Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3205 et n°ENSSCI3210
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Les panneaux solaires photovoltaïques convertissent directement l’énergie radiative du soleil en électricité. Il en existe différents 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 voltaïques 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’État, 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.
Source : d’après les sites Greenpeace.fr et engie.fr
Document 2 – Des cellules photovoltaïques biologiques
La photosynthèse permet la conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique utilisable par les cellules. Cette conversion s’effectue grâce à des complexes moléculaires appelés photosystèmes, composés d’un ensemble de protéines et de pigments chlorophylliens (chlorophylle brute). Au sein de ces photosystèmes, il y a absorption de photons et libération d’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 libérés 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 composés chimiques toxiques ni fabrication coûteuse en énergie et pourrait permettre de produire des panneaux solaires biologiques bon marché.
Pour de tels panneaux solaire, l‘énergie électrique annuelle produite par unité de surface atteint actuellement 81 × 10-6 Wh/cm² (watts heure par centimètre carré). Cette valeur est bien en-deçà des 106 × 10-4 kWh/cm² développés en moyenne par des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin en condition standard.
Source : d’après SCIENTIFIC REPORTS du 2 février 2012
1- Caractériser la conversion d’énergie effectuée par une cellule photovoltaïque.
Une cellule photovoltaïque convertie une énergie lumineuse en énergie électrique.
2- À partir des éléments donnés dans les documents 1 et 2, présenter les avantages et les limites des panneaux photovoltaïques monocristallins et des panneaux photovoltaïques biologiques.
D’après le document 2, les panneaux photovoltaïques monocristallins produisent bien plus d’électricité par unité de surface que les cellules photovoltaïques biologiques.
Cependant, d’après le document 1 leur fabrication est complexe et coûteuse en énergie. De plus, leur production nécessite l’extraction du silicium cristallin, qui peut avoir des impacts environnementaux et sociaux, notamment en Chine où des scandales ont été dénoncés.
Le document 2 présente les cellules photovoltaïques biologiques comme une alternative intéressante, car elles utilisent des matériaux biologiques renouvelables sans nécessiter de composés chimiques toxiques ni une fabrication coûteuse en énergie. Cependant, la production de ces panneaux solaires biologiques est actuellement moins efficace que celle des panneaux monocristallins.
3- Considérons une maison basse consommation de 100 m2 dont la consommation annuelle moyenne est 5 000 kWh et dont la surface de toiture est d’environ 120 m2.
3-a– Montrer que la surface de panneaux monocristallins nécessaire pour couvrir les besoins de cette maison est environ 47 m².
Pour couvrir les besoins d’une maison basse consommation de 100 m², il faut produire 5000 kWh par an.
Les cellules photovoltaïques en silicium monocristallin en condition standard produisent 106 × 10-4 kWh /cm².
| $106 \times 10^{-4} kWh$ | $1\ \text{cm}^2$ |
| 5000 kWh | Surface |
$$\text{Surface}=\frac{5000 \times 1 \times 10^{-4}}{106 \times 10^{-4}}=47\ \text{m}^2$$
La surface de panneaux monocristallins nécessaire pour couvrir les besoins d’une maison basse consommation de 100 m² est environ 47 m².
3-b– Calculer la surface d’une installation photovoltaïque biologique qui serait nécessaire pour couvrir les besoins de cette maison.
Dans le cadre d’une installation photovoltaïque biologique. Les cellules photovoltaïques biologique produisent 81 × 10-6 kWh /cm².
Pour couvrir les besoins d’une maison basse consommation de 100 m², il faut produire 5000 kWh par an.
| $81 \times 10^{-6}$ | $1\ \text{cm}^2=1 \times 10^{-4}\ \text{m}^2$ |
| $5000\ \text{kWh}=5000 \times 10^{3}\ \text{Wh}$ | Surface |
$$\text{Surface}=\frac{5000 \times 10^{3} \times 1 \times 10^{-4}}{81 \times 10^{-6}}=6\ 173\ \text{m}^2$$
La surface de panneaux photovoltaïques biologique nécessaire pour couvrir les besoins d’une maison basse consommation de 100 m² est environ 6 173 m².
3-c– Comparer les deux résultats précédents et conclure.
La surface d’une installation photovoltaïque biologique qui est nécessaire (6 173 m²) pour couvrir les besoins de cette maison est beaucoup trop grande, il est impossible d’avoir cette surface pour chaque maison.
La surface d’une installation photovoltaïque de panneaux monocristallins qui est nécessaire (47 m²) pour couvrir les besoins de cette maison est réalisable.
Ainsi, la technologie photovoltaïque biologique n’est pas adaptée aux besoins d’une maison contrairement à la technologie photovoltaïque de panneaux monocristallins qui est adaptée.
Document 3 – Spectres d’absorption
Source : d’après EUPNSEC, 2016
Document 4 – Spectre d’émission du Soleil
Source : Lelivrescolaire.fr
4- À partir des spectres donnés ci-dessus :
4-a– Déterminer pour quelle partie du spectre d’émission solaire une cellule photovoltaïque biologique absorbe le plus de rayonnement.
Sur le document 3, on remarque qu’une cellule photovoltaïque biologique absorbe le plus de rayonnement entre 400nm et 650 nm soit sur la partie du spectre visible.
4-b- Expliquer l’inconvénient d’utiliser des cellules photovoltaïques biologiques au lieu de cellules en silicium.
Sur le document 3, on remarque qu’une cellule en silicium absorbe le plus de rayonnement entre 450nm et 800 nm soit sur la partie du spectre visible et il absorbe également les infrarouges.
La lumière du soleil est dans le visible et l’infrarouge.
Les cellules photovoltaïques biologiques n’absorbent pas toute la lumière du soleil contrairement aux cellules en silicium.
5- En vous appuyant sur l’ensemble de vos résultats, montrer que, malgré leurs avantages, les panneaux solaires biologiques développés en 2012, n’étaient pas une alternative pertinente à explorer par les chercheurs au regard des éléments donnés dans les documents.
Pour un même besoin énergétique, la surface nécessaire avec des panneaux solaires biologiques est beaucoup plus grande que celle nécessaire avec les cellules en silicium.
Les cellules photovoltaïques biologiques n’absorbent pas toute la lumière du soleil contrairement aux cellules en silicium.
Ces limites techniques ne permettaient pas une production d’électricité suffisante.
Ainsi, malgré leurs avantages, notamment leur fabrication à partir de matières biologiques renouvelables, les panneaux solaires biologiques développés en 2012 n’étaient pas une alternative pertinente.