à disposition :
- Cellule photovoltaïque.
- fils électriques
- multimètres
- lampe de bureau
- boîte de résistance variable (de 0 à 10 kΩ)
- luxmètre
- ordinateur muni d’un tableur-grapheur
Remarque :
La puissance lumineuse reçue par une cellule photovoltaïque de surface S est P lum = E×S. E est l’éclairement de la
cellule, qui peut être mesuré à l’aide d’un luxmètre. On admettra que dans les conditions de l’expérience, un
éclairement de 100 lux, correspond à 1W.m-2.
Fiche professeur
Domaine d’étude : Matériaux
Mots clés : photovoltaïques
Prérequis des élèves : La séance précédente a été consacrée aux semi-conducteurs. Ce n’est pas obligatoire,
mais cela permet aux élèves de mieux comprendre le fonctionnement des cellules photovoltaïques.
Durée estimée : Cette activité a été testée avec 4 groupes de spécialité (soit environ 30 binômes). Les élèves
ont réussi à terminer leur compte rendu avec les courbes, l’exploitation des mesures, la réponse à la question et les
commentaires au bout de 2 heures.
Evaluation par compétence :
- La compétence analyser est évaluée lorsque l’élève établit les étapes de la résolution de problème. Les critères
retenus sont : Organiser et exploiter les informations extraites, construire les étapes d’une résolution de
problème.
On attend ici que l’élève propose de déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque (étape 1). Il pourra
ensuite évaluer la production énergétique annuelle d’1m² de panneau solaire en Alsace en tenant compte de
l’ensoleillement et du rendement des cellules photovoltaïques (étape 2) pour ensuite déterminer la surface totale
nécessaire (étape 3). Tout autre raisonnement cohérent est accepté.
A : L’élève effectue correctement le travail demandé.
B : Le raisonnement est incomplet (il manque une étape).
C : Il manque deux étapes de la résolution de problème.
D : L’élève a été incapable de proposer un début de démarche.
- La compétence réaliser est évaluée lorsque l’élève manipule pour déterminer le rendement de la cellule
photovoltaïque (coefficient 2) et lorsque l’élève réalise les calculs nécessaires pour répondre à la question posée
(coefficient 1).
Pour la compétence réaliser coefficient 2, les critères retenus sont :
Suivre un protocole (agencement correct du dispositif, utilisation du tableur grapheur), faire des mesures précises
et effectuer un calcul simple (rendement de la cellule).
A : l’élève réalise l’ensemble du travail demandé avec éventuellement 1 ou 2 interventions du professeur (questions
ouvertes pour lesquelles l’élève répond de lui-même).
B : L’élève a réalisé le travail de manière satisfaisante, mais grâce à plus de deux questions ouvertes ou à l’apport
d’une solution partielle.
C : Le professeur doit apporter une ou plusieurs aides à l’élève pour la manipulation ou pour le calcul du rendement.
D : L’élève a été incapable de réaliser le travail demandé malgré les aides apportées par le professeur.
Pour la compétence réaliser coefficient 1, on attend que l’élève réalise correctement les calculs analytiques et
numériques pour répondre à la question posée et que le résultat soit exprimé avec l’unité adaptée.
A : Pas d’erreur de calcul, les unités et les chiffres significatifs sont bien maîtrisés.
B : une erreur de calcul ou les calculs sont corrects, mais il y a des problèmes d’unité et de chiffres significatifs.
C : Plusieurs erreurs de calcul.
D : les calculs sont aberrants.
- La compétence valider est évaluée lorsque l’élève discute le résultat obtenu. Le critère retenu est : faire preuve
d’esprit critique.
On attend ici que l’élève pose un regard critique sur le résultat obtenu en comparant par exemple la surface
calculée à la surface de l’Alsace (8280 km²) ou en remarquant que contrairement au nucléaire, la production
d’électricité grâce aux panneaux solaires dépend des conditions climatiques. Si son résultat lui paraît aberrant,
l’élève peut émettre une source d’erreur possible.
Remarque : On peut aussi choisir d’évaluer la compétence communiquer lors de cette activité