Océan - Séance III.7 Produire de l'énergie à partir des océans

Résumé

Les élèves fabriquent une turbine et étudient un document évoquant les différentes opportunités offertes par les océans pour la production d’énergies renouvelables.

Notions

· les océans offrent des ressources énergétiques

o   l'eau en mouvement peut faire tourner une turbine et produire de l'électricité

o   les marées permettent une alimentation électrique très stable, 4 fois par jour

o   les courants sont intermittents près des côtes

· ces sources d'énergie sont renouvelables et n'émettent pas de gaz à effet de serre

Modalités d’investigation

Expérimentation

Matériel

Pour la classe

· (si possible, mais non indispensable) un pistolet à colle

· (Facultatif) de quoi « électrifier » le dispositif :

o   Un alternateur (« dynamo » de vélo)

o   Une ampoule

o   2 fils électriques munis de pinces crocodiles

Pour chaque groupe

· Matériel divers : bouchons en liège, carton épais, planchettes de bois (type « bâton de glace), cuillères en plastique, pics à brochette, vrilles…

Pour chaque élève

· Photocopie de la Fiche 58 ( L’océan, source d’énergie )

Lexique

Turbine, alternateur, énergie marémotrice, énergie hydrolienne

Durée :

1h30 à 2h00

Question initiale

Suite à la séance précédente, la classe reprend sa réflexion sur la nécessité de trouver des énergies alternatives au pétrole. L’enseignant demande si les océans peuvent fournir d’autres types d’énergie, moins polluantes.

Les élèves savent en général qu’on peut utiliser le mouvement de l’eau pour produire de l’énergie même s’ils pensent parfois que cet usage est réservé à la terre ferme et pas aux océans (moulin à eau, centrale hydraulique…). La classe peut évoquer les différents phénomènes qui se traduisent par un mouvement d’eau au sein des océans : marées, vagues, courants. Chacun peut être exploité pour fournir de l’énergie (pour les vagues, c’est un peu plus complexe que pour les marées et les courants).

 Note scientifique :

  • Il existe encore d’autres technologies, qui produisent de l’énergie à partir des différences de salinité ou de température des océans. Il est cependant très improbable que les élèves les connaissent.

L’enseignant leur demande alors de réaliser un dispositif qui permet d’exploiter l’énergie des courants marins pour soulever une petite masse. Il s’agit de fabriquer une turbine:

Conception de la turbine

Les élèves, répartis en différents groupes, doivent trouver un moyen d’utiliser le mouvement de l’eau pour soulever une charge. Ils réalisent un schéma de leur dispositif sur une grande feuille, sans manipuler le matériel (en  cas de difficulté, ils peuvent cependant aller voir quel est le matériel disponible).

L’enseignant récupère tous les schémas, qui sont discutés en commun afin de chercher quels sont ceux qui ont des chances de fonctionner (et pourquoi) et quels sont ceux qui risquent de ne pas marcher (et pourquoi).

Expérimentation

Dès lors que chaque projet a été discuté devant la classe et que les éventuelles améliorations ont été évoquées, les élèves, toujours répartis en groupes, peuvent utiliser le matériel et réaliser leur dispositif. 

 

Différents types de turbines réalisées dans les classes de CM2 d’Anne-Marie Lebrun (Bourg-La-Reine) et de Kevin Faix (Le Krémlin-Bicêtre).
En bas, lorsque la turbine tourne, la ficèle s’enroule autour de l’axe, ce qui soulève la charge.

Note scientifique

  • Dans certains cas, il pourra être utile d’utiliser un pistolet à colle pour bien solidariser tous les éléments. Il est préférable de laisser cette tâche à l’enseignant (ou tout du moins de la laisser faire par les élèves mais sous la surveillance étroite de l’enseignant) en raison du risque de brûlure.

Mise en commun

Chaque groupe fait la démonstration de son dispositif, et la classe discute de son efficacité. La turbine tourne-t-elle ? La masse est-elle soulevée ?

Quelques exemples de difficultés fréquemment rencontrées :

  • · La turbine ne comporte pas assez de pâles (exemple, il n’y a que 2 pâles, diamétralement opposées : il en faut au moins 3 pour que cela tourne sans arrêt)
  • · Les pâles ne sont pas convenablement orientées, et offrent ainsi une faible surface au jet d’eau
  • · Il n’y a pas d’axe de rotation, ou celui-ci a été immobilisé (soit volontairement, avec de la colle, soit involontairement, quand l’axe sert également de support à la turbine)
  • · L’axe de rotation n’est pas dans le bon plan…

Expérience collective (facultatif)

Si l’enseignant possède le matériel adéquat (un alternateur, une LED, 2 fils électriques), il peut demander à la classe comment l’on peut utiliser la turbine pour produire de l’électricité. En cas de besoin, il peut introduire lui-même l’idée d’utiliser un alternateur (improprement appelé « dynamo ») de bicyclette.

L’expérience est réalisée collectivement : il s’agit d’utiliser l’axe de l’alternateur comme axe de rotation de la turbine (on peut avoir besoin de réaliser une nouvelle turbine, collée sur un bouchon de bouteille, lui-même fixé sur l’axe de l’alternateur). On constate parfois que le jet d’eau n’est pas assez puissant pour faire tourner l’ensemble. Si c’est le cas, montrer que le dispositif marche en le tournant à la main, et évoquer le fait que les courants marins sont autrement plus puissants que ce jet d’eau. L’étude documentaire, plus tard dans la séance, permet de confirmer que ce principe est bien mis en œuvre.

Note scientifique

  • Un alternateur est un dispositif qui produit un courant alternatif (d’où son nom), tandis qu’une dynamo produit un mouvement continu. Par abus de langage, on appelle « dynamo » l’équipement qui, sur un vélo, permet de produire de l’électricité à l’aide du mouvement de la roue, alors qu’il s’agit en réalité d’un alternateur.

Etude documentaire

L’enseignant distribue à chaque élève la Fiche 58 . Après un temps de lecture individuel, il organise une discussion collective : quelles sont les ressources énergétiques offertes par les océans, fonctionnent-elles toutes sur le même principe, etc.

Cette discussion est l’occasion de revenir sur le constat fait précédemment (cf Séance III-3 «  L’observation des océans  » ) : l’observation des océans et la connaissance des océans sont des enjeux de premier plan, et qui restent actuels. L’observation satellite, par exemple, permet d’étudier la force des vents et des courants, pour mieux décider de l’endroit où implanter d’éventuelles éoliennes/hydroliennes.

Conclusion

L’océan offre de nombreuses ressources énergétiques renouvelables : le mouvement de l’eau issu des marées, des courants ou des vagues peut être converti en électricité, tout comme la force du vent, plus fort au large que sur la côte…

Prolongements

L’océan offre de nombreuses ressources : énergétiques (c’est l’objet de cette séance), alimentaires (cf séance suivante)… mais aussi minérales. L’enseignant peut étudier cet aspect dans la continuité de cette séance sur l’énergie. Il s’agit d’étudier par exemple comment on peut extraire du sel de l’eau de mer. Des expériences simples montreront qu’on ne peut extraire le sel par filtration et qu’il faut faire évaporer de l’eau. Une étude documentaire sur les marais salants permettra de compléter ce travail.

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte ESA SHOM Expéditions TARA Editions Le Pommier