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Sujet 16: Photosynthèse et transition écologique
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Sujet 16: Photosynthèse et transition écologique
Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent directement l’énergie radiative du soleil en électricité. Il en existe dif-
férents types. Dans le cadre de la transition énergétique actuelle, les chercheurs continuent à explorer différentes pistes
d’évolution des techniques afin de les rendre plus efficaces et/ou plus respectueuses de l’environnement.
Document 1 : Les panneaux photovoltaïques monocristallins
Un panneau photovoltaïque est constitué de divers matériaux dont l’extraction n’est pas neutre du point de vue
environnemental et social. La production de panneaux solaires, fortement encouragée par les subventions d’Etat, a
explosé ces dernières années.
La très grande majorité des panneaux solaires est constituée de silicium cristallin, élément que l’on extrait du sable
ou du quartz. Ces panneaux monocristallins sont ceux qui présentent les taux de rentabilité les plus élevés. Leur
fabrication étant complexe, ils coûtent cher.
En Chine, des scandales de rejets massifs dans l’atmosphère de poudre de silicium (matière première de la cellule
photovoltaïque, disponible en abondance), et de pollution causée par les opérations de raffinage du silicium ont été
dénoncés et documentés au cours des dix dernières années.
Aujourd’hui, au terme de leur durée de vie optimale (estimée à environ 25 ans) les panneaux photovoltaïques, qu’ils
aient été construits en Chine ou en Europe, sont recyclables entre 95 et 99% pour la plupart des constructeurs.
D’après les sites Greenpeace.fr et engie.fr
Document 2 : Des cellules photovoltaïques biologiques
La photosynthèse est une réaction biochimique produisant de l’énergie chimique à partir de la lumière solaire. Cette
conversion repose sur des complexes moléculaires appelés photosystèmes. Ces derniers sont composés de protéines et
d’un pigment appelé chlorophylle. En réaction à l’absorption de photons, les photosystèmes éjectent des électrons.
Voilà de l’électricité...
Andreas Mershin du Massachusetts Institute of Technology (MIT), en collaboration avec ses partenaires, est parvenu
à créer une cellule photovoltaïque biologique. À partir d’algues vertes, ils ont d’abord extrait des photosystèmes.
Après quelques modifications, ils sont ensuite parvenus à les associer à un semi-conducteur. Les électrons éjectés par
les complexes moléculaires en présence de lumière sont ainsi utilisés pour la production de courant électrique.
Ce procédé utilise des matériaux biologiques renouvelables sans nécessiter de composés chimiques toxiques ni une
fabrication coûteuse en énergie. La fabrication de panneaux solaires biologiques serait également bon marché et facile
à mettre en place dans de nombreux laboratoires. Pour de tels panneaux solaire, l‘énergie électrique annuelle produite
par unité de surface atteint actuellement 81 · 10−6 W·h·cm−2 (Watts heure par centimètre carré). Cette valeur est bien
en-deçà des 106 · 10−4 kW·h·cm−2 développés en moyenne par des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin
en condition standard.
D’après SCIENTIFIC REPORTS du 2 février 2012
Document 3 : Quelques valeurs
Consommation annuelle moyenne
Surface moyenne de toiture
Maison basse consommation de
100 m2
5000 kWh
120 m2
Consommation annuelle moyenne
Superficie
Ville de Paris
31 500 · 109 W·h
105,4 km2
Superficie
France métropolitaine (Source
INSEE, 2016)
543 965 km2
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Sujet 16: Photosynthèse et transition écologique
Enseignement Scientifique / Tle
1. À partir des éléments donnés dans les documents 1 et 2, présenter les avantages et les limites des panneaux photovol-
taïques biologiques et des panneaux photovoltaïques monocristallins.
Les panneaux photovoltaïques monocristallins ont des coûts de production très élevés. La production des matériaux
nécessaire à leur fabrication, notamment le silicium, est polluante et coûteuse en énergie. Ces panneaux sont toutefois
renouvelables. Les panneaux photovoltaïques biologiques sont beaucoup moins coûteux à produire, et sont d’origine
renouvelables. Ils souffrent néanmoins d’un rendement nettement inférieur à celui des panneaux au silicium.
2. En vous basant sur les données chiffrées mentionnées dans les documents 2 et 3,
a- Montrer que la surface de panneaux monocristallins nécessaire pour couvrir les besoins d’une maison basse consom-
mation de 100 m2 est environ 47 m2.
La consommation annuelle d’une maison de 100m2 est de 5000kWh , sachant que énergie électrique produite
annuellement par unité de surface de panneaux au silicium atteint 106 · 10−4 kW·h·cm−2 , la surface nécessaire
pour couvrir les besoins de la maison est de :
Smaison =
5000 kWh
106 · 10−4 kW · h · cm2
= 471 700 cm2 = 47,2m2
b- Calculer la surface de panneaux monocristallins qui serait nécessaire pour couvrir les besoins de la ville de Paris.
De même que précédemment :
Sparis =
31 500 · 106 kWh
106 · 10−4 kW · h · cm2
= 2,97 · 1012 cm2 = 297 km2
c- Réaliser ensuite, pour une maison de 100m2 et pour la ville de Paris, les mêmes calculs dans le cadre d’une
installation photovoltaïque biologique.
Smaison =
5000 · 103 W · h
81,6 · 10−6 kW · h · cm2
= 6,12 · 1010 cm2 = 6,12 km2
Sparis =
31 500 · 109 W · h
81,6 · 10−6 kW · h · cm2
= 3,86 · 1017 cm2 = 3,86 · 107 km2
3. En vous appuyant sur l’ensemble de vos résultats, montrer que, malgré leurs avantages, les panneaux solaires biolo-
giques ne seraient pas une alternative pertinente à explorer par les chercheurs au regard des éléments donnés dans les
documents.
On remarque, que la surface de panneaux au silicium monocristallins nécessaire pour combler les besoins énergétiques
d’une maison est (≈ 47m2) inférieure à sa superficie (≈ 100m2) . Couvrir la toiture d’une maison suffit donc à assurer sa
consommation énergétique. A plus grande échelle, pour la ville de Paris, qui est densément peuplée, bien que la surface
de panneaux requise dépasse la superficie de la ville, elle reste du même ordre de grandeur. Il est donc envisageable,
d’assurer l’alimentation de la ville à l’aide de panneaux PV. Pour ce qui est des panneaux organiques, on remarque
que pour la maison, et à fortiori pour Paris, la surface de panneaux nécessaire est de plusieurs ordres de grandeurs
supérieure à la superficie de la maison. Cette technologie, n’est donc pas, à ce jour, réalisable sur le terrain, et ce malgré
les avantages qu’elle présente.
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