parcours pédagogique

Enjeux planétaires contemporains : les énergies

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

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

  • Seconde > SVT : Enjeux planétaires contemporains : énergie, sol
  • Première > S > SVT : Enjeux planétaires contemporains : tectonique des plaques et recherche d'hydrocarbures
  • Troisième > SVT : Responsabilité humaine en matière de santé et d'environnement
  • Seconde > Géographie : Sociétés et développement durable
  • Cinquième > Géographie : La question du développement durable

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.

 Le charbon, une source d'énergie massivement utilisée

Le charbon, une source d'énergie massivement utilisée

Le charbon, qui semblait être une énergie du passé, peut devenir la première source productrice grâce à un coût inférieur à celui du pétrole. La Chine et l'Inde sont à la fois des producteurs et des consommateurs de premier plan, dépassant les Etats-Unis. L'utilisation du charbon n'est pas sans conséquences environnementales.

19 déc 2012
02m 04s
Fiche (05235)

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 !

 Réserves de pétrole et de gaz dans l'Arctique

Réserves de pétrole et de gaz dans l'Arctique

L'exploration des ressources d'hydrocarbures dans l'océan Arctique a commencé. Les pays riverains installent des plateformes de forage dans leur zone économique. L'importance des réserves et un prix du baril en hausse attisent les appétits des Russes, des Américains et des sociétés pétrolières.

06 sep 2011
02m 19s
Fiche (05228)

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

Qu'est-ce que Greenpeace ?

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

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.

 La question du gaz de schiste en Europe

La question du gaz de schiste en Europe

L'Allemagne comme la Pologne vient de donner l'autorisation de rechercher et d'exploiter les gisements de gaz de schiste alors qu'elle a engagé une transition énergétique avec abandon du nucléaire. Les pays de l'UE sont divisés sur la question du gaz de schiste entre favorables, hostiles et sceptiques.

27 fév 2013
02m 52s
Fiche (05247)

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

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

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

Bilan partiel de l'activité

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.

 La méga centrale solaire de Séville

La méga centrale solaire de Séville

A Séville, profitant des conditions exceptionnelles d'ensoleillement et de l'espace disponible, les Espagnols ont installé une méga centrale solaire dont la technologie permet une production d'électricité en continu. C'est l'occasion d'examiner l'intérêt de cette source d'énergie.

04 oct 2011
03m 39s
Fiche (05246)

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

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

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

Comment fonctionne cette centrale la nuit et par temps nuageux ?

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.

Les dilemmes écologiques du Danemark

Les dilemmes écologiques du Danemark

A la pointe dans le domaine des énergies renouvelables, le Danemark, qui reçoit la conférence des Nations Unies sur le Changement Climatique 7 au 18 décembre 2009, représente pourtant l'un des principaux émetteurs de CO2 de l'Union Européenne. En effet, ce pays est largement dépendant du charbon pour sa production d'énergie.

29 nov 2009
02m 32s
Fiche (04915)

Identifier pour le Danemark les ressources énergétiques actuelles non importées.

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

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

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.

Source : Article publié sur le site Développement Durable.fr

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

Avantages

Inconvénients

Bilan partiel de l'activité

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.

 La France et le choix du nucléaire

La France et le choix du nucléaire

Au moment où la catastrophe nucléaire de Fukushima remet en cause l'avenir de cette énergie, on explique les origines du choix français et les avantages qui lui sont liés. On examine ensuite les différents scénarios de sortie du nucléaire, leurs avantages et leur coût.

16 mar 2011
03m 46s
Fiche (05226)

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

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 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

 Alaska : du pétrole dans un parc naturel

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L'Alaska est devenu un des premiers états pétroliers des Etats-Unis. De nouvelles ressources ont été trouvées au nord. Le lobby des hydrocarbures soutenu par une partie de la population souhaite son exploitation, d'autres refusent cette industrie qui risque de détruire le mode de vie traditionnel des Inuits.

29 avr 2005
03m 43s
Fiche (05202)
 Gazprom le géant de l'énergie

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Dans le grand nord sibérien à Nadym, Gazprom exploite des gisements qui alimentent une bonne partie de l'Europe. Toute la vie économique et sociale de cette région est réglée par l'entreprise qui est l'employeur principal. Les voisins de la Russie et l'Europe dépendent pour leur approvisionnement de cette entreprise en situation de quasi-monopole.

09 avr 2007
04m 08s
Fiche (05207)

Les énergies renouvelables

 Le débat autour de l'énergie éolienne

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L'éolien est classé parmi les sources d'énergie renouvelable. En France, comme dans toute l'Europe, de petites unités de production sont mises en service, elles suscitent parfois des oppositions entre partisans et détracteurs sur les lieux d'implantation. Des arguments sont échangés sur leur efficacité ou sur leur rôle dans les émissions de CO2 (dioxyde de carbone).

04 oct 2007
03m 12s
Fiche (05208)
 Le centre national d'essai des éoliennes de Lannion (CNEEL)

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La création du Centre national d’essais éoliens de Lannion en 1983 souligne la volonté française d’approfondir la technologie des énergies renouvelables. Toutefois, faute de volonté politique, l’énergie éolienne ne connaît un véritable essor qu’à partir des années 1990.

08 juin 1983
02m 40s
Fiche (03044)
  • L'énergie hydraulique
 Inauguration du barrage d'Assouan

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En janvier 1971 a lieu l'inauguration du haut barrage d'Assouan dont les dimensions gigantesques doivent permettre de régulariser le débit du Nil, de favoriser l'irrigation et de produire de l'électricité. A cette occasion, les présidents Sadate et Podgorny réaffirment l'amitié égypto-soviétique qui a permis cette réalisation.

16 jan 1971
01m 22s
Fiche (05200)
 Le barrage des Trois-Gorges en Chine

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En Chine, le barrage des Trois-Gorges, qui alimente la plus puissante centrale électrique du monde, entre pleinement en service. Des touristes chinois viennent le voir. Sa construction a été un projet titanesque. Elle a provoqué l'expulsion de 1,5 million de personnes et la destruction de nombreux villages. Selon le directeur général de China Yangtze Power, le barrage réduit le nombre de crues.

10 nov 2008
02m 48s
Fiche (05217)
 Le rejet du nucléaire à Plogoff

Le rejet du nucléaire à Plogoff

La ferme opposition des habitants de Plogoff au projet d’installation d’une centrale nucléaire sur le territoire de la commune relève autant de sentiments anti-nucléaires que de la défense de l’identité bretonne du village.

14 fév 1980
02m 08s
Fiche (03079)
 Le traitement des déchets radioactifs

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Au début des années 90, les angoisses concernant la gestion des déchets radioactifs à longue durée de vie font naître des polémiques quant à l'emplacement des futurs sites de stockage et d'enfouissement.

29 jan 1992
02m 21s
Fiche (04669)
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Le 19 juin 1997, le nouveau Premier ministre Lionel Jospin annonce l'abandon du surgénérateur Superphénix qui n'a jamais pu véritablement fonctionner.

19 juin 1997
01m 54s
Fiche (01123)
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Trois mois après la catastrophe de la centrale nucléaire de Fukushima, ce reportage se propose de faire le point sur la vie quotidienne dans la zone comprise entre 20 et 40km des réacteurs, en particulier le village de Kawaguchi mais s'intéresse aussi au sort des réfugiés qui ont dû fuir leur village situé à l'intérieur de la zone interdite des 20 km.

07 juin 2011
03m 29s
Fiche (05708)