E3C première, la pile végétale.

Il est possible de produire de l’électricité en installant des électrodes dans un sol gorgé d'eau où poussent des plantes telles que le riz. Cette technologie permet de convertir l’énergie chimique issue de la photosynthèse en énergie électrique. Le rendement de ce dispositif reste pour le moment faible mais cela pourrait à terme transformer les rizières en unités de production électrique.
On cherche ici à déterminer si cette technologie peut réellement constituer une solution d’avenir.

Partie 1 : La photosynthèse et ses caractéristiques.
On mesure trois paramètres environnementaux d’une enceinte fermée hermétiquement et contenant un végétal chlorophyllien :-
la teneur en dioxygène (O₂) courbe du haut-
la teneur en dioxyde de carbone (CO₂) courbe du bas-
la luminosité reçue par l’enceinte.

1- Indiquer sur votre copie si chacune des trois propositions est juste. Justifier à l’aide de données chiffrées.
a- À la lumière, la teneur en O₂ augmente dans l’enceinte. Vrai.
A 1000 W m^-2, le taux en dioxygène passe de 18 % à 25 % en 4 minutes.
b- À la lumière, la teneur en CO₂ augmente dans l’enceinte. Faux.
A 1000 W m^-2, le taux en CO₂ passe de 15 % à 10 % en 4 minutes.
c- La luminosité a un effet sur l’échange gazeux réalisé par le végétal. Vrai.

On cherche à identifier les conditions de la synthèse d’amidon par les feuilles.
Sur un pied de géranium panaché, une partie de quelques feuilles est masquée par du papier noir et est vivement éclairée pendant un certain temps. Après plusieurs heures, l’une des feuilles est débarrassée de son cache puis décolorée par de l’éthanol bouillant.
La feuille est ensuite plongée dans une boîte de pétri contenant de l’eau iodée, indicateur coloré de présence de l'amidon.

1- Indiquer les résultats attendus dans chacune des quatre zones de la feuille.
Zone 1: partie masquée et extrémité blanche, non chlorophyllienne : pas de présence d'amidon.
Zone 2 : partie masquée et chlorophyllienne : pas de présence d'amidon.
Zone 3 : partie vivement éclairée et chlorophyllienne : présence d'amidon.
Zone 4 : partie vivement éclairée et non chlorophyllienne : pas de présence d'amidon.

Partie 2. La conversion de l’énergie chimique en énergie électrique.
Cette partie présente le principe de fonctionnement de la « pile végétale » étudiée et ses applications potentielles.
La plante utilise la photosynthèse pour produire de la matière organique. Autour des racines vivent de très nombreux microorganismes qui se nourrissent de la matière organique issue du végétal. La réaction chimique correspondante peut être exploitée au sein d’une pile comportant deux électrodes dont l’une est positionnées près de la racine de la plante et l’autre en est plus éloignée. Cette pile peut délivrer un courant électrique qui transporte de l’énergie. On admet que la puissance électrique fournie par une « pile végétale » de cette sorte est proportionnelle à la surface que les plantes exposées au soleil et qui se trouvent au voisinage des électrodes occupent sur le sol.
2- L’énergie solaire moyenne reçue en une année par unité de surface est égale à 10⁷ J et on peut estimer en moyenne qu’une plante doit recevoir 20×10⁶ J d’énergie solaire pour produire 1 kg de matière organique.
Montrer que 1 m² de surface végétale peut produire théoriquement 0,5 kg de matière organique au cours d’une année.
Energie solaire moyenne 10⁷ J m^-2 an^-1.
Energie moyenne pour produire 1 kg de matière organique : 2 10⁷ J.
10⁷ / ( 2 10⁷) = 0,5 kg.
3- On peut estimer qu’une « pile végétale » de 1 m² de surface fournit une puissance de 3 W et que l’énergie moyenne nécessaire à la recharge d’un smartphone est de 10 Wh.
Indication : le Watt-heure (Wh) est l’énergie correspondant à une puissance d’un Watt fournie pendant une durée d’une heure.
3-a- Calculer la durée de recharge d’un smartphone avec 1 m² de surface de « pile végétale ».
10 / 3 = 3 h 20 min.
3-b- L’énergie moyenne consommée par une famille pendant une année est 3000 kWh.
Calculer la surface nécessaire en m² de surface de « pile végétale » pour fournir l’énergie annuelle à une famille.
Energie fournie par m² de surface végétale pendant un an : 3 x 24 x365 =26 280 Wh ~26 kWh.
Surface nécessaire : 3000 / 26,28 ~114 m².
4- À partir des arguments issus de l’étude des deux parties de l’exercice et de vos connaissances, indiquer un intérêt et une limite au procédé de la « pile végétale ».
Surface nécessaire pour 1000 familles : 1,14 10⁵ m² ~ 11 ha de riz.
L'une des limites au procédé de la pile végétale est la surface cultivée ainsi que les longueurs de fils de connexion entre les piles.