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Les fruits et légumes : une vraie source d’énergie ! 1

Dossier fruit

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Travail du Club Science - Exploiter l'énergie des fruits et légumes.

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Les fruits et légumes :

une vraie source

d’énergie !

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SOMMAIRE :

I. Présentation du projet et du groupe ………………………. Page 3

II. Notre démarche scientifique …………………………………. Page 4

III. Nos expériences et nos recherches …………….……… Page 5

IV. BILAN ……………………………………………………………………….. Page 17

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I. Présentation du projet et du groupe :

Ce projet consiste à déterminer les différents types d’énergies que peut produire un fruit ou un légume.

En effet lors de la semaine anti-gaspillage qui s’est déroulée dans notre collège nous avons remarqué que beaucoup de nourriture était gâchée notamment des fruits et des légumes. Nous nous sommes alors demandés comment nous pouvions à notre échelle revaloriser ces fruits et légumes afin de les utiliser pour faire de l’énergie.

Notre groupe se compose de 8 élèves : 4 filles (Shanice, Melissa, Camille et Amura) et 4 garçons (Mahamadou, Enzo, Thibaud et Abderamane).

Nous nous sommes inscrits au Club Science de Mme GERBITH car nous sommes curieux et nous souhaitions faire des expériences !

Le Club Science se déroulait tous les mercredis de 14h à 15h dans la salle de science en présence de Mme GERBITH (professeur de sciences physiques). M. GENEST (professeur de technologie) et M. LEGRAND (professeur de SVT) sont aussi venus nous aider à faire nos expériences.

Notre projet se divise en trois grandes parties :

LA NUTRITION : Comment un fruit ou un légume peut apporter de l’énergie lorsqu’on le consomme ? L’ENERGIE THERMIQUE : Comment pouvons-nous recycler un fruit ou un légume afin de produire de l’énergie thermique ?

L’ENERGIE ELECTRIQUE : Avec quels fruits ou légumes peut-on réaliser des piles électrochimique ? Quelle pile électrochimique doit-on réaliser pour alimenter un dispositif donné ?

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II. Notre démarche scientifique :

Pour chacune des énergies, nous nous sommes posés des questions de la manière suivante. Nous avons ensuite répondu à celles-ci en effectuant des recherches et en réalisant des expériences.

NUTRITION

Problématique : Quelle énergie reçoit-on en mangeant un fruit ou un légume ?

Résolution : Recherche documentaire : la calorie.

ENERGIE THERMIQUE

Problématique 1 : Qu’est ce que la méthanisation ?

Résolution : Recherche documentaire.

Problématique 2 : Comment récupérer et mesurer le volume de gaz produit lors de la décomposition d’un fruit ou d’un légume ?

Résolution : Réalisation d’une mini-usine de biométhanisation.

ENERGIE ELECTRIQUE

Problématique 1 : Peut-on produire de l’électricité avec un fruit ou un légume ?

Résolution : Recherche documentaire : historique de la pile. Réalisation de piles avec différents fruits et légumes

Problématique 2 : Peut-on alimenter un dispositif avec une pile au fruit ou au légume ?

Résolution : Réalisation d’une pile permettant d’alimenter une horloge numérique

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Quelle énergie je peux produire ?

Si tu manges des fruits et des légumes tu auras beaucoup d’énergie !

Je peux aussi produire de la chaleur et de l’électricité !

III. Nos expériences et recherches

NUTRITION

«  Manger 5 fruits et légumes par jour  », c’est ce que préconise le ministère de la santé pour être en bonne santé.

Pour fabriquer l’énergie indispensable à leur fonctionnement, les muscles et tous les organes ont besoin de nutriments. Les nutriments proviennent de la digestion des aliments dans l’appareil digestif.

Nous nous sommes donc intéressés aux apports énergétiques offerts par les fruits et les légumes.

«  La calorie est une unité d’énergie valant approximativement 4,2  joules, ce qui correspond à la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme d'eau d'1 °C.

Elle avait été définie par le chimiste et physicien Nicolas Clément en 1824, avec une valeur 1000 fois plus élevée. »

Voici un aperçu des apports caloriques (donc d’énergie !) de quelques fruits et légumes pour 100 g :

Fruits / Légumes Apport calorique

Avocat 200 calories

Brocolis 34 calories

Citron 40 calories

Concombre 13 calories

Pomme de terre 90 calories

Tomate 20 calories

Abricot 45 calories

Banane 90 calories

Fraise 36 calories

Mangue 62 calories

Pomme 52 calories

Raisin 81 calories

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ENERGIE THERMIQUE

Problématique 1 : Qu’est ce que la méthanisation ?

Hypothèse : La méthanisation ce produit lorsque quelque chose se décompose.

Recherches :

« La méthanisation est un processus naturel de dégradation biologique de la matière organique dans un milieu sans oxygène due à l’action de multiples micro-organismes (bactéries).

Elle peut avoir lieu naturellement dans certains milieux tels que les marais ou peut être mise en œuvre volontairement dans des unités dédiées grâce à un équipement industriel.

Elle produit un gaz, appelé « biogaz », composé principalement de méthane (de 50 à 70%) et de dioxyde de carbone. C’est le méthane contenu dans le biogaz qui lui octroie ses vertus énergétiques.

Cette réaction produit également un résidu, appelé digestat, qu’il est ensuite possible de valoriser en tant que fertilisant pour l’agriculture.

Le biogaz produit par la méthanisation peut être valorisé de différentes manières :

• par la production d’électricité et de chaleur combinée dans une centrale en cogénération ; • par la production de chaleur qui sera consommée à proximité du site de production ; • par l’injection dans les réseaux de gaz naturel après une étape d’épuration (le biogaz devient alors

du biométhane) ; • par la transformation en carburant sous forme de gaz naturel véhicule (GNV) »  

Source : http://www.developpement-durable.gouv.fr/La-methanisation.html

Conclusion :

La méthanisation est un procédé plus compliqué que ce que nous avions imaginé. Grâce à nos recherches, nous allons tenter de réaliser une mini centrale de production de biométhane (petit dispositif permettant de récupérer le « biogaz » produit par la décomposition de fruits ou légumes).

La difficulté que nous avons rencontré lors de la réalisation de notre mini centrale à biométhanisation est le fait que la méthanisation doit se faire sans dioxygène et donc sans air !

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Problématique 2 : Comment récupérer et mesurer le volume de gaz produit lors de la décomposition d’un fruit ou d’un légume ? Problématique 2.1 : Comment mesurer le volume de gaz produit par la mini usine de biométhanisation ?

Hypothèse : Pour mesurer le volume de gaz produit par notre mini usine, il faut graduer le récipient dans lequel on récupère notre biogaz. Nous utiliserons une bouteille d’une forme irrégulière, type bouteille de cola.

Recherches :

Nous souhaitons mesurer le volume de biogaz que nous allons produire. Néanmoins, la bouteille dans laquelle nous allons recueillir notre gaz n’a pas une forme régulière, c’est une bouteille de cola.

La deuxième difficulté que nous allons rencontrer est que cette bouteille sera installée le bouchon vers le bas. En effet nous allons utiliser la méthode du « déplacement de l’eau » pour récupérer notre « biogaz ».

Nous choisissons de placer des graduations sur la bouteille tous les 50 millilitres.

Première méthode :

- Nous remplissons notre bouteille d’eau au maximum. - A l’aide d’une éprouvette graduée nous prélevons 50 mL d’eau de la bouteille. - Nous utilisons un bécher comme support, pour maintenir la bouteille le bouchon vers le bas. - Nous attendons que la surface de l’eau soit parfaitement plane. - Nous effectuons un trait horizontale sur la bouteille à la surface de l’eau.

Cette méthode nous a paru longue et fastidieuse nous avons donc recherché une autre méthode.

Deuxième méthode :

- A l ‘aide d’une éprouvette graduée nous mesurons 50mL d’eau. - Nous mettons les 50mL d’eau dans la bouteille vide. - Nous attendons que la surface de l’eau soit parfaitement

plane. - Nous effectuons un trait horizontale sur la bouteille à la

surface de l’eau.

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Problématique 2.2 : Comment récupérer le biogaz produit lors de la décomposition d’un fruit ou d’un légume ?

Hypothèse : Pour récupérer le biogaz nous pouvons utiliser la méthode du déplacement de l’eau.

Recherches :

En cherchant sur internet, nous avons trouvé le site d’une personne qui a conçu une mini-usine à méthanisation. Cette mini-usine utilise la méthode du déplacement de l’eau, nous avons donc décidé de la réaliser pour pouvoir produire notre propre « biogaz ».

Liste du matériel :

• Une perceuse avec une mèche de 6mm • Un cutter • Une bouteille de cola de 50cL (n°1) • Une bouteille de cola de 1 L (n°2) • Une bouteille de 5 L (n°3) • Deux tuyaux type « cristal » de 6mm de diamètre extérieur : un de 80cm (A) et un de 40cm (B)

Mise en place de la mini-usine de biométhanisation :

La bouteille n°3 : le support

Premièrement, nous avons retiré le bouchon de ce bidon de 5 L. Ensuite, nous l’avons rempli d’environ 3 L d’eau du robinet afin qu’elle soit stable. Nous avons fait une incision avec un cutter à 3 cm du haut, afin de faire passer le tuyau (A) qui va de la bouteille n°1 à la n°2.

La bouteille n°2 : le collecteur de « biogaz »

C’est une bouteille d’un litre de cola, car ainsi elle est étanche au niveau du bouchon et peut supporter une pression importante. Cette bouteille est graduée tous les 50 mL et rempli d’eau du robinet à raz bord, pour qu’il n’y ait pas d’air. Son bouchon est percé de deux trous de diamètre 6 mm. Dans le premier trou passe le tuyau (A) qui part de la bouteille n°1, traverse l’incision et finit en haut de la bouteille n°2. Dans le deuxième trou, passe le tuyau (B) qui part de la bouteille n°2 et arrive dans l’eau de la bouteille n°3. Finalement, nous avons retourné la bouteille n°2 pour l’insérer dans le goulot de la bouteille n°3.

La bouteille n°1 : le réacteur

C’est une bouteille de 50 centilitres de cola, car ainsi son bouchon est étanche et elle peut résister à une forte pression. Nous avons tout d’abord percé le bouchon d’un trou de 6 mm de diamètre et passé le tuyau (B) à l’intérieur. Puis nous avons rempli la bouteille d’un mélange de déjections de chèvre et d’eau. Nous avons refermé la bouteille en faisant entrer le moins d’air possible, car la forte présence de dioxygène aurait retardé le début de la production de « biogaz ».

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Principe de fonctionnement :

Dans la bouteille n°1, le mélange déjections et eau produit du biogaz. Celui-ci passe dans le tuyau (B) et, étant moins dense que l’eau, il se retrouve au-dessus de l’eau dans la bouteille n°2. L’eau présente dans la bouteille n°2 est chassée. Par le biais du tuyau (A) elle se retrouve dans la bouteille n°3.

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Problème rencontré :

Nous avons rencontré un problème d’étanchéité, que nous avons corrigé en utilisant du silicone (de couleur blanc).

Résultats :

Après 24h : Après 72h :

Après 1 semaine :

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Conclusion :

Nous avons mis plusieurs séances à construire notre mini-usine à méthanisation. La graduation et les nombreuses fuites ont demandé du travail et du temps de séchage. Lorsque la mini-usine a été mise en place nous venions régulièrement en salle de physique-chimie voir l’avancée de l’expérience pour mesurer le volume de gaz que nous avions produit.

A une plus grande échelle, ce gaz pourrait être utilisé afin de produire de la chaleur (en le brûlant) et même de l’électricité dans une centrale thermique.

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ENERGIE ELECTRIQUE

Problématique 1 : Peut-on produire de l’électricité avec un fruit ou un légume ?

Recherches :

Nous avons fais des recherches sur internet pour connaître les éléments indispensables pour réaliser une pile. Nous avons alors trouvé l’historique de la pile et notamment de la pile de Monsieur Alessandro Volta. Histoire de la pile : « La pile de Volta »

Une pile électrique, couramment appelée pile, est un dispositif électrochimique qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique grâce à une réaction chimique.

La pile électrochimique a été inventé par Alessandro Volta dans les années 1800.

Nos recherches nous ont permis de découvrir les 3 éléments nécessaires à la fabrication d’une pile :

-2 métaux différents (zinc et cuivre par exemple).

-Une solution contenant des ions (eau salée par exemple).

-Il ne faut pas que les plaques se touchent.

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« Pile Volta de la classe »

Nous avions les plaques de métaux différents au collège, il fallait donc savoir si il y avait des ions dans les fruits et les légumes !

Les fruits sont souvent acides il y a donc des ions hydrogènes dans leurs jus.

En continuant nos recherches, nous avons découvert qu’un photographe canadien nommé Caleb Charland avait déjà fait cette expérience pour réaliser des photos dont voici quelques exemples :

Nous avons trouvé son travail très impressionnant et ses photos très belles. Celles-ci nous ont donné envie d’imaginer les piles que nous pouvions réaliser avec différents fruits et légumes à notre disposition (citron, pomme ,pomme de terre, concombre …).

Voici nos dessins :

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Nous avons alors réalisé les différentes piles et obtenu des résultats positifs pour l’ensemble des fruits et légumes. Pour vérifier si les piles fonctionnaient, nous avons utilisé un voltmètre.

La tension fournit par chaque fruit ou légume était trop faible pour alimenter un petit dispositif (lampe, horloge …).

Nous nous sommes alors posé une autre question.

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Problématique 2 : Peut-on alimenter un dispositif avec une pile au fruit ou au légume ?

Hypothèse : Avec deux fruits on produit deux fois plus de tension qu’avec un seul.

Recherches :

Nous souhaitons alimenter un petit dispositif. Il s’agit d’une petite horloge numérique. Cette horloge fonctionne avec une pile plate qui fournit 1,5 V néanmoins nos fruits fournissent au maximum 0,97 V. Il a donc fallu trouver une solution.

Nous avons assemblé en série deux piles aux fruits (ou légumes) et nous avons observé le résultat sur un voltmètre. Pour que cela fonctionne, il faut faire attention à l’ordre d’assemblage des différents éléments (cuivre/fruit/zinc/fil de connexion/cuivre/fruit/zinc).

La tension alors obtenue est suffisamment élevée pour alimenter l’horloge.

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Conclusion :

Nous imaginions que pour produire de l’électricité il fallait du matériel beaucoup plus compliqué que des fruits et des légumes. Les fruits et les légumes sont plus encombrants que les piles. Néanmoins c’est pratique et amusant de savoir qu’on pourra toujours alimenter un petit dispositif avec ce qu’on a sous la main !

IV. BILAN

Notre projet nous a permis de découvrir les formidables capacités des fruits et des légumes pour réaliser de grandes choses : Produire un gaz, de la chaleur et même de l’électricité !

Pour aller plus loin dans notre projet, il serait intéressant de concevoir des objets utilisants, au quotidien, les propriétés des fruits et des légumes découvertes durant ce projet.

En effet grâce à un compost au collège nous pourrions produire du méthane. Toutes les horloges du collège pourraient fonctionner grâce aux fruits non consommés à la cantine (certaines de nos piles ont fonctionné plus d’une semaines !) …

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