La photosynthèse artificielle

Sujet sans enseignement de mathématiques spécifique

Enseignement scientifique première

Durée 1h – 10 points – Thème « Une longue histoire de la matière »

La photosynthèse est une réaction biochimique qui se produit chez les végétaux et certains micro-organismes. Depuis la fin des années 1980, des laboratoires cherchent à mettre au point des technologies de photosynthèse dite « artificielle » qui s’inspirent du processus naturel dans le but de produire de la matière organique pouvant constituer une ressource d’énergie verte pour produire de l’électricité.

L’objectif de ce sujet est d’expliquer l’intérêt de la photosynthèse artificielle et d’étudier la possibilité d’utiliser des dispositifs de photosynthèse artificielle pour alimenter un foyer en électricité.

Partie 1 – La conversion de l’énergie solaire en énergie chimique par les photosynthèses

Les dispositifs de photosynthèse artificielle sont conçus avec des matériaux spéciaux qui sont capables de capter et convertir l’énergie solaire en énergie chimique stockée dans les carburants formés (produits carbonés et/ou dihydrogène).

Produit par l’auteur

Cette énergie chimique pourra ensuite être convertie en électricité. La photosynthèse artificielle s’appuie sur le principe de la photosynthèse naturelle qui nécessite de l’énergie lumineuse.

Document 1 – Expérience réalisée sur une feuille de Pelargonium

Une expérience est réalisée en laboratoire avec une feuille de Pelargonium, recouverte partiellement d’un cache, éclairée pendant 12 heures. Le dispositif expérimental est présenté dans la figure A ci-dessous. Le cache est ensuite enlevé et la feuille est décolorée dans de l’éthanol bouillant sous hotte en présence d’un dispositif réfrigérant. La feuille est ensuite colorée à l’aide de l’eau iodée. L’eau iodée adopte une coloration noir-violet en présence d’amidon (glucide). Elle reste jaune en l’absence d’amidon. Les résultats obtenus sur la feuille sont présentés sur la photographie de la figure B.

Source : d’après https://planet-vie.ens.fr/thematiques/manipulations-en-svt/experiences-sur-la-photosynthese

1 – Expliquer en quoi les photosynthèses naturelle et artificielle sont considérées comme des modes de conversion d’une énergie solaire en une énergie chimique à partir des données tirées du document 1 et de vos connaissances.

L’amidon permet de mettre en évidence le glucose en se colorant en noir-violet en sa présence.

La figure B nous montre que les parties de la feuille exposées à l’éclairage produisent de l’amidon (parties noir-violet) et que la partie non éclairée ne produisait pas d’amidon (partie jaune).

Cette expérience montre que la feuille utilise la lumière pour produire de l’amidon : elle convertie de l’énergie lumineuse en énergie chimique.

Ainsi, les photosynthèses naturelle et artificielle sont considérées comme des modes de conversion d’une énergie solaire en une énergie chimique.

Partie 2 – Efficacité énergétique de la photosynthèse artificielle

L’efficacité énergétique (rapport entre l’énergie chimique reçue et l’énergie solaire utilisée) de la photosynthèse naturelle ne dépasse pas les 1 % chez les végétaux. À l’heure actuelle, l’efficacité énergétique de la photosynthèse artificielle est également faible.

2 – La puissance surfacique solaire moyenne reçue au sol est de 350 W.m^-2. La surface d’un dispositif de photosynthèse artificielle est de 10 cm².

Montrer que la puissance solaire reçue par le dispositif est égale à 0,35 W.

Puissance reçue	Surface
350 W	1 m²
P	10 cm²=10×10^-4 m²

$P=\frac{10 \times {10}^{-4} \times 350}{1}$

P=0,35 W

3 – Calculer l’énergie solaire reçue par le dispositif pour une durée d’ensoleillement de 6 h par jour.

$E=P \times ∆t$

$E=0,35\ \times 6 \times 60 \times 60 (Conversion des heures en secondes)$

E=7560 J

L’énergie reçue et stockée chimiquement par le dispositif pour une durée d’ensoleillement de 6 h par jour est égale à 1,8 × 10² J.

4 – Calculer l’efficacité énergétique du dispositif. Comparer cette valeur avec celle de la photosynthèse naturelle.

D’après l’énoncé : « l’efficacité énergétique est le rapport entre l’énergie chimique reçue et l’énergie solaire utilisée »

$Efficacite\ energetique=\frac{E_{chimique}}{E_{solaire}}$

$Efficacite\ energetique=\frac{1,8 \times {10}^2}{7560}$

Efficacite energetique=0,024

Efficacite energetique=2,4 %

L’efficacité énergétique de la photosynthèse naturelle ne dépasse pas les 1 % chez les végétaux.

L’efficacité énergétique de la photosynthèse artificielle est 2,4 fois plus élevée mais reste faible.

Pour la question suivante, on admettra que toute l’énergie stockée chimiquement par le dispositif peut être convertie en électricité pouvant alimenter un foyer et que la durée quotidienne d’ensoleillement est de 6 h. La consommation quotidienne d’électricité par personne par foyer en France est de 6 kWh.

5 – Déterminer le nombre nécessaire de dispositifs pour fournir quotidiennement en électricité un foyer composé de 5 personnes.

Indication : le Watt-heure (Wh) est une unité physique qui correspond à l’énergie consommée ou délivrée par un système d’une puissance de 1 Watt pendant une durée d’une heure.

Calculons l’énergie nécessaire pour un foyer composé de 5 personnes.

Nombre de personnes	Energie
1	6 kWh
5	E

$E=\frac{5 \times 6}{1}$

E=30 kWh

Le Watt-heure (Wh) est une unité physique qui correspond à l’énergie consommée ou délivrée par un système d’une puissance de 1 Watt pendant une durée d’une heure.

Convertissons cette énergie en joules

E=30 kWh

$E=30\ \times {10}^3 \times 60 \times 60$

$E=1,1\ \times {10}^8J$

Déterminer le nombre nécessaire de dispositifs pour fournir quotidiennement en électricité un foyer composé de 5 personnes.

$N=\frac{1,1\ \times {10}^8 \times 1}{1,8 \times {10}^2}$

$N=6,1 \times {10}^5$

Il faudrait 6,1×10⁵ dispositifs pour fournir quotidiennement en électricité un foyer composé de 5 personnes.

6 – Calculer la surface totale occupée par l’ensemble des dispositifs.

Conclure sur la possibilité d’utilisation des dispositifs de photosynthèse artificielle pour alimenter quotidiennement un foyer en électricité.

Calculons la surface totale occupée par l’ensemble des dispositifs.

Nombre de dispositifs	Surface
1	10 cm²=10×10^-4 m²
6,1×10⁵	S

$S=\frac{6,1 \times {10}^5 \times 10 \times {10}^{-4}}{1}$

S=610 m²

La surface totale occupée par l’ensemble des dispositifs est de 610 m².

Il n’est actuellement pas possible d’utiliser des dispositifs de photosynthèse artificielle pour alimenter quotidiennement un foyer en électricité.

Il faudrait augmenter leur efficacité énergétique.

Partie 3 – L’intérêt de la photosynthèse artificielle

Document 2 – Les besoins d’énergie dans le futur

La population mondiale estimée à 7,7 milliards d’habitants en 2019 ne cessera de croître pour atteindre 9,8 milliards d’habitants en 2050. En poursuivant le rythme actuel de consommation d’énergie, celle-ci passerait d’environ 17 térawatts en 2019 à 30 térawatts en 2050. (Note : 1 térawatt = 10¹² watts)

Source : d’après M. Fontecave ; « Photosynthèse : du CO₂ aux carburants solaires » ; Colloque Chimie et lumière, 26 février 2020, Fondation de la Maison de la Chimie.

Document 3 – Proportion de l’utilisation des différentes sources d’énergie sur la planète

Source : d’après M.Fontecave ; « Photosynthèse : du CO₂ aux carburants solaires » ; Colloque Chimie et lumière, 26 février 2020, Fondation de la Maison de la Chimie.

7 – À l’aide des documents 2 et 3 ainsi que des connaissances, discuter de l’intérêt de la photosynthèse artificielle en lien avec les défis auxquels l’humanité est confrontée.

Le document 2 indique que la population mondiale augmente et que les besoins énergétiques augmenteront de manière significative.

Le document 3 nous montre que la part des énergies renouvelables dans la production énergétique est faible.

Les défis sont multiples :

Trouver des ressources pour produire de l’énergie
Augmenter la part d’énergies renouvelables
Diminuer la concentration en CO₂ dans l’air.

La photosynthèse artificielle cherche à imiter le processus naturel de conversion de la lumière solaire en énergie chimique, comme le font les plantes. En développant des systèmes artificiels capables de produire de l’énergie de cette manière, nous pouvons augmenter la part d’énergie renouvelable.

De plus, l’utilisation de la photosynthèse artificielle pour produire des carburants propres ce qui pourrait contribuer à la réduction des émissions de gaz à effet de serre.

La photosynthèse artificielle présente donc un intérêt majeur dans la résolution des défis auxquels l’humanité est confrontée.

Nombre de dispositifs	Energie
1	$1,8 \times {10}^2$
N	$1,1\ \times {10}^8$