Livret animateur éMERgies by Les Petits Débrouillards (OFFICIEL)

Le Livret de lâ&#x20AC;&#x2122;animateur

Quand la mer produit de l'ĂŠnergie

Sommaire Introduction

1° L’énergie Qu’est-ce que l’énergie ? L’énergie nucléaire Quand utilisez-vous de l’énergie ?

2°Un petit détour par l’énergie électrique Vivre sans électricité, c’est impossible ?... Quelques définitions et ordres de grandeur Quels sont les différents types d’énergies et de sources énergétiques en milieu marin ?

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émergie Le jeu

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Matériel

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Présentation Le but du jeu Le déroulement du jeu Conseil scientifique et pédagogique

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Introduction La mer est un milieu fluide riche en flux énergétiques. Cette énergie se manifeste par des phénomènes naturels dont la puissance a toujours fasciné toujours les hommes. Dès l’Antiquité, ils ont su utiliser les vents et les courants pour mouvoir leurs navires, et le flux des marées pour actionner leurs moulins. Au début de l’ère industrielle, ils ont conçu des machines utilisant l’énergie mécanique des vagues et la chaleur des eaux de l’océan pour servir leur industrie. L’abondance relative et le faible coût, en termes financiers, de l’énergie produite par la combustion du charbon, puis du pétrole et du gaz, n’en a pas permis le développement. Aujourd’hui, avec le constat de l’inadaptation de nos modes de production dits «traditionnels» aux exigences du développement durable, ces «énergies marines» renouvelables suscitent un regain d’intérêt et un consensus international semble établi selon lequel elles pourraient contribuer à satisfaire nos besoins en énergie primaire...

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Il semble utile avant d’aborder la thématique des énergies marines de revenir sur quelques connaissances préalables sur l’énergie en général. En fonction de l’âge du public et du temps disponible, il peut être intéressant (pendant ou après une partie du jeu de rôle, voire indépendamment...) de s’appuyer sur les questions du jeu pour éventuellement aller un peu loin...

1° L’énergie C’est quoi ? Il est important de réaliser que, dans la physique d’aujourd’hui, nous n’avons aucune connaissance de ce que l’énergie est. R.P. FEYNMAN, Prix Nobel de Physique, 1965.

L’animateur peut laisser le public réfléchir et échanger autour de la question ouverte suivante : Qu’est-ce que l’énergie ? Il est possible d’énoncer ou pas les 3 propositions. Pour les plus grands, il peut être intéressant d’indiquer qu’étymologiquement énergie vient du grec energeia qui signifie «force en action» et essayer d’aller plus loin en fonction des connaissances de chacun... •P our le commun des mortels L’énergie c’est la capacité de faire un travail, c’est à dire d’agir. • Pour Mme la Merhégrande, professeur de physique Même si on ne peut pas définir l’énergie d’une façon complètement satisfaisante, on peut la qualifier de « mesure du changement physique » dans un système (la force étant l’agent de ce changement). L’énergie existe sous de nombreuses formes ( électrique, chimique, thermique, cinétique...) et possède la propriété d’en changer sans se perdre... (ce principe de conservation de l’énergie n’est malheureusement pas réellement vérifiable à l’aide d’une expérience simple).

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• Pour le professeur Mercibokou, économiste On appelle énergie une ressource énergétique naturelle ou son produit (électricité), lorsqu’ils sont consommés par les sociétés humaines pour divers usages industriels et domestiques (transport, chauffage...). A savoir L’ONU a déclaré 2012 comme étant l’année internationale de l’énergie durable pour tous, afin de sensibiliser les États à l’importance d’améliorer l’accès durable à l’énergie, l’efficience énergétique et l’énergie renouvelable au niveau local, régional et international. Pour plus d’informations : http://www.un.org/fr/events/ sustainableenergyforall/index.shtml

Des activités d’introduction (à partir du cycle 3) Quelles formes d’énergie connaissez-vous ? L’objectif est d’amener à différencier les différentes sources d’énergie (gaz, vent, charbon, pétrole, eau, uranium, soleil, bois...) et les différentes formes sous lesquelles elle nous apparaît. Il s’agit d’amener les participants à différencier les énergies renouvelables, les formes d’énergie dont la source se reconstitue à la même vitesse qu’elle est consommée, de celles qui ne le sont pas. L’animateur peut engager la discussion avec le groupe en posant quelques questions du type : - A quoi sert l’énergie ? - Connaissez-vous des sources d’énergie ? - Si oui, sous quelles formes ?

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Propositions d’activités

I°

L’animateur peut faciliter la prise de parole en présentant un dessin de paysage comprenant plusieurs sources d’énergie ou en distribuant des photos représentant quelques éléments simples :

http://pedagogie.ac-toulouse.fr/lotec/Sciences/Ressources/RessourcesFormation/ DOCStagesC3/Energie/energieAR1.pdf http://pedagogie.ac-toulouse.fr/lotec/Sciences/Ressources/RessourcesFormation/ DOCStagesC3/Energie/EnergieAR2.pdf http://pedagogie.ac-toulouse.fr/lotec/Sciences/Ressources/RessourcesFormation/ DOCStagesC3/Energie/EnergieAR3.pdf

La première idée simple à faire émerger est que l’énergie, ça sert à faire quelque chose. Les différentes sources d’énergie citées par les personnes peuvent être regroupées dans un tableau à deux colonnes : « D’où ça vient ? » (= sources d’énergie)

A quoi ça sert ? (= utilisations)

N.B. Il est également possible d’utiliser le jeu « Que d’énergie » de la malle

pédagogique « un degré de plus » : énergie rayonnante/ solaire (l’homme qui oriente sa montre vers le soleil); énergie chimique (l’homme qui s’alimente dans le café, les végétaux...); énergie thermique (le barbecue dans le jardin (combustion de bois et de charbon, la voiture et son pot d’échappement montrant la combustion d’un carburant dans un moteur à explosion); énergie mécanique (les mouvements des êtres humains et les déplacement des automobiles); énergie électrique (les appareils domestiques, l’éclairage public); éolienne (le cerf-volant, le chapeau qui s’envole, le bateau sur le plan d’eau), hydraulique. Sur le dessin, Il manque le nucléaire... (cf. encadré plus loin)

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II°

Un petit travail de recherche documentaire peut être proposé en petits groupes, chacun ayant la charge d’une source d’énergie. Chaque groupe rend ensuite compte de ses recherches (l’affiche n’est pas le seul moyen de rendre compte) et met à disposition les renseignements trouvés. Pour aller plus loin avec des collégiens : Les différentes sources d’énergie ne sont en fait que des systèmes de transformation qui permettent de rendre utilisable, sous une certaine forme, une certaine quantité d’énergie emmagasinée dans un élément donné. Les réactions élémentaires mises en jeu dans ces transformations sont de trois types : chimiques, nucléaires et gravitationnelles. Quelques types d’énergie facilement identifiables par les plus jeunes • L ’énergie musculaire Les aliments que nous mangeons aident nos muscles à pousser, tirer, soulever, lancer... Des engins, comme le vélo, permettent d’utiliser l’énergie musculaire pour nos déplacements. • L ’énergie électrique L’électricité qui s’accumule dans les nuages orageux déclenche la foudre : une décharge électrique qui part du bas du nuage et touche les objets pointus au sol (arbres, clochers). • L ’énergie solaire et le nucléaire Le Soleil est un immense four qui brûle de l’hydrogène depuis 5 milliards d’années. Quand les atomes d’hydrogène fusionnent, des atomes plus lourds se forment en libérant beaucoup d’énergie, c’est-à-dire de la chaleur et de la lumière. • L ’énergie éolienne La différence entre air chaud et air froid entraîne un déséquilibre : l’air chaud, léger, monte et l’air froid, plus lourd, descend. Cela crée du vent qui gonfle les voiles des bateaux, fait tourner les ailes des moulins ou des éoliennes. • L ’énergie thermique Un feu créé par de la foudre sur des matériaux combustibles (par exemple, le bois des arbres) produit beaucoup de chaleur.

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L’énergie nucléaire La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Ce phénomène dégage une énorme quantité d’énergie, et n’est possible qu’à des températures très élevées. Les applications de l’énergie nucléaire sont d’une certaine manière restreintes. Il s’agit essentiellement de la production d’électricité (centrales nucléaires), de la propulsion navale, de l’armement militaire mais aussi de la production d’isotopes radioactifs (utilisés dans l’industrie et en médecine). Notons au passage que les deux plus grands parcs nucléaires sont ceux des États-Unis et de la France. Plus que nous attarder sur l’histoire récente de l’énergie nucléaire (découverte de la fission du noyau atomique en 1939), nous préférons aborder pourquoi l’utilisation de cette énergie est si controversée. On peut notamment citer le spectre d’un possible accident ou d’un acte terroriste sur un réacteur nucléaire, le risque de la prolifération des déchets (La Hague est l’un des rares sites de traitement européens) ainsi que le coût de la production de cette énergie. Ces remarques sont là pour vous permettre d’amorcer un débat avec votre public. Sachez aussi que les ressources naturelles encore disponibles pour le nucléaire sont approximativement égales à celles du pétrole ou du gaz naturel (à savoir, 60 à 80 ans).

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Quand utilisez-vous de l’énergie ? Propositions d’activités Sur une période donnée (une journée ou une semaine), à chaque fois que vous pensez utiliser de l’énergie, inscrivez le dans un tableau (voir modèle plus bas). Précisez également sous quelle forme. Que constatez-vous ? L’objectif est de faire prendre conscience que la réalisation des moindres actions quotidiennes nécessite de l’énergie, que l’énergie est nécessaire à toute entreprise humaine. Exemple de tableau :

Jour de la semaine

Que se passe-t-il ?

Forme de l’énergie

Lundi

Mon radio réveil sonne

Énergie électrique

Je me lève

Énergie musculaire

Je fais chauffer du lait pour mon petitdéjeuner

Énergie thermique

Mon père me conduit à l’école en voiture

Énergie chimique de l’essence

(...)

L’énergie permet aux êtres vivants de croître, de respirer, de se mouvoir et de se reproduire... Il est possible ensuite de réfléchir aux transformations que subit l’énergie au cours de diverses utilisations par exemple : - énergie électrique >>> lampe >>> lumière et chaleur - énergie chimique >>> moteur d’automobile >>> énergie mécanique et chaleur Un niveau supplémentaire permet «d’enchaîner» plusieurs transformations. Il est important de faire noter la «déperdition» de l’énergie utile sous forme de chaleur à toutes les étapes de la chaine (par exemple 95% de l’énergie électrique est convertie en chaleur dans une ampoule à incandescence classique pour 5% en lumière)

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Agir pour contribuer à économiser les sources en réduisant les consommations. Cette mise en place de valeurs est un objectif majeur de l’Education au Développement Durable qui dépasse le cadre des sciences. Cependant, la connaissance scientifique sert de déclencheur à partir d’informations objectives. C’est un indicateur d’évaluation pointé dans les grilles de références pour l’évaluation et la validation des compétences publiées en janvier 2011. http://www.eduscol.education.fr/cid53126/grilles-references.html

( pages 38 et 40 pour le palier 2) De l’énergie primaire à l’énergie utile Pour que chacun d’entre nous puisse utiliser l’énergie que l’on nomme primaire (charbon, le gaz naturel, le rayonnement solaire, le vent …), elle doit être transformée en chaleur, lumière, électricité dans nos prises… La conversion d’un type d’énergie en un autre s’accompagne toujours de pertes d’énergie car une partie de l’énergie transformée est dissipée dans la nature. Par exemple, dans un moteur à explosion classique, près des 2/3 de l’énergie est « gaspillée » en chaleur. Des chercheurs essayent en permanence de trouver des solutions pour limiter ces pertes d’énergie et augmenter le rendement de chaque technologie. S’il s’agit de modifications techniques qui permettent de réduire la consommation pour un même effet utile, on parle d’efficacité énergétique. Si la réduction de consommation provient de modifications de comportements, on parlera alors d’efficience énergétique.

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2° Un petit détour par l’énergie électrique Vivre sans électricité, c’est impossible ?... Sur notre planète, l’Agence Internationale pour l’Énergie estimait, fin 2010, qu’une personne sur cinq n’avait pas accès à l’électricité... Manipulation : l’électrolyte Il te faut : 1 voltmètre 1 pot d’huile 1 pot de vinaigre 1 pot d’eau 1 citron 1 pomme de terre (ou une pomme verte) 1 lame en cuivre 1 lame en zinc Question : Si tu tiens la lame de cuivre dans une main et la lame de zinc dans l’autre, arrives-tu à mesurer une tension aux bornes des deux lames, avec le voltmètre ? Et si tu poses les deux lames sur la table, arrives-tu à détecter de l’électricité ? Mesure de la tension des lames. Tu lis une valeur quand tu tiens les lames dans tes mains ! La combinaison lame de cuivre, corps humain et lame de zinc constitue donc une pile qui fabrique de l’électricité ! Avec le matériel à ta disposition, peux-tu fabriquer d’autres piles que la pile humaine ? Attention à ce que les deux lames ne se touchent pas ! Mesure la tension sur le voltmètre et compare tes résultats. Corps humain Tension affichée par le voltmètre

Huile

Vinaigre

Eau

Pomme de tere

Citron

Explications : Quand tu plantes les lames en métal dans les différentes substances, tu arrives parfois à lire une valeur, différente d’une substance à une autre. Le citron ou le vinaigre sont acides et sont ce qu’on appelle de bons électrolytes : ils permettent des échanges ioniques entre les deux métaux, c’est à dire des réactions chimiques qui produisent de l’électricité. La pomme de terre ou l’eau salée, qui sont des composés à base de sels, sont également des électrolytes. Manipulation : les électrodes, couple de métaux Il te faut : 1 citron 2 lames de zinc 2 lames de fer 2 lames de cuivre 2 lames d’aluminium 1 voltmètre Question : La nature des métaux que tu trempes dans l’électrolyte est-elle importante ? Pour répondre à cette question, essaye, grâce au matériel que tu as à ta disposition, de trouver toutes les combinaisons possibles de métaux pour fabriquer une pile. Mesure la tension sur le voltmètre et compare tes résultats. Quelle est la meilleure combinaison ? Fer

Cuivre

Zinc

Aluminium

Fer Cuivre Zinc Aluminium La tension est très faible voire nulle quand on essaye de fabriquer une pile au citron avec deux lames de cuivre. On remarque le même résultat avec une pomme de terre.

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Explication : La meilleure combinaison est celle où tu utilises la lame de cuivre et la lame de zinc. Pour pouvoir fabriquer une pile, il est nécessaire d’utiliser deux métaux différents. En effet, ils possèdent des potentiels d’oxydoréduction différents, ce qui permet ainsi des échanges ioniques, chimiques entre les deux, à travers l’électrolyte.

Les expériences autour du thème de l’électricité : - Le coût du matériel : un voltmètre ou multimètre et surtout des lames métalliques... Il peut être envisageable de remplacer les lames par des objets du quotidien. Pièces de 5 centimes d’euro (acier cuivré), vis, canette (aluminium) - L’animateur peut très rapidement glisser du thème de l’énergie vers celui de l’électricité... Quelques définitions et ordres de grandeur Pour mémoire, la puissance électrique d’un appareil est exprimée en Watt (W). La puissance représente la quantité maximale d’électricité que peut produire ou consommer instantanément une installation. L’unité la plus souvent utilisée lorsque l’on parle de production d’énergie est le MW, c’est-à-dire 1000 kW, ou 1 million de W. Les ordres de grandeur des installations de production d’énergie sont les suivants : - un prototype d’hydrolienne : 0,5 à 1 MW - une éolienne offshore récente : 5 MW - l’usine marémotrice de la Rance : 240 MW - un réacteur nucléaire de Flamanville : 1 300 MW L’énergie électrique représente la quantité d’électricité que produit ou consomme une installation pendant une durée précise, exprimée en heures. L’énergie est ainsi exprimée en Wattheure (Wh et non W/h). Ainsi, une éolienne de 5 MW fonctionnant à pleine puissance pendant 3000 heures produit une énergie de 5x3000 = 15 000 MWh = 15 GWh.

Les ordres de grandeur des installations de production d’énergies sont les suivants : - un prototype d’hydrolienne de 1 MW : 3 Gwh - une éolienne offshore de 5 MW : 16 Gwh - l’usine marémotrice de la Rance de 240 MW : 550 Gwh - un réacteur nucléaire de Flamanville : 9 600 GWh A titre de comparaison, la consommation électrique annuelle de la Bretagne était de 19,6 TWh en 2007, et celle de la France 450 TWh, soit respectivement 19 600 et 450 000 GWh. 1 TWh = 1 000 GWh = 1 000 000 MWh = 1 000 000 000 kWh = 1 000 000 000 000 Wh Source : Schéma régional éolien, Région Bretagne, 2006

L’électricité ou le jeu de chaises musicales Beaucoup d’interrogations des jeunes risquent de porter sur l’électricité. C’est effectivement une forme d’énergie assez mystérieuse : on appuie sur un interrupteur, et, instantanément, la lampe s’éclaire ! Il n’est cependant pas très facile, pour des élèves d’école primaire, d’expliquer les processus microscopiques à l’origine de l’électricité. Il est possible par contre de leur faire comprendre, par une analogie ludique, le principe de fonctionnement : c’est le jeu de chaises musicales ! Avant d’arriver à ce jeu, il peut être utile de rappeler quelques notions sur la structure élémentaire de la matière. Quelques mots sur la matière La donnée brute de la taille d’un atome, 10-10m soit un dix milliardième de mètre, n’est pas très significative pour beaucoup de monde. Une manière simple de «visualiser» la brique élémentaire de la matière, l’atome, est de demander aux élèves ce qui arrive lorsque l’on coupe une feuille de papier en deux, puis un des deux morceaux en deux, ... et ainsi de suite. Cela implique tout de suite qu’il faudra rapidement prendre un autre outil que la paire de ciseaux pour couper le morceau de papier, et une loupe pour y voir

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quelque chose, puis un microscope de plus en plus puissant, et des outils de plus en plus minutieux. Au bout de 26 « coupures de ciseaux », nous arriverons, à partir d’un bout de papier de 1 cm de long, à la taille de l’atome ! Cet atome est composé de deux parties: • un noyau central formé d’un assemblage de «billes élémentaires», les protons et neutrons. • Autour de ce noyau, un certain nombre de particules identiques, appelées électrons (avec autant d’électrons qu’il y a de protons dans le noyau), et qui, en première approximation, tournent, à la vitesse de la lumière (300.000 km/s) autour du noyau, comme la lune tourne autour de la terre. Classification des éléments Mendéléïev, un scientifique russe du XIXème siècle a établi une classification des éléments. Elle fait l’inventaire de tous les éléments qui existent dans la nature, ou de façon artificielle. Tous ces éléments sont formés à partir des mêmes briques élémentaires: les protons, neutrons et électrons, mais en nombre différent. La classification de Mendéléïev permet de connaître le nombre de protons (et donc d’électrons) et de neutrons de chaque élément. L’élément le plus simple est l’hydrogène (symbole H): il est formé d’un noyau constitué d’un seul proton, avec un électron en orbite autour de lui. L’oxygène, (symbole O), comprend 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons. L’atome d’Uranium quant à lui comporte 92 protons, 146 neutrons et donc aussi 92 électrons. Certains éléments portent le nom du pays dans lequel ils ont été découverts (Francium, Américium), ou de la personne qui l’a découvert (Curium, Einsteinium) Le cuivre, qui forme les fils électriques, est un atome composé de 29 protons, 34 neutrons et donc de 29 électrons. Le jeu de chaises musicales : une tentative d’explication par analogie de l’ électricité dans un circuit Tout le monde connaît le jeu de chaises musicales. Il nécessite : • un certain nombre de chaises, rangées les unes à la suite des autres de façon à former une boucle. • des participants en nombre juste égal, moins un, au nombre de chaises • une musique plus ou moins entraînante.

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Lorsque la musique démarre, les participants courent le long des chaises. Ils s’assoient lorsque la musique s’arrête. Un participant reste alors debout. Mais quel est donc le rapport avec l’électricité dans un circuit ? Prenons une pile et branchons un fil électrique continu, qui passe d’une extrémité de la pile à l’autre. Le courant passe, comme peut en témoigner une ampoule (qui s’allume) si on la branche en série sur le circuit. Le fil électrique est composé en général d’atomes de cuivre, rangés dans un assemblage régulier. Compte tenu de la proximité de chaque atome l’un de l’autre, et de l’organisation particulière de ces atomes les uns par rapport aux autres, certains électrons de chaque atome ne vont plus tourner autour de leurs atomes d’origine, mais se «balader» d’atomes en atomes. On dit alors qu’ils sont «délocalisés». Que se passe-t-il donc lorsque l’on branche la pile ? Les réactions chimiques qui se produisent dans la pile vont alors «récupérer» les électrons «délocalisés» du fil de cuivre, les uns après les autres, à la borne + de la pile, et en renvoyer d’autres dans l’autre extrémité du fil, à la borne -. Dans le fil, les électrons se comportent alors comme les participants du jeu de chaises musicales: ils vont d’atomes en atomes, comme les participants vont de chaises en chaises. Et le top de départ est donné par la pile, qui joue ici le rôle de la musique pour entraîner tout le monde ! Nous pouvons en fait pousser cette analogie bien plus loin : • Si les chaises sont trop confortables (de vrais fauteuils ! ), les participants vont rester «avachis» dans leur chaise : le courant ne passe plus ! C’est en particulier le cas lorsque les électrons sont trop liés au noyau de leur atome d’origine. Ils ne peuvent plus circuler : on dit alors que le matériau est isolant. • De même si la musique n’est pas assez entraînante, les participants vont préférer rester assis dans leur chaise, et ce d’autant plus facilement que la chaise est confortable: selon le matériau, si la tension de la pile n’est pas assez forte, le matériau peut rester isolant. Par contre, un matériau isolant pour une tension faible, peut devenir conducteur si l’on augmente fortement la tension. Lorsque la musique devient de plus en plus entraînante, les participants vont se mettre à circuler, même si les chaises sont confortables. • Il est clair que le jeu de chaises musicales ne peut fonctionner que si les chaises sont placées régulièrement les unes par rapport aux autres, en distance et en orientation. Avec des chaises placées n’importe comment, les participants auront vite fait de se casser la figure, et le jeu s’arrêtera. De même, si l’assemblage des

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atomes dans le matériau ne suit pas des règles précises, alors le matériau sera isolant. C’est en particulier le cas pour les matières plastiques. • Le mouvement des électrons dans le métal crée de la chaleur, car il y a dissipation d’énergie par chocs. Quand il y a trop de frottements, le métal fond car les empilements de cuivre sont déstabilisés. De la même manière, les participants «perdent» de l’énergie chaque fois qu’ils se cognent dans les chaises (ou tout autre obstacle présent comme des tables,...). • Que se passe-t-il dans une ampoule électrique ? Le filament des ampoules est en tungstène. Celui-ci, parcouru par un courant, s’échauffe. A haute température, cet échauffement produit un rayonnement visible : l’ampoule brille. Simultanément, la chaleur éjecte peu à peu les atomes de tungstène du filament (agitation thermique: le fil «s’évapore»!) si bien qu’au bout d’un moment, il cassera. De la même manière, à force de se casser la figure sur des chaises, la continuité de la chaîne va être brisée, et le jeu s’arrêtera.

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Fonctionnement technique ou scientifique Quels sont les différents types d’énergies et de sources énergétiques en milieu marin ? Plusieurs technologies permettant d’utiliser la mer comme une source d’énergie existent mais n’en sont pas au même stade de développement. • L’énergie éolienne issue des vents. Les éoliennes offshore, implantées au large des côtes, permettent d’exploiter des vents marins plus soutenus et plus réguliers qu’à terre. Ce sont aujourd’hui des éoliennes dérivées des éoliennes terrestres et adaptées au milieu marin. Il est probable que des ruptures technologiques conduiront à développer des éoliennes spécifiques au milieu marin. Propositions d’actvités : Fabrication d’une mini-éolienne (voir affiche) Réalisation d’une hélice : http://www.bergerie-nationale.educagri.fr/site_FP/telechargement/Extraitjournaux/atelier/ATJ9.PDF

• L’énergie des marées. Les moulins à marée autrefois, les très rares usines marémotrices aujourd’hui, exploitent l’énergie potentielle de la marée, c’est-à-dire l’énergie liée à la différence de niveau entre deux masses d’eau et aux courants induits. Les impacts de telles installations à la côte conduisent à imaginer des lagons artificiels offshore fonctionnant sur le même principe. Exemple : l’usine marémotrice de la Rance a une production de 500 GWh/an pour une puissance installée de 240 MW1 soit, selon EDF, 4 % de l’électricité consommée en Bretagne ou l’équivalent de la consommation d’une ville comme Rennes2. • L’énergie hydrolienne issue des courants. A l’image des éoliennes pour le vent, les hydroliennes exploitent l’énergie des courants de marée. La densité de l’eau est un facteur important à prendre en compte pour appréhender le dimensionnement des machines. Ainsi, pour une puissance installée équivalente, une hydrolienne est beaucoup plus petite qu’une éolienne. 1 : http://www-fusion-magnetique.cea.fr/energies/energie02.htm 2 : http://jeunes.edf.com/article/Les-energies-marines-en-France,197

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Exemples : • Marénergie – Sabella : projet français d’hydrolienne à turbine à axe horizontal de 10 mètres de diamètre devant à terme produire environ 200kW par unité et 1 MW pour 5 unités assemblées1. Ce projet se trouve aujourd’hui en phase d’essai pré-industriel ; • Clean Current Mark 3 : projet canadien de turbine à effet Venturi c’est-à-dire utilisant l’accélération d’un fluide dans une conduite dont le diamètre se rétrécit. Chaque dispositif, dont les lames mesurent 17 mètres de diamètre, peut produire 950 kW dans un courant de 3 m/s et 2,2 MW dans un courant de 4,1 m/s2. Ce projet a aujourd’hui atteint le stade de développement industriel; • Le futur parc éolien de Paimpol-Bréhat Une animation (Open Hydro) : http://www.youtube.com/watch?v=LyamCR6Alv8 Un court reportage : h ttp://www.bretagne.fr/internet/jcms/vgr_112317/Un+parc+hydrolien+au +large+de+Paimpol?vid=1364093098001

• L’énergie issue des vagues et de la houle (ou houlomotrice). Les vagues créées par le vent à la surface des mers et des océans transportent de l’énergie cinétique. Lorsqu’elles arrivent sur un obstacle flottant ou côtier elles cèdent une partie de cette énergie qui peut être transformée en courant électrique. Il existe également une très grande diversité de concepts pour exploiter l’énergie des vagues : la plupart exploitent l’ondulation des vagues en pleine mer et d’autres, à la côte, le déferlement des vagues. Exemples: Pelamis : projet écossais d’un flotteur de type atténuateur produisant 750 kW par unité. Il consiste en un ensemble de segments cylindriques linéaires articulés (longueur totale de 150 m pour une largeur de 4,7 m), à demi immergés et liés par des joints. Le mouvement des joints généré par les vagues en mouvement utilise un fluide hydraulique qui fait fonctionner un moteur. Ce projet se trouve aujourd’hui au stade industriel et un premier 1 : http://www.sabella.fr/fiche.php?id=114&lg=fr 2 : http://energiesdelamer.blogspot.com/2010/06/alstom-hydro-clean-current-la-saga-dune.html

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parc de trois machines a été installé au large du Portugal1; Ceto : projet australien de bouées immergées produisant de l’électricité et de l’eau douce par transfert d’eau de mer sous pression.2 Le saviez-vous ? Selon EDF, la filière houlomotrice serait en mesure de produire 10 à 15 GW à elle seule en France ( soit l’équivalent de 10 réacteurs nucléaires). • L’énergie thermique issue de la chaleur des océans. Ce procédé vise à exploiter la différence de température entre le fond et la surface de l’océan afin de produire de l’électricité. Par exemple, dans les zones tropicales, la température peut passer d’environ 20° C. en surface à environ 5° C. au dessous de 1 000 mètres de profondeur. Sont utilisés pour cela des générateurs thermoélectriques, convertisseurs d’énergie transformant directement l’énergie thermique en énergie électrique par effet Seebeck (utilisation de la différence de potentiel). Ce procédé permet également de produire de l’eau douce ou du froid pour la climatisation par grande profondeur. Les océans sont à la fois un vaste capteur et un immense réservoir d’énergie solaire. Par ailleurs,le gisement d’eau à température stable des côtes métropolitaines peut permettre d’envisager des installations de type « pompe à chaleur ». Exemple: projet d’usine OTEC (« Ocean thermal energy conversion ») par Lockheed Martin à Hawaii. Le projet est évalué à 8 millions de dollars et la phase d’évaluation de faisabilité de l’installation a déjà commencé. • L’énergie de la biomasse. Les macroalgues peuvent être utilisées pour produire du bioéthanol ou du méthane. Les recherches portent aujourd’hui plus particulièrement sur les microalgues, dont la richesse en lipides permet de produire des « algocarburants» avec des rendements très supérieurs à ceux des plantes terrestres. 1 : http://www.pelamiswave.com/ 2 : http://www.carnegiewave.com/

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• L’énergie osmotique issue de la salinité. La différence de salinité entre l’eau de mer et l’eau douce génère une différence de pression que l’on peut exploiter et transformer en électricité. Si un compartiment d’eau de mer et un compartiment d’eau douce sont mis en contact à travers une membrane semi-perméable, l’eau va naturellement franchir cette membrane vers le compartiment d’eau salée, y créant une surpression. Le débit d’eau alimente alors une génératrice électrique. Exemple : la société norvégienne Statkraft a ouvert en 2009 la première centrale énergétique osmotique. Elle contient 5 millions de mètre de membranes disposées en spirales(7). A noter qu’il est également possible de produire de l’énergie grâce au gradient de salinité en utilisant des procédés d’électrodialyse inversée, une méthode encore au stade de la recherche aux Pays-Bas. Expérience page 34 du livret • 2 MW c’est la capacité installée du parc hydrolien de Paimpol-Bréhat. • 10 000 TWh c’est le potentiel de l’énergie thermique des mers par an au niveau mondial. • 400 à 800 TWh c’est le potentiel de l’énergie hydrolienne par an au niveau mondial. • 2 000 à 8 000 TWh c’est le potentiel de l’énergie houlomotrice par an au niveau mondial. • 1 700 TWh c’est le potentiel de l’énergie osmotique par an au niveau mondial. • 400 TWh c’est le potentiel de l’énergie marémotrice par an au niveau mondial. • 5 à 14 TWh c’est le potentiel de l’énergie hydrolienne par an en France métropolitaine. • 40 TWh c’est le potentiel de l’énergie houlomotrice par an en France métropolitaine.

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Enjeux par rapport à l’énergie Enjeux économiques et technologiques • Incertitude sur les enjeux économiques et industriels Le marché des énergies marines se trouve encore à un stade précoce. Il est trop tôt pour définir les technologies et les rendements industriels de référence. De plus, les coûts expérimentaux sont importants. Enfin, les réseaux électriques ne sont pas toujours adaptés à l’acheminement d’énergie marine, et leur aménagement peut prendre une dizaine d’années. • Incertitude sur les développements technologiques Le milieu marin est particulièrement exigeant et agressif (corrosion due au sel, forces des courants et des tempêtes, organismes « encroûtants »). Il est donc nécessaire d’investir dans la recherche et développement afin d’améliorer les technologies existantes et d’évaluer la faisabilité de certains projets sur le moyen-long terme. Enjeux sociétaux • Incertitude sur la gestion des contraintes maritimes et côtières Exploiter des énergies marines dans une zone côtière déjà densément utilisée soulève des conflits d’utilisation. Les pêcheurs protestent par exemple contre les installations hydroliennes ou houlomotrices qui peuvent empêcher la pêche au chalut. • Incertitude sur le cadre légal dans la plupart des pays La clarification de la réglementation au niveau national est indispensable. Il faut établir des normes claires d’utilisation des espaces maritimes ainsi que de tarification de l’électricité produite par ces installations. Ces barrières légales constituent aujourd’hui un frein au développement de nouveaux projets. Enjeux environnementaux • Incertitude sur l’impact écologique des installations Ce sont notamment les conséquences environnementales sur la faune et la flore sous-marines qui doivent être étudiées. Il faut également considérer la pollution auditive ou visuelle que peuvent engendrer ces procédés.

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Acteurs majeurs

Nombre de projets en développement en 2006 par type et par pays (d’après source AIE) Une étude menée pour le compte de l’Agence internationale de l’énergie (IEA) à la fin de l’année 2006 faisait état de 81 concepts en développement (hors éolien) : 53 concepts pour la récupération de l’énergie des vagues, 25 pour les courants, deux pour la salinité et un pour l’énergie thermique des mers.

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Les acteurs du secteur des énergies marines sont principalement des entreprises de taille moyenne épaulées par des collectivités locales et/ou des subventions et appels d’offre publics nationaux. Certains grands groupes du secteur énergétique qui cherchent à étendre leurs activités passent également des partenariats avec des entreprises du secteur des énergies marines. A titre d’exemple, on peut mentionner le partenariat entre EDF et la société irlandaise OpenHydro visant à construire un parc hydrolien pilote. Les Etats et les collectivités territoriales supportent de plus en plus activement les projets d’énergies marines dans le monde. La Grande-Bretagne a plusieurs longueurs d’avance dans ce domaine. Plus de 200 M€ ont été engagés par l’Etat britannique dans le secteur entre 1999 et 2008(9). Le Portugal et les pays scandinaves sont également très actifs tout comme les États-Unis et la Chine qui cherchent des moyens de répondre à leurs besoins énergétiques considérables. Unités de mesure et chiffres clés Coût au kilowatt des énergies hydrolienne et houlomotrice En France, une étude de la DGEC estime que le coût de production en 2015 d’une centrale exploitant l’énergie des vagues ou des courants serait de l’ordre de 7,8 c€/ kWh pour 3 000 h de fonctionnement en équivalent pleine puissance, et de 5,9 c€/ kWh pour 4 000 h(10). A titre de comparaison, selon le Global Wind Energy Council, la fourchette des coûts de production pour l’énergie éolienne pourrait atteindre 3 à 6 c€/kWh en 2020. Zone de présence ou d’application Les sites potentiels sont particulièrement restreints pour les énergies marémotrices et hydroliennes. C’est pourquoi les technologies houlomotrices, thermiques et osmotiques semblent plus adaptées à une utilisation dans des pays ne disposant pas de courants forts ou de grandes zones de marnage. L’énergie marine permettra notamment d’alimenter en énergie des îles ou territoires isolés disposant d’un potentiel intéressant, comme la Réunion.

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Une question bonus pour les animateurs : Quelle fraction de nos besoins en énergie l’exploitation des énergies marines pourrait-elle satisfaire de façon durable ?...

Ces résultats montrent que l’exploitation des énergies marines pourrait assurer une production annuelle de 120.000 TWh. Ceci est de l’ordre de grandeur de la consommation mondiale d’énergie primaire. Pour les hypothèses et les détails des calculs qui ont permis d’aboutir à ces résultats, vous pouvez consulter : http://www.clubdesargonautes.org/energie/potentiels.php Les émergies : c’est nouveau ? L’idée d’exploiter l’énergie de la mer n’est pas nouvelle. Dès le XIIe siècle, des moulins à marée dont l’existence est avérée sont construits sur les côtes européennes. Au Moyen-âge, plus d’une centaine de moulins à marée parsemaient le littoral français, et tout particulièrement la Bretagne. Les moulins à marée de la Vicomté sur Rance, de Bréhat, d’Arz, de Trégastel, de Ploumanac’h ou du Golfe du Morbihan sont les témoins de cet intérêt pour l’énergie de la mer, ensuite oublié, remis au goût du jour avec la construction de la centrale marémotrice de la Rance, puis aujourd’hui replacé au cœur du débat sur les énergies renouvelables.

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Certains moulins peuvent encore être observés de nos jours en Bretagne: dans l’estuaire de la Rance pour actionner des moulins à grain (comme le moulin du Prat, dont le mécanisme a récemment été restauré, situé sur le territoire de la commune de La Vicomté-sur-Rance), dans le golfe du Morbihan, notamment sur l’Île d’Arz et sur la commune d’Arzon (moulin à marée de Pen Castel), sur l’Île de Bréhat (moulin à marée du Birlot), dans le Trégor (deux moulins sur la route qui relie Trégastel à Ploumanac’h). Mais les technologies ont bien évolué depuis le Moyen-âge, et particulièrement dans les dix dernières années qui ont vu se multiplier les concepts. Le potentiel énergétique marin est ensuite évoqué par Jules Vernes en 1869 dans Vingt mille lieues sous les mers. Il parle alors de « l’Energie Thermique des Mers » (ETM). A partir de la fin du XIXe siècle des expérimentations d’utilisation des vagues sont effectuées à San Francisco et Santa Cruz en Californie. 1966 : l’évènement marquant en matière d’énergie marine est l’ouverture de l’usine marémotrice de la Rance, en France, qui est la première usine de ce genre au monde et à ce jour la plus puissante. Depuis la fin des années 90 : avec le regain d’intérêt pour les énergies renouvelables, un grand nombre de projets de recherche sur l’hydrolien et le houlomoteur sont lancés. 2008 : la première hydrolienne commerciale est implantée en Irlande du Nord (1,2 MW) et la première « ferme » industrielle à vagues, application du projet Pelamis, est ouverte près des côtes portugaises.

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2009 : une centrale osmotique pilote est ouverte en Norvège par l’entreprise Statkraft. L’entreprise Canadienne Clean Current présente, elle, ses trois modèles d’hydrolienne Mark 1, 2 et 3 capables de travailler aussi bien en eau profonde que dans les cours d’eau. 2011 : installation, à l’automne, de la première des quatre turbines du futur parc hydrolien qui devrait être implanté au large de Paimpol-Bréhat fin 2012. Futur : Les technologies marines les plus prometteuses - hydroliennes et houlomotrices - ne sont aujourd’hui pas encore suffisamment avancées pour être installées à grande échelle. Certains projets en phase pré-industrielle ou en cours de démonstration sont toutefois très prometteurs. Ces technologies devraient atteindre le seuil de maturité industrielle économique vers 2015 ou 2020. D’autres technologies (thermique et osmotique) sont trop coûteuses et trop complexes technologiquement pour offrir une alternative viable aux énergies fossiles dans un futur proche. Certains moulins peuvent encore être observés de nos jours en Bretagne: dans l’estuaire de la Rance pour actionner des moulins à grain (comme le moulin du Prat, dont le mécanisme a été restauré récemment).

Sources principales : Des énergies marines en Bretagne : à nous de jouer !, Conseil économique et social de la région Bretagne, mars 2009. http://www.bretagne.fr/internet/jcms/preprod_35266/des-energies-marines-en-bretagne-a-nous-dejouer-2009

Feuille de route sur les énergies renouvelables marines, ADEME, juin 2010. http://www2.ademe.fr/servlet/getDoc?sort=-1&cid=96&m=3&id=74563&ref=14228&nocache=yes &p1=111

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ĂŠmergie Le jeu

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Matériel : - Une carte/plateau de jeu avec des zones numérotés - Des «jetons» de couleur 2

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Quand la mer produit de l'énergie

- Des éoliennes et des hydroliennes à placer

- Des badges acteurs

- Des cartes «questions», «événements», «construction» à tirer

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L’énergi

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Présentation : L’énergie nucléaire est potentiellement dangereuse et polluante, mais reste actuellement très bon marché pour le consommateur… Pour trouver des alternatives, il faut certes développer de nouvelles technologies pour produire de l’énergie dite « propre », mais aussi et surtout prendre l’habitude de diminuer nos consommations d’énergie. Nous sommes ici en Bretagne, où il a été décidé d’implanter des éoliennes flottantes et des hydroliennes, étant donné les caractéristiques optimales de la région pour développer des projets d’énergies marines d’envergure nationaux, voire internationaux ! Mais où les installer en mer ? Notre plateau de jeu représente un territoire imaginaire mais aux caractéristiques inspirées du réel. Nous allons devoir y choisir une zone, selon différents critères : - scientifiques (vitesse du vent, profondeur de la mer, force des courants), - culturels (patrimoine culturel et symbolique du lieu à prendre en compte), - économiques (les zones de pêche, le tourisme), - écologiques (ne pas dégrader les habitats ni perturber le mode de vie de la faune et de la flore locale), - sociales (les habitants de la ville) du lieu choisi.

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But du jeu : Il se joue de préférence en équipes. Chaque équipe doit se surpasser pour faire mieux que les autres en gagnant le plus de points possibles, ce qui lui permettra d’atteindre un niveau d’émergie, et lui fera gagner le livret pédagogique émergie. L’objectif est donc d’obtenir le maximum de points afin d’atteindre le niveau 3. Pour cela, il faut réussir à trouver les meilleures zones pour installer des éoliennes flottantes et des hydroliennes, à l’aide des cartes d’aide, puis, dans un deuxième temps, jouer au jeu “Emergie” pour affiner cette recherche en endossant le rôle d’un citoyen actif, d’un spécialiste des énergies, de la vie marine, ou même de l’économie...! NB : les règles du jeu sont volontairement très simples afin de pouvoir être facilement adaptées en fonction du public et du temps, souvent très court, qu’il est susceptible de nous accorder.

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Déroulement du jeu : Première partie : La première partie consiste à déterminer sur la carte quelles sont les zones qui correspondent le mieux aux critères scientifiques de construction d’une éolienne (beaucoup de vent et de profondeur et peu de courants) et d’une hydrolienne (beaucoup de courants). 1. Placer la carte numéro 1 devant les joueurs. Poser les cartes “aides” à côté, ainsi que les 2 fiches techniques, et distribuer un jeton de chaque couleur à chacun des joueurs. Chaque couleur de jeton correspond à un type de donnée. Bleus = la profondeur ; Blancs = un faible courant ; Roses = un courant fort Jaunes = la houle ; Oranges = le vent 2. Chaque équipe lance le dé à tour de rôle. Celle qui fait un 6 commence puis on tourne dans le sens des aiguilles d’une montre. 3. - Au 1er tour, chaque équipe place son jeton noir sur la zone où elle pense que l’on trouve le plus de vent en s’appuyant sur la carte “aide” correspondante, - Au 2ème tour, chaque équipe place son jeton bleu sur la zone où elle pense que l’on trouve les profondeurs les plus importantes, - Au 3ème tour, chaque équipe place son jeton vert sur la zone où elle pense qu’il y a le plus de courant, - Au 4ème tour, chaque équipe place son jeton blanc sur la zone où elle pense qu’il y a le moins de courant, - Au 5ème tour, chaque équipe place son jeton marron où elle pense qu’il y a le plus de houle. 4. Ensuite, on compare le positionnement des jetons avec les fiches techniques «éoliennes” et “hydroliennes”. Où pensez-vous qu’il faille placer des éoliennes flottantes et des hydroliennes d’un point de vue strictement scientifique ? Dans ces zones identifiées, où est-ce que vous pensez qu’il serait meilleur marché de poser des éoliennes flottantes ? (et par rapport à la position des consommateurs ?) Après avoir énoncer vos propositions et échanger, vous pouvez lire les réponses !

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Seconde partie : La seconde partie du jeu nous amène à placer les éléments (éoliennes, hydroliennes) en fonction de ces critères, mais aussi d’autres critères, socioéconomiques. Elle nous amène également à réfléchir sur nos consommations énergétiques. Lors de cette partie de jeu, les acteurs doivent chacun leur tour tirer une carte (poser une éolienne, poser une hydrolienne ou trouver une solution pour économiser l’énergie +cartes questions + cartes événements). Ils doivent réfléchir tous ensemble à la pose des machines + à la solution + répondre aux questions + lire les événements.Chaque acteur amène une information permettant à l’équipe de gagner des points. Les hydroliennes rencontrent comme les éoliennes offshore une forte opposition des pêcheurs qui craignent de casser leurs filets dans ces installations métalliques. (En réalité seuls les gros chalutiers se verraient interdire l’approche des hydroliennes, les petits bateaux de pêche disposant de ligne et de casier pourront accéder à ces zones devenues de véritables sanctuaires à poisson). Il faudra aussi tenir compte des militaires qui pourraient causer de gros dommages avec les sous-marins et des routes maritimes habituellement empruntée par la marine marchande. 10 acteurs, 10 éléments à placer, 10 actions à trouver, 5 questions, 5 événements 5. Placer ensuite la pioche devant les joueurs, puis chaque joueur pioche ou choisit une carte “acteur”. 6. Chacun lit ensuite sa carte « acteur » aux autres puis lance le dé. Le premier qui fait un 6 commence en tirant une carte dans la pioche, et ainsi de suite dans le sens des aiguilles d’une montre. 7. Lorsqu’il tire une question ou un événement, il pose la question, la devinette ou le défi aux autres membres de l’équipe qui doivent répondre correctement pour faire gagner des points à leur équipe. Chaque bonne réponse fait gagner 1 point à l’équipe. Les cartes « événements » permettent de faire gagner 1 point supplémentaire à l’équipe si elle répond correctement à une question ou réussit un défi. A chaque solution trouvée pour diminuer sa consommation d’énergie, l’équipe gagne 2 points,

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Pour la pose des machines, les réponses seront données à la fin, et rapporteront 1 point par machine correctement posée. Attention, pour poser les machines, il faut prendre en compte plusieurs facteurs : la profondeur de la mer, le vent, les courants, la houle, et les informations apportées par chacun des acteurs ! 8. On additionne ensuite les points, et on lit la feuille « Quel est notre niveau d’émergie ?» puis on note les noms des équipes/participants, la date, le lieu, les points, sur un livre d’or « Que d’émergie ! » qui suivra l’expo.

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Solutions de la première partie Beaucoup de courant = Zone 4 et 12 Beaucoup de vent = Zones 1, 5 , 10, 11, 13 et 14 Beaucoup de profondeur = Zone 0, 2, 3, 4, 13, 14, 15 Beaucoup de houle = Zones 4, 7, 15

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Solutions de la seconde partie Solutions pour économiser l’énergie = éteindre au maximum les lumières, ne pas laisser les appareils électroniques en veille, ne pas laisser les moteurs en marche à l’arrêt (voiture, scooter), ne pas chauffer trop l’hiver (préferer mettre un pull), avoir des appareils à basse consommation (éléctroménager, ampoules). Pose des machines Les hydroliennes doivent êtres placées en zones 13 et 14 (avec négociations) Les éoliennes doivent être placées en zones 3 + 0 et 4 (avec négociations)

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Les différents niveaux du jeu « Quel est notre niveau d’énergie ? » >22 points : vous êtes les champions des émergies... maintenant que vous avez tout compris, parlez-en autour de vous ! de 12 à 22 points : vous êtes sur la bonne voie pour devenir des champions des émergies, mais il va falloir encore fournir quelques petits efforts ! <de 12 points : vous êtes des novices des émergies... il vous reste encore beaucoup à découvrir, ne baissez-pas les bras !

Conseil scientifique et pédagogique Conception pédagogique : Cyrill Kermarrec (APDB.) Conception graphique : Joan Casanelle (LISAA) & Anthony Bossard (APDB) Remerciements : Didier Grosdemange et Anne-Laure Milhe, cabinet d’étude IN VIVO ; Jean François DAVIAU, SABELLA SAS ; Loïc Antoine, IFREMER (Institut Français de Recherche pour l’Exploration de la MER) de Brest ; Vincent Guénard, l’ADEME (Agence De l’Environnement et de la Maitrise de l’Energie) ; Christian Sacre, CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) ; Directrice de publication : Haud Le Guen (APDB)

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Merci à nos partenaires

Siège social 13 bis boulevard du Portugal 35200 RENNES - 02 99 50 05 14 Association loi 1901, agréée d’éducation populaire, association éducative complémentaire de l’enseignement public, organisme de formation professionnelle, entreprise solidaire, reconnue d’intérêt général.