Une énergie verte à la ferme, le miscanthus

Sujet avec enseignement de mathématiques spécifique

Enseignement scientifique première

Durée 1h12 – 12 points – Thème « Le Soleil, notre source d’énergie »

Parmi les sources d’énergie renouvelables, une filière énergétique se développe : celle du miscanthus, une plante de la famille des graminées. Les agriculteurs l’implantent en général sur des parcelles éloignées des fermes et difficiles d’accès, où les cultures céréalières sont peu rentables.

Ce débouché permet de diversifier leur activité, de sécuriser une entrée d’argent en revendant leur récolte mais aussi de compléter d’autres dispositifs afin d’envisager pour leur exploitation une autonomie sur le plan énergétique.

Dans cet exercice il est question de l’intérêt d’une telle culture.

Document 1 – Valorisation de la biomasse

La biomasse représente un potentiel énergétique important dont la part augmente régulièrement. Elle peut être valorisée par combustion ou par fermentation puis convertie pour différents usages. Les flèches du document ci-dessous présentent des exemples de conversion de la biomasse et différents usages de celle-ci.

Source : www.innopy.fr

Document 2 – Présentation du miscanthus à différentes échelles

Plan de miscanthus et schéma d’interprétation

Le miscanthus est une plante herbacée photosynthétique à fort potentiel de production de biomasse. En particulier, le miscanthus produit de la matière organique sous forme de cellulose, composant principal de ses parois cellulaires.

Il nécessite cependant un sol bien pourvu en eau, ce qui peut conditionner son implantation en fonction des régions.

Sources : Nathan, Mazziotti, et svtice-hatier.fr

Document 3 – « Faire pousser le chauffage »

Le miscanthus est une alternative énergétique intéressante d’un point de vue écologique mais aussi d’un point de vue économique, comme le montre son pouvoir calorifique : une tonne de bois brûlée produit 3300 kWh alors qu’une tonne de foin de miscanthus en dégage 4700 kWh.

Un village envisage d’exploiter cette ressource et compare le coût des différentes sources d’énergie. Au moment où l’étude préalable est faite, le bois a un coût qui s’élève à 0,12 €/kWh, le gaz à 0,085 €/kWh, l’électricité à 0,19 €/kWh et le miscanthus à 7 centimes le kilowattheure.

Des agriculteurs voisins du village peuvent faire pousser 27 hectares de miscanthus pour alimenter ce village et estiment la récolte annuelle à environ 15 tonnes de ce foin pour un hectare de culture.

Source : d’après www.leseclaireurs.canalplus.com

1 – Rappeler de quelle matière sont constituées toutes les sources d’énergie regroupées sous l’appellation « biomasse ».

La biomasse est constituée principalement de matières organiques d’origine végétale et animale.

Elle inclut des résidus agricoles, des déchets forestiers et des matières d’origine animale (comme le fumier).

Ces matériaux contiennent des composés qui peuvent être convertis en énergie par divers procédés.

2 – À partir du document 1 ou des connaissances, proposer un exemple de valorisation de la biomasse par combustion et un exemple de valorisation par fermentation.

Un exemple de valorisation de la biomasse par combustion est l’utilisation de résidus de bois pour le chauffage. Cette méthode permet de générer de l’énergie thermique de manière efficace et renouvelable, tout en réduisant la dépendance aux énergies fossiles.

Un exemple de valorisation de la biomasse par fermentation est la production de biogaz à partir de déchets organiques. Ce biogaz peut être utilisé pour générer de l’électricité et de la chaleur, ou comme carburant pour les véhicules, tout en contribuant à la gestion des déchets organiques.

3 – À partir du document 2 et des connaissances, expliquer comment le miscanthus utilise l’énergie solaire pour produire sa biomasse.

Le miscanthus utilise l’énergie solaire pour produire sa biomasse grâce à la photosynthèse.

Lors de la photosynthèse, le miscanthus capte l’énergie solaire et l’utilise pour convertir le dioxyde de carbone (CO₂) de l’air et l’eau (H₂O) du sol en glucose (C₆H₁₂O₆) et en dioxygène (O₂).

Le glucose est utilisé pour synthétiser la cellulose, un polysaccharide complexe qui compose les parois cellulaires du miscanthus. La cellulose, constituant principal de la biomasse du miscanthus.

4 – À l’aide d’un calcul, montrer que la quantité d’énergie que le village évoqué dans le document 3 peut espérer produire en utilisant toute la récolte de miscanthus produite en une année vaut 1,9 × 10⁶ kWh.

D’après le document 3 :

Une tonne de foin de miscanthus en dégage 4700 kWh.
Des agriculteurs voisins du village peuvent faire pousser 27 hectares de miscanthus pour alimenter ce village.
Ils estiment la récolte annuelle à environ 15 tonnes de ce foin pour un hectare de culture.

15 tonnes de foin de miscanthus	un hectare
m	27 hectares

$m=\frac{27 \times 15}{1}$

m=405 tonnes de foin

Une tonne de foin de miscanthus	4700 kWh
405 tonnes de foin de miscanthus	E

$E=\frac{405 \times 4700}{1}$

$E=1,9 \times {10}^6\ kWh$

Ainsi, la quantité d’énergie que le village évoqué dans le document 3 peut espérer produire en utilisant toute la récolte de miscanthus produite en une année vaut 1,9 × 10⁶ kWh.

5 – En considérant que la consommation énergétique moyenne d’un foyer pour le chauffage est égale à 7000 kWh par an, calculer le nombre de foyers qui pourraient être chauffés par cette source d’énergie.

Un foyer	7000 kWh
N foyers	E

$E=\frac{1,9 \times {10}^6 \times 1}{7000}$

E=271 foyers

En considérant que la consommation énergétique moyenne d’un foyer pour le chauffage est égale à 7000 kWh par an, 271 foyers pourraient être chauffés par cette source d’énergie.

6 – Évaluer, pour un foyer, l’économie annuelle réalisée par rapport à un chauffage à l’électricité.

Au moment où l’étude préalable est faite, le bois a un coût qui s’élève à 0,12 €/kWh, le gaz à 0,085 €/kWh, l’électricité à 0,19 €/kWh et le miscanthus à 7 centimes le kilowattheure.

$Prix\ chauffage\ electricite=7000 \times 0,19$

$Prix\ chauffage\ electricite=1330€$

$Prix\ chauffage\ miscanthus=7000 \times 0,07$

$Prix\ chauffage\ miscanthus=490€$

$Economie=Prix\ chauffage\ electricite-Prix\ chauffage\ miscanthus$

$Economie=1330-490$

$Economie=840\ €$

Pour un foyer, l’économie annuelle réalisée par rapport à un chauffage à l’électricité est de 840€.

7 – Citer deux autres sources d’énergie renouvelables qui peuvent être associées à la culture du miscanthus pour compléter la production d’énergie d’une exploitation agricole qui souhaiterait devenir plus autonome d’un point de vue énergétique.

Deux autres sources d’énergie renouvelables qui peuvent être associées à la culture du miscanthus pour compléter la production d’énergie d’une exploitation agricole sont, par exemple, l’énergie solaire et l’énergie éolienne.

Ces deux sources d’énergie renouvelables, associées avec la biomasse produite par le miscanthus, peuvent aider à rendre une exploitation agricole plus autonome et durable d’un point de vue énergétique.

8 – À partir des documents et des connaissances, rédiger un texte permettant de dégager au moins deux avantages et deux inconvénients à l’utilisation du miscanthus comme source d’énergie.

L’utilisation du miscanthus comme source d’énergie présente plusieurs avantages et inconvénients.

Parmi les avantages, le miscanthus se distingue par son fort potentiel de production de biomasse, ce qui en fait une ressource efficace pour générer une grande quantité d’énergie renouvelable. De plus, en capturant du dioxyde de carbone durant la photosynthèse, le miscanthus contribue à la réduction des gaz à effet de serre, aidant ainsi à atténuer le changement climatique.

Cependant, cette culture présente aussi des inconvénients. D’une part, le miscanthus nécessite un sol bien pourvu en eau, ce qui peut limiter sa culture dans des régions arides et exercer une pression supplémentaire sur les ressources en eau locales. D’autre part, la culture du miscanthus peut réduire les surfaces disponibles pour les cultures destinées à l’alimentation humaine et animale, affectant ainsi la sécurité alimentaire.