Enjeux planétaires contemporains : les énergies

Par Stéphanie Dalaine, Ingénieure agronome et enseignante agrégée de Sciences de la Vie, de la Terre et de l'Univers au lycée Eugène Delacroix de Maisons-Alfort, Publication : 24 sept. 2015, Mis à jour : 12 mars 2020

# Présentation

Ce parcours pédagogique a été réalisé à l'occasion de la COP21, Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques (Paris, novembre 2015).

Son ambition est de proposer un exemple de scénario d'usage en classe pour les enseignants, qui peuvent l'utiliser tel quel ou l'adapter librement pour leurs élèves.

     

Place dans le programme

  • Terminale > SVT : Enjeux planétaires contemporains
  • Cycle 4 > SVT : Ressources naturelles, écosystèmes et activités humaines
  • Première > Enseignement scientifique : Le Soleil, notre source d'énergie : Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

Cette piste pédagogique peut également être adaptée pour les programmes suivants :

  • Seconde > Géographie : Sociétés et environnements : des équilibres fragiles
  • Cinquième > Géographie : Des ressources limitées, à gérer et à renouveler

Problématique

Introduction

L'énergie solaire est directement utilisée par les plantes, au travers du processus photosynthétique qui permet la synthèse de matières organiques. Cette énergie solaire peut être utilisée directement par l'Homme et convertie en électricité, indispensable aux activités humaines. De plus, l'inégale répartition de l'énergie solaire à la surface du globe terrestre engendre des mouvements des masses d'air et des masses d'eau. Ces mouvements génèrent une énergie mécanique qui peut également être convertie par l'Homme en énergie électrique, via les éoliennes, les barrages, ou encore les usines marémotrices.

Mais l'énergie solaire est aussi indirectement à la base des énergies fossiles, telles que le charbon, le pétrole et le gaz. En effet, ces 3 hydrocarbures proviennent de processus complexes de transformations de la matière organique produite par photosynthèse.

Or ces 3 ressources énergétiques, sont celles principalement exploitées par l'Homme. Leur formation nécessite des conditions particulières au déroulement très long à l'échelle humaine. Ainsi, ces énergies dites fossiles ne sont pas inépuisables.

Problématique

L'exploitation des énergies fossiles et le développement des énergies renouvelables est donc un enjeu majeur de nos sociétés dans un contexte de développement économique mondial.

  • Quelle est la part des énergies fossiles dans la production d'électricité, de chauffage de nos sociétés ? Quelles en sont les conséquences climatiques ?
  • Comment développer les énergies renouvelables face aux enjeux politiques et économiques actuels, et face à la menace du réchauffement climatique ?

Objectifs pédagogiques

  • Participer à la formation de l'esprit critique et à l'éducation citoyenne par la prise de conscience du rôle des sciences dans la compréhension du monde
  • Recenser, extraire et organiser des informations
  • Manifester le sens de l'esprit critique
  • Être conscient de sa responsabilité face à l'environnement
  • Être conscient de l'existence d'implications politiques de la science
  • Comprendre la nature provisoire, en devenir, du savoir scientifique
  • Être capable d'attitude critique face aux ressources documentaires
  • Manifester de l'intérêt pour la vie publique et les grands enjeux de la société

Durée de l'activité

Ce parcours peut être mené sur trois activités de 50 minutes, en classe de seconde notamment.

Déroulement de l'activité

Le parcours proposé peut être effectué dans une salle équipée d'ordinateurs individuels afin de permettre aux élèves une écoute autonome des archives vidéo. Chacune des 3 activités est accompagnée d'une exploitation par l'élève sous différentes formes (tableau comparatif à compléter, réponse à formuler à des questions ouvertes, bilan à compléter avec des mots clés, mots et chiffres à relier).

Ce parcours s'intègre dans une thématique globale d'éducation au développement durable et peut donc être suivi par le professeur de Sciences de la Vie et de la Terre, et/ou par le professeur d'Histoire-Géographie. Les prérequis proposés en début de chaque activité, permettent de focaliser l'approche pédagogique de ce parcours sur une problématique plus sociétale, économique, politique que biologique ou géologique. Ce parcours peut ainsi faire l'objet de 3 séances d'Accompagnement Personnalisé par exemple.

# Les énergies fossiles

Prérequis

Toutes les roches sédimentaires contiennent de la matière organique en quantité variable. Cette matière organique provient de 3 sources essentielles que sont les algues, les bactéries et les végétaux dits supérieurs (« arbres »). Lorsque plusieurs conditions sont réunies, cette matière organique se transforme en hydrocarbures, c'est-à-dire en molécules composées d'atomes d'hydrogène et de carbone. Ces hydrocarbures peuvent être à l'état solide : le charbon ; liquide : le pétrole et gazeux : le méthane. Il s'agit, dans cette activité, de comprendre l'enjeu énergétique que représentent ces hydrocarbures.

# Le charbon

Prérequis

Le charbon est une source d'énergie importante, tant pour le chauffage individuel que collectif, que pour la production d'électricité dans les centrales à charbon. La combustion du charbon dans l'air libère du dioxyde de carbone, puissant gaz à effet de serre.

question 1

Remplir le tableau suivant après avoir visionné la vidéo

Causes

Conséquences

Principaux pays producteurs : ................................................................................................

Principaux pays consommateurs : ................................................................................................

Nom du gaz à effet de serre libéré par la combustion du charbon : ..................................................................................................

# Le pétrole

Prérequis

Le pétrole est utilisé dans de nombreux domaines énergétiques. Il est principalement (à 48%) consommé dans le secteur des transports (avions, bateaux, voitures, camions, tracteurs), et dans une moindre mesure pour la production d'électricité (moins de 8% en 2006). Enfin de nombreux dérivés chimiques du pétrole sont utilisés pour la fabrication des sacs plastiques, des produits cosmétiques (shampoing par exemple), entre autres. Or comme toute énergie fossile, les ressources pétrolières sont épuisables. Trouver du pétrole est donc un enjeu majeur du XXe et du XXIe siècle !

question 2

Citer les pays ayant signé un accord de prospection pétrolière en Arctique.

question 3

Qu'est-ce que Greenpeace ?

question 4

Développer les arguments de Greenpeace sur les dangers de l'extraction pétrolière en Arctique.

question 5

Préciser les pourcentages de réserves estimées en gaz et pétrole dans l'Arctique.

# Le gaz

Prérequis

Tout comme le pétrole, le gaz est également un hydrocarbure utilisé dans des moteurs, dans des centrales pour la production d'électricité. Bien que très controversée pour des raisons écologiques, l'exploitation du gaz de schiste, gaz contenu dans des roches de type schistes, riches en matière organique, est un atout énergétique non négligeable. Face à la pénurie du pétrole, et devant les innovations techniques tardant à proposer une alternative aux hydrocarbures comme source d'énergie, le gaz de schiste attire de plus en plus de pays.

question 6

Rappeler le nom de la technique d'extraction du gaz de schiste.

question 7

Expliquer pourquoi cette technique ne fait pas l'unanimité chez les pays européens (interdite en France et en Bulgarie).

question 8

Préciser l'intérêt d'exploiter du gaz de schiste en Europe.

# Bilan partiel de l'activité

question 9

Rayer la mention inexacte :

Les 3 hydrocarbures proviennent donc de transformations d'algues, de bactéries et de végétaux terrestres qui par (combustion/photosynthèse) ont converti l'énergie du soleil en matière (organique/minérale). La photosynthèse consiste à transformer le carbone (minéral/organique) de l'atmosphère, présent sous forme de dioxyde (de carbone/d'azote), en carbone (minéral/organique) présent dans les algues, les bactéries et les végétaux terrestres. Cette transformation du carbone minéral en carbone organique nécessite l'énergie (électrique/solaire). L'utilisation de combustibles (verts/fossiles) restitue donc rapidement à l'atmosphère (du dioxygène/du dioxyde de carbone) prélevé lentement et piégé depuis longtemps. Brûler un combustible fossile, c'est en réalité utiliser une énergie solaire du passé.

# Les énergies renouvelables

L'activité qui suit traite des énergies directement liées au Soleil, qualifiées de renouvelables car notre étoile produit constamment, par réactions thermonucléaires, de l'énergie.

# L'énergie solaire

Prérequis

Le Soleil, étoile de notre système solaire, est une source d'énergie essentielle. Cette énergie lumineuse peut être captée par des panneaux photovoltaïques et convertie en électricité. La vidéo sélectionnée vous présente les caractéristiques d'une centrale solaire.

question 1

Identifier les conditions géographiques nécessaires à l'implantation d'une centrale solaire.

question 2

Citer des exemples de pays pour lesquels la construction de centrales solaires est intéressante.

question 3

Résumer le mode de fonctionnement de la centrale solaire de Séville.

question 4

Comment fonctionne cette centrale la nuit et par temps nuageux ?

question 5

Préciser les avantages de cette centrale solaire.

# L'énergie éolienne

Prérequis

L'énergie solaire réchauffe les masses d'air qui se déplacent alors verticalement : l'air chaud monte, et l'air froid descend. Or notre Terre étant ronde, l'énergie solaire reçue à la surface du globe terrestre est inégalement répartie (la puissance solaire reçue est forte à l'équateur et faible aux pôles). De plus, la présence de reliefs à la surface de notre globe contribue également à engendrer des mouvements dans notre atmosphère. Ces mouvements ou vents peuvent être convertis en énergie électrique grâce aux éoliennes. L'énergie éolienne est donc une énergie renouvelable liée à l'inégale répartition de l'énergie solaire.

La vidéo qui suit révèle les atouts mais également les inconvénients écologiques de l'énergie éolienne.

question 6

Identifier pour le Danemark les ressources énergétiques actuelles non importées.

question 7

Expliquer pourquoi le bilan carbone de la paille est « nul ».

question 8

Identifier les ressources énergétiques importées par le Danemark en précisant les pays exportateurs.

question 9

Préciser pourquoi le Danemark fait figure de mauvais élève en termes d'impact sur le réchauffement climatique en Europe.

# L'énergie hydraulique

Prérequis

L'Homme sait également convertir l'énergie mécanique due au mouvement de l'eau en énergie électrique. La construction de barrages hydroélectriques permet de produire de l'électricité. Cette énergie renouvelable est-telle pour autant écologiquement durable ?

Dans cette partie, il s'agit d'étudier le texte suivant illustré par une carte de l'hydro-électricité mondiale :

Les avantages et inconvénients des barrages hydroélectriques

Les avantages

Par ses capacités cinétiques en cas de forte et rapide augmentation de la demande d'électricité, ce qu'on appelle les brusques variations de la demande, la grande hydroélectricité permet de limiter le recours aux turbines à combustion et aux centrales thermiques classiques, et contribue ainsi à la limitation des émissions de gaz à effet de serre.

L'hydraulique est la première des énergies renouvelables au monde. Energie propre par excellence, l'énergie hydraulique a de plus des qualités économiques (notamment un coût de production très bas). C'est le meilleur investissement comparativement à toutes les autres sources d'énergie. L'énergie hydraulique n'exporte pas ses impacts, ne les dilue pas dans l'atmosphère, ne les externalise pas. Ses avantages sont globaux, alors que ses impacts sont locaux.

Les inconvénients

La planète compte aujourd'hui 45 000 grands barrages, construits pour plus de 50 % d'entre eux durant les 35 dernières années, pour moitié à des fins de production d'électricité et pour moitié à des fins d'irrigation. Selon la Commission mondiale des grands barrages, « les grands barrages conçus à des fins d'irrigation n'ont pas, dans l'ensemble, atteint les objectifs fixés et ont été économiquement moins rentables que prévus ». Les grands barrages permettent d'approvisionner en eau 30 à 40 % des 271 milliards d'hectares irrigués de la planète, mais ont cependant entraîné le déplacement et l'appauvrissement de 40 à 80 millions de personnes dans le monde, majoritairement en Inde et en Chine (qui, avec 22 000 barrages, est le pays qui en compte le plus). Ainsi, la réalisation du barrage des Trois Gorges (Chine), long de 700 km et actuellement le plus grand du monde, implique le déplacement de près de 2 millions de personnes, la destruction de 13 villes, 4 500 villages et 108 sites archéologiques comptant parmi les plus beaux du pays, ainsi que l'inondation de milliers d'hectares de terres agricoles. Il doit être achevé en 2009. En plus de conduire à des pertes importantes et irréversibles d'écosystèmes (disparition de forêts et d'habitats naturels) et de centaines d'espèces vivantes, à la fragmentation et à la transformation de cours d'eau, les grands barrages sont confrontés à des phénomènes d'envasement, ce qui réduit la capacité de stockage, engendre un risque de pollution accru du fait de la stagnation des produits chimiques dans la vase. Leurs impacts sur l'environnement et la biodiversité étant plus négatifs que positifs, ils sont maintenant controversés et ne figurent pas parmi les facteurs de développement durable de la planète.

Face aux problèmes liés aux barrages, les experts préconisent aujourd'hui d'exclure le gigantisme et conseillent des barrages réservoirs de taille moyenne, dont l'insertion et les conséquences feraient l'objet d'études d'impact d'une grande précision, afin de limiter les bouleversements de l'écosystème et les effets néfastes pour l'homme.

En France, les projets de grands barrages ont été abandonnés et des dispositions légales et techniques existent pour limiter les impacts des ouvrages :

  • pour préserver la vie dans le cours d'eau, le Code rural français impose de conserver un débit réservé (minimal) à l'aval immédiat des barrages ;
  • d'autre part, des ascenseurs ou passes à poissons permettent la remontée des poissons migrateurs.

EDF, en association avec des organismes de recherche nationaux et internationaux travaille depuis plusieurs dizaines d'années sur le fonctionnement des écosystèmes aquatiques, et sur les moyens à mettre en place pour concilier production électrique et préservation des cours d'eau.

question 10

Sous la forme d'un tableau, lister les avantages et les inconvénients des barrages hydroélectriques.

Avantages

Inconvénients

# Bilan partiel de l'activité

question 11

Rayer la mention inexacte :

Les énergies renouvelables, reposent sur le (soleil/nucléaire) comme ressource directe ou indirecte. Elles offrent l'avantage d'être (épuisables/inépuisables) dans un contexte de croissance économique, où des milliards d'individus ont besoin d'électricité pour de multiples activités. Ces énergies renouvelables ont l'avantage de ne pas émettre directement de (méthane/dioxyde de carbone) dans l'atmosphère, gaz à effet de serre. Néanmoins, leur modalité de fonctionnement et leur coût peuvent être des freins à leur développement.

# L'énergie nucléaire

Prérequis

Les radio-isotopes d'Uranium 235 (noté 235U) et de Plutonium 239 (239Pu), subissent une réaction de fission nucléaire lorsqu'ils sont bombardés de neutrons. Cette réaction de fission libère une énergie thermique importante. Cette énergie est alors convertie en électricité au sein des centrales thermonucléaires. Mais l'exploitation de cette énergie n'est pas sans risques, en témoignent les catastrophes de Tchernobyl en 1986 et de Fukushima en 2011.

question 1

Associer les bons mots aux bons chiffres

  • Part du nucléaire dans la production d'électricité
  • Nombre d'emplois directs et indirects liés au nucléaire
  • Durée estimée nécessaire à la transition énergétique
  • Durée de vie du Plutonium
  • Création de la première centrale atomique
  • Taux d'exportation du nucléaire
  • Coût énergétique supplémentaire en Italie en pourcentage
  • Premier Choc pétrolier

et

  • 15 %
  • 1956
  • 55%
  • 75%
  • 200 000
  • 40
  • 1971
  • 24 000

# Bilan partiel de l'activité

question 2

Vrai ou faux ?

Vrai

Faux

Les centrales nucléaires convertissent une énergie mécanique en électricité

Les centrales nucléaires convertissent une énergie thermique en électricité

Le Carbone 14 (14C) est l'isotope radioactif utilisé dans les centrales nucléaires

L'un des inconvénients des centrales nucléaires est la libération de grande quantité de chaleur dans l'environnement

L'un des inconvénients des centrales nucléaires est la gestion des déchets radioactifs

La transition énergétique peut se faire rapidement, en quelques années

Le nucléaire est une ressource énergétique essentielle en Allemagne

L'énergie nucléaire en France offre aux consommateurs de l'électricité à faible coût

# Question de synthèse

question

Question de synthèse sur les 5 ressources énergétiques suivantes : compléter le tableau suivant :

Nucléaire

Charbon

Pétrole

Gaz de schiste

Energies renouvelables

Points forts

Points faibles

Note : la géothermie est également une ressource énergétique pour les régions au contexte géologique favorable (zones de subduction, points chauds, fossés d'effondrement notamment), mais elle n'a pas été traitée dans ce parcours.

# Pour aller plus loin

# Les énergies fossiles

Le charbon

Le pétrole

Le gaz

# Les énergies renouvelables

L'énergie éolienne

L'énergie hydraulique

L'énergie nucléaire