Hydrates de Gaz

Report
Résolution de problèmes scientifiques
Thème : L’eau
Sous-thème : Eau et ressources
Mot clé :
Hydrates de gaz
Durée estimée : 2 h
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Hydrate de gaz au fond de l’océan libérant du
méthane
Molécule de méthane CH4
Molécule d’eau H2O
Hydrates de gaz en feu
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Énoncé
La pénurie annoncée des ressources fossiles (pétrole,
gaz naturel, charbon) a rendu nécessaire et impératif
la recherche et le développement de nouvelles sources
d’énergie. Dans ce contexte, les ressources
énergétiques issues de la mer ont aussi leur place…
À l’aide des documents suivants, apporter une réponse
argumentée à la problématique suivante :
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Quelle est la problématique ?
Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la
ressource énergétique propre du futur ?
Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la
solution face à l’épuisement des ressources fossiles ?
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Version brute
Énoncé de la problématique
Problème
Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique
propre du futur ? Seraient la solution face à l’épuisement des ressources fossiles ?
Justifiez dès que possible vos propos à l’aide de calculs.
Exercez un regard critique sur vos calculs et votre argumentation.
Remarque :
L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique des résultats sont
évaluées et nécessitent d’être correctement présentées.
Données :
Masses molaires : M(H) = 1 g.mol-1 ; M(C) = 12 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Version guidée
Énoncé de la problématique
Problème
Peut-on considérer que les hydrates de gaz seraient la ressource énergétique propre du futur ? Seraient
la solution face à l’épuisement des ressources fossiles ?
Pour répondre à la problématique, déterminer l’état physique des mélanges d’eau et de méthane à la
surface de la Terre (à la pression atmosphérique).
Puis, calculer le nombre d’années de ressources présentes dans les hydrates de gaz au fond des océans
dont dispose l’Homme.
Écrire l’équation de combustion complète pour chacun des trois combustibles cités afin de comparer les
masses de dioxyde de carbone rejeté par ceux-ci.
Exercez un regard critique sur vos calculs et votre argumentation.
Remarque :
L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique des résultats sont évaluées et nécessitent
d’être correctement présentées.
Données :
Masses molaires : M(H) = 1 g.mol-1 ; M(C) = 12 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1
Document 1
Qu’est-ce qu’un hydrate de gaz ?
Les hydrates de gaz sont des molécules de gaz,
essentiellement du méthane CH4, entourées par un
réseau de molécules d’eau disposées en cage. Ils ont
l’apparence et la consistance de la glace.
Les hydrates de gaz sont naturellement présents dans
les fonds marins, plus précisément dans les sédiments
à la marge des plateaux et sur les talus continentaux,
ainsi que dans le pergélisol (couche du sol gelée en
permanence) des régions polaires.
Une importante quantité de matière organique qui se
dépose sur les fonds océaniques est incorporée dans
les sédiments. Sous l’action des bactéries anaérobies,
ces matières organiques se transforment en
méthane : un volume très important de méthane est
ainsi produit.
Une partie de ce méthane se combine aux molécules
d’eau pour former l’hydrate de méthane, dans une
fourchette bien définie de température et de
pression.
« Les hydrates de méthane constituent un fabuleux
trésor énergétique, deux fois l’équivalent de méthane
des réserves prouvées de charbon, pétrole et gaz
réunis.
En effet, 1 m3 d’hydrate de méthane peut piéger
164 m3 de méthane durant sa formation.
Le service géologique américain (USGS) a récemment
estimé à 20 millions de km3 le volume de méthane
piégés dans les hydrates de méthane dans les fonds
marins et les sols gelés arctiques.
Les techniques d’extraction actuelles ne permettent
pas une exploitation rentable et sécurisée des
gisements. Une libération incontrôlée de méthane
serait préjudiciable pour l’environnement car le
pouvoir de gaz à effet de serre du méthane est 25 fois
plus important que celui du dioxyde de carbone. »
Extrait de « Les hydrates de gaz naturel » Ifremer
S’informer
La consommation mondiale de gaz naturel est
considérée stable à 3 000 milliards de m3 par an.
Document 2
Domaine de stabilité des hydrates de gaz ?
Le diagramme suivant montre que l’état physique des mélanges d’eau et de méthane
dépend de deux paramètres : la pression et la température.
Données : Patm =
1,013.105
Pa
1MPa = 1,0.106 Pa.
Hydrate de méthane en feu posé sur le sol, récupéré
dans la zone III et remonté à la surface de la Terre dans
ses conditions de stabilité.
Document 3
Énergies de combustion de sources fossiles ?
Le charbon, l’essence, le méthane sont des
exemples de combustibles qui lors de réaction de
combustion, produisent de l’énergie thermique.
La réaction combustion s’obtient en faisant réagir
un combustible et un comburant (dioxygène
O2(g)).
Lorsque la combustion d’un hydrocarbure est
complète, les produits sont du dioxyde de
carbone gazeux CO2 et de l’eau H2O (qui selon les
conditions de pression et de température, pourra
être sous forme liquide ou vapeur).
Afin de pouvoir comparer l’efficacité de différents
combustibles on définit le pouvoir calorifique (ou
énergie de combustion). Il correspond à la chaleur
libérée par la combustion complète d’un kg d’un
combustible. Il s’exprime en kJ/kg.
Le pouvoir calorifique est utilisé pour calculer et
comparer la masse de dioxyde de carbone CO2(g)
rejetée lors de différentes combustions pour
produire 1,0 GJ d’énergie.
Combustible
Pouvoir calorifique
(en kJ/kg)
Le méthane CH4(g)
51.103
L’essence est considérée
comme un mélange
d’octane C8H18(g)
45.103
Le charbon contient
en moyenne 80%
de carbone C(s)
35.103
Document 4
Le projet SUGAR
Le projet SUGAR a été lancé pendant l’été 2008. Plus de 20 partenaires du monde économique et
scientifique développent de nouvelles technologies, afin d’extraire du gaz naturel (méthane) à partir
d’hydrates de méthane dans les fonds marins et de stocker de façon sûre, dans ces mêmes fonds
marins, du CO2 provenant de centrales thermiques et d’autres sites industriels.
Par des tests en laboratoire, les scientifiques ont pu montrer comment la substitution du méthane par
du dioxyde de carbone dans les hydrates fonctionnait, et comment elle pouvait être accélérée. En
parallèle, les partenaires industriels du projet ont réussi à développer pour les pétroliers un concept de
transport de méthane sous forme de granulats d’hydrate. Alors que SUGAR entre dans sa deuxième
phase, (il a débuté en août 2011, se prolongera jusqu’en 2014), plusieurs expéditions maritimes sont
prévues, au cours desquelles les méthodes développées en laboratoire seront mises en application.
[…]
Le projet SUGAR pourrait donc aider à réduire les émissions mondiales de CO2. Un intérêt international
pour ce projet croît de jour en jour, et une troisième phase est d’ores et déjà prévue à partir de 2014 au
cours de laquelle les méthodes testées en phase deux seront utilisées en conditions réelles sur le
terrain.
Myrina MEUNIER, BE Allemagne n°539, 15 septembre 2011.
www.bulletins-electroniques.com
SUGAR acronyme signifiant : Submarine Gashydrat-Lagerstatten : Erkundung, Abbau und Transport
(gisements sous-marins d’hydrates de gaz : prospection, exploitation et transport).
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Proposition de corrigé
Zone III : Domaine de stabilité des hydrates de gaz
 0°C < T < 15°C
 P > 3 MPa
 Entre 300 m et 1500 m de profondeur
La pression atmosphérique est 1,013.105 Pa =
1,013.105 × 1
1,0.106
MPa = 0,10 MPa
États physiques des hydrates de méthane à la surface de la Terre
 À l’état eau liquide + méthane gaz (Zone I)
 À l’état eau solide (glace) + méthane gaz : (Zone II)
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Proposition de corrigé
♦ Réserve de méthane au fond de l’océan : 20 millions de km3
♦ Consommation mondiale de gaz naturel : 3 000 milliards de m3 par an
1 an ↔ 3000 km3
x années ↔ 20.106 km3
x = 20.106 / 3000 = 6,7.103 années.
L’homme disposerait d’environ 6700 années de ressources dans les hydrates de gaz
au fond des océans, ce qui constitue une réserve gigantesque.
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Proposition de corrigé
Équations de combustion des trois combustibles
♦ Le méthane
CH4(g)
+ 2 O2(g)
→ CO2(g)
+
2 H2O(g)
♦ L’essence (octane)
2 C8H18(g)
+ 25 O2(g)
→ 16 CO2(g)
♦ Le charbon
C(s)
+ O2(g)
→ CO2(g)
+
18 H2O(g)
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Proposition de corrigé
Calcul de la masse de dioxyde de carbone rejeté par la combustion du
méthane pour produire 1 GJ d’énergie.
CH4(g)
+ 2 O2(g)
→ CO2(g)
+
2 H2O(g)
La combustion de 1Kg de méthane libère 51.103 kJ
Pour 1,0 GJ =
109
J, la masse de méthane brûlée
1,0.109
est : m(CH4) = 51.106
= 2,0.101 kg = 2,0.104 g
La quantité de matière de CO2 formée est égale à la quantité de matière de CH4 brûlée est :
n(CO2) = n(CH4)
La masse de CO2 formée est : m(CO2)= n(CO2) × M(CO2) =
2,0.104
m(CO2) = 16
m(CH4 )
× M(CO2)
M(CH4 )
× 44 = 55.103 g = 55 kg
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Proposition de corrigé
Combustible
Masse de CO2(g) rejeté pour produire
1 GJ d’énergie
Méthane
55 kg
Essence
68 kg
Charbon
84 kg
Le méthane est seulement une énergie plus propre que le charbon et l’essence !
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Proposition de corrigé
Hydrates de gaz : Ressource de la mer du futur ?...
Peut-être un jour !...
Les points positifs
Les points négatifs
Problèmes techniques et financiers à surmonter :
- Système de forage adapté aux grandes profondeurs (coût
élevé)
- Système d’exploitation spécifique pour remonter les hydrates
de gaz en les maintenant stables
Technique d’extraction mal maîtrisée : elle pourrait libérer
accidentellement du méthane, gaz à effet de serre (effets 25
fois plus importants que ceux du CO2)
Combustion du méthane : libération de CO2, gaz à effet de
serre, en quantités non négligeables par rapport aux autres
sources fossiles
Projet SUGAR
Projet prometteur
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
Niveau A : les indicateurs choisis apparaissent dans leur quasi-totalité
Niveau B : les indicateurs choisis apparaissent partiellement
Niveau C : les indicateurs choisis apparaissent de manière insuffisante
Niveau D : les indicateurs choisis ne sont pas présents
Compétences
S’approprier
Extraire l'information utile
Analyser
Construire la démarche
Exploiter ses connaissances et les informations extraites
Réaliser
Effectuer des calculs littéraux ou numériques
Valider
Discuter du résultat obtenu au regard de la problématique
Faire preuve d'esprit critique
Communiquer
Rédiger une réponse argumentée
A
B
C
D
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
S’approprier
« Extraire l’information utile »
Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
Document 1
• Les hydrates de gaz sont présents dans les sédiments océaniques entre 500 et 1500 m de profondeur.
• Les hydrates de gaz sont formés de molécules d’eau formant des cages qui stockent du gaz,
essentiellement du méthane : 1 m3 d’hydrate de méthane piège 164 m3 de méthane.
• Le stock de méthane piégé est estimé à 20 millions de km3 par le service géologique américain (USGS).
Ce stock est deux fois plus important que les réserves de charbon, pétrole et gaz réunis.
• Les techniques d’extraction actuelles ne permettent pas une exploitation rentable et sécurisée des
gisements.
Document 2
• Les hydrates de gaz ne sont stables que dans certaines conditions de température et de pression .
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
S’approprier
« Extraire l’information utile »
Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
Document 3
• Le méthane est un combustible fossile. Sa combustion complète libère du dioxyde de carbone et de
l’eau.
• Définition du pouvoir calorifique. Il est utilisé pour calculer et comparer la masse du dioxyde de carbone
rejetée lors de différentes combustions pour produire 1,0 GJ d’énergie.
Document 4
• Le projet SUGAR vise à réduire les émissions mondiales de dioxyde de carbone en substituant le
méthane piégé dans les hydrates par du dioxyde de carbone provenant des centrales thermiques et
d’autres sites industriels.
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
Attribution du niveau de maîtrise
Niveau A
8 items
Niveau B
1 à 2 items manquants
Niveau C
3 à 7 items manquants
Niveau D
8 items manquants
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
ANALYSER
« Construire la démarche »
« Exploiter ses connaissances et les informations extraites »
Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
• Détermination précise des domaines de stabilité des hydrates de méthane : stables sous
P > 3 MPa et 0 < T < 15°C.
• Convertir la pression atmosphérique en MPa pour définir, à partir du diagramme du
document 2, l’état physique des hydrates de gaz à la surface de la Terre.
• Évaluation du nombre d’années de la ressource méthane dont dispose l’homme.
• Écrire l’équation de combustion complète de chaque combustible et exploiter le pouvoir
calorifique pour déterminer :
- la masse de chaque combustible cité dans le document 3 nécessaire à la production de
1,0 GJ d’énergie
- la masse de dioxyde de carbone rejetée lors de la combustion complète de chaque
combustible
• Le méthane est un gaz à effet de serre : comparaison de la masse de dioxyde de carbone
rejetée lors de sa combustion complète par rapport à celles rejetées par les combustions du
charbon et de l’essence.
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
Attribution du niveau de maîtrise
Niveau A
5 items
Niveau B
1 item manquant
Niveau C
2 à 4 items manquants
Niveau D
5 items manquants
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
REALISER
« Effectuer des calculs littéraux ou numériques »
Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
• Conversion de la pression atmosphérique en MPa : 1,013.105 Pa = 0,10 MPa
• Calcul du nombre d’années de la ressource méthane : 6,7.103 années.
• À partir des valeurs numériques des pouvoirs calorifiques, calcul de la masse de chaque
combustible nécessaire à la production de 1,0 GJ.
• Calcul de la masse de dioxyde de carbone rejetée par chaque combustible.
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
Attribution du niveau de maîtrise
Niveau A
4 items
Niveau B
1 item manquant
Niveau C
2 à 3 items manquants
Niveau D
4 items manquants
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
VALIDER
« Discuter du résultat obtenu au regard de la problématique »
« Faire preuve d’esprit critique »
Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
• La comparaison des masses de dioxyde de carbone rejetée par chaque combustible montre que :
- le méthane n’est pas une ressource énergétique propre puisque sa combustion produit des
quantités non négligeables de dioxyde de carbone, gaz à effet de serre
- le méthane apparaît seulement comme une énergie plus propre que le charbon et l’essence.
• L’homme dispose au fond de l’océan une réserve gigantesque d’hydrates de méthane qui pourrait faire
face à l’épuisement des ressources fossiles.
• L’exploitation commerciale des hydrates de méthane n’est pas rentable à l’heure actuelle : systèmes de
forage et d’exploitation adaptés aux grandes profondeurs très coûteux.
• L’exploitation commerciale des hydrates de méthane n’est pas sécurisée à l’heure actuelle : risque
d’émission de méthane dans l’atmosphère, gaz à effet de serre de pouvoir 25 fois plus important que celui
du dioxyde de carbone.
• Le projet SUGAR, lancé en 2008, devrait permettre de diminuer les quantités de dioxyde de carbone de
l’atmosphère dues aux diverses activités industrielles.
• Certes c’est un projet prometteur, mais actuellement il n’est pas possible d’affirmer que les hydrates de
gaz seraient la ressource énergétique propre du futur pour faire face à l’épuisement des ressources
fossiles.
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
Attribution du niveau de maîtrise
Niveau A
6 items
Niveau B
1 item manquant
Niveau C
2 à 5 items manquants
Niveau D
6 items manquants
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
COMMUNIQUER
« Rédiger une réponse argumentée »
Critères de réussite permettant d’attribuer le niveau de maîtrise « A »
• La démarche est présentée en utilisant un vocabulaire adapté, rigoureux et scientifique.
• Les connecteurs logiques sont correctement utilisés.
• Les résultats sont présentés de manière adaptée (unités, chiffres significatifs,…).
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Notation par compétences
Attribution du niveau de maîtrise
Niveau A
3 items
Niveau B
1 item manquant
Niveau C
2 items manquants
Niveau D
3 items manquants
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Exemple d’attribution d’une note chiffrée à la copie
Barème : Note sur 10
Que des A
10
Que des A et B
9
Que des B
8
Majorité (A + B) et 1 C
7
Majorité (A + B) et 2 C
6
Majorité (A + B) et des C et D
5
Majorité de C ou de (C + D)
4
Que des C et D
3
Que des D
0
Travail préliminaire des élèves
Résolution de problèmes scientifiques
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Étape 1 : Lire et comprendre les documents
♦ Apports des différents documents
♦ Analyser les schémas
Compétence « S’approprier »
Étape 2 : Formuler et hiérarchiser une liste de
questions afin de clarifier la problématique
Étape 3 : Bâtir le raisonnement
(Indiquer les étapes de la résolution)
Compétence « Analyser »
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Comment les élèves ont-ils réagi ?
Bilan de copies de bons élèves
Version brute
Étape 1 : Lire et
comprendre les
documents
♦ Apports des
différents documents
♦ Analyser les schémas
Compétence
« S’approprier »
Description et analyse pertinente
des différents documents
Bilan de copies d’ élèves moyens
Version guidée
Description et analyse pertinente des
différents documents
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Comment les élèves ont-ils réagi ?
Bilan de copies de bons élèves
Version brute
Bilan de copies d’ élèves moyens
Version guidée
Bonne hiérarchisation des
questions
Hiérarchisation convenable des
questions
1. Les hydrates de gaz sont-ils
présents en quantité suffisante ?
3. Quels sont les avantages des hydrates
de gaz par rapport au charbon et à
l’essence ?
Sur combien d’années pourraient-ils
Étape 2 : Formuler
être la principale ressource ?
et hiérarchiser une
liste de questions afin
de clarifier la
problématique
2. Est-il possible pour l’homme
d’y accéder et de l’exploiter
facilement ?
Les hydrates de gaz sont-ils une menace
pour l’environnement ?
1. Les hydrates de gaz sont-ils une
ressource inépuisable ?
Quelle est la quantité disponible ?
3. Par rapport aux autres combustibles, 2. Est-ce que l’on va trouver une technique
sont-ils plus écologiques, respectueux permettant une exploitation rentable ?
de l’environnement ?
Hydrates de gaz : Ressources de la mer du futur ?
Ce qu’en pensent les élèves
Bilan de copies de bons élèves
Version brute
- Problème intéressant, problème d’actualité
qui a permis de découvrir les hydrates de gaz
- Problème intéressant qui a permis
d’approfondir ses connaissances sur les
hydrates de gaz, d’enrichir ses connaissances
avec le projet SUGAR
- La méthode de calcul des masses de CO2
rejeté était assez difficile à trouver.
Bilan de copies d’ élèves moyens
Version guidée
Les documents étaient simples à exploiter.
Ce problème était intéressant, il nous a apporté des
connaissances sur les différentes ressources possibles du
futur ; on se sent concerné.
Le problème était particulièrement long bien que pas
excessivement compliqué.
Intervention du professeur pour montrer la nécessité du
calcul des masses de CO2 rejeté et aider à ce calcul :
Les calculs sur les masses de CO2 étaient difficiles car le
raisonnement était compliqué, le début des calculs n’était
pas évident.
On n’a pas su comment relier les équations de combustions
et les pouvoirs calorifiques pour calculer les masses de CO2.

similar documents