2.3 Énergie, développement et futur climatique
Production et consommation d’énergie
- Utiliser les différentes unités d’énergie (Tonne Équivalent Pétrole (TEP), kWh…).
- Exploiter des données de production et d’utilisation d’énergie à différentes échelles (mondiale, nationale, individuelle…).
- Comparer quelques ordres de grandeur d’énergie et de puissance : corps humain, objets du quotidien, moteurs, centrale électrique, flux radiatif solaire…
L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent.
Unités d’énergie
- Joule (J) : unité SI
- Watt-heure (W·h) : 1 W·h = 3,6 kJ
- tonne d’équivalent pétrole (TEP) : 41,9 GJ
Leur consommation est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus.
Consommation par habitant de différents pays
Le tableau ci-dessous donne la consommation énergétique de quelques pays en 2022, leur population, et la quantité d’équivalent CO2 produite en mégatonnes (109 kg). Source : Agence Internationale de l’Énergie
| Pays | Consommation (TW·h) | Population (×106) | Mt éq. CO2 |
|---|---|---|---|
| Inde | 12067 | 1425 | 2757 |
| Chine | 44091 | 1420 | 11393 |
| États-Unis | 25272 | 333 | 5102 |
| Indonésie | 3034 | 279 | 740 |
| Russie | 9396 | 144 | 2117 |
| France | 2455 | 68 | 291 |
| Royaume-Uni | 1779 | 68 | 320 |
| Canada | 3456 | 39 | 599 |
| Arabie Saoudite | 2818 | 32 | 611 |
| Islande | 69 | 0,38 | 1,6 |
1. Quels sont les pays dont les habitants consomment individuellement le plus d’énergie ?
2. Quels sont les pays dont les habitants sont individuellement le plus responsable du changement climatique ?
3. Quels sont les pays qui produisent leur énergie le plus proprement ? Comment cela pourrait-il s’expliquer ?
Correction
Certains pays, États-Unis en tête, joue un rôle historique d’obstruction lors des différentes COP. Cette attitude, relevant du crime contre l’Humanité, n’est malheureusement qu’assez peu relayée dans les média.
Selon un rapport de l’ONG Oxfam de 2024, Elon Musk émet autant de CO2 en une année qu’une personne moyenne en 834 ans. Bernard Arnault a une empreinte carbone liée à son patrimoine 200 000 fois plus élevée que celle d’un Français moyen. Lire l’article de capital.fr
Source : capital.fr
Mais, rassurez-vous, lorsque le monde s’effondrera, les multimilliardaires n’auront pas à faire face à leur responsabilité. Nombre d’entre eux se sont fait construire des bunkers survivalistes de luxe dans des régions reculées. Lire l’article de reporterre.net sur ce sujet.
La croissance de la consommation globale (doublement dans les 40 dernières années) est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés.
En moyenne mondiale, cette énergie est utilisée à parts comparables par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.
Les énergies primaires sont disponibles sous forme de stocks (combustibles fossiles, uranium) et de flux (flux radiatif solaire, flux géothermique et des marées).
Réserves et flux d’énergies
La consommation mondiale d'énergie primaire s'élève à 172 821 TWh en 2022, en augmentation de 71 % depuis 1990.
Quelques données
- En 2022, les réserves conventionnelles prouvées de pétrole s’élevaient à 1493 milliards de barils. 1 baril = 159 L et correspond à 0,136 tep.
- En 2022, les réserves prouvées d’uranium exploitables sont de 7,8 millions de tonnes environ. À partir d’1 kg d’uranium naturel, on peut produire environ 1,5 TJ
- Le flux solaire annuel dans le sud de la France est de 1500 kW·h par an.
- Une grande éolienne offshore a une puissance moyenne de production d’électricité de 3,6 MW.
Pour chacune des sources d’énergie citées, calculer, en supposant à chaque fois que l’humanité utilise exclusivement cette source d’énergie :
- la durée restante du stock (pétrole et uranium)
- les caractéristiques des installations nécessaires dans le cas d’une énergie à flux (solaire, éolien)
Correction
Le cycle du carbone
- Analyser un schéma représentant le cycle biogéochimique du carbone pour comparer les stocks des différents réservoirs et identifier les flux principaux de carbone d’origine anthropique ou non.
- Citer les ordres de grandeur des durées nécessaires aux transformations du carbone.
Le carbone est un élément de base des molécules organiques. Présent dans l'atmosphère sous la forme de dioxyde de carbone, il est absorbé et piégé par les végétaux lors de la photosynthèse. Sur de très longues périodes, il peut également circuler entre différents réservoirs.
Formation des combustibles fossiles
Cette animation montre les étapes successives de la formation du charbon par enfouissement de matière organique sur des milliers d’années. La matière organique enfouie subit une augmentation de la pression et de la température ainsi qu'un appauvrissement en dioxygène O2.
Cycle du carbone et durée des échanges
Réservoirs et flux dans les océans
Le CO2 provenant de l’atmosphère et dissous dans les océans de surface forme des espèces chimiques inorganiques contenant du carbone, qui peuvent être entraînées dans les profondeurs grâce aux courants océaniques. Certains organismes planctoniques ingèrent ces espèces chimiques. À leur mort, ils coulent et se déposent sur les fonds marins, participant ainsi à la sédimentation.
Seulement 2 % de tout le carbone contenu dans le CO2 dissous à la surface des océans finit par être enfoui dans les sédiments. Le reste est rejeté vers l'atmosphère.
Réservoirs et échanges du carbone
Le cycle du carbone
1. Proposer une définition au terme de « réservoir » et identifier les principaux réservoirs de carbone sur Terre.
2. Proposer une définition au terme de « flux » et identifier la nature des flux de carbone mis en jeu dans les océans (chimique ou biologique).
3. Évaluer la masse de carbone d'origine anthropique rejetée dans l'atmosphère chaque année.
4. Comparer cette masse d'origine anthropique avec la masse de carbone d'origine naturelle reçue par l'atmosphère chaque année. Commenter.
Correction
Combustion des combustibles fossiles
- Ajuster l’équation d’une réaction chimique d’oxydation par le dioxygène.
- Comparer la masse de dioxyde de carbone produite par unité d’énergie dégagée pour différents combustibles.
- Distinguer ozone stratosphérique et troposphérique.
- À partir de documents épidémiologiques, identifier et expliquer les conséquences sur la santé de certains polluants atmosphériques, telles les particules fines résultant de combustions.
Les réactions de combustion sont utilisées depuis la Préhistoire pour produire chaleur et lumière. À partir du XVIIIe siècle, elles ont permis de produire de l'énergie mécanique nécessaire aux révolutions industrielles à travers le monde.
Équations-bilans de combustion
Les combustibles fossiles (charbon, pétrole et gaz) sont essentiellement constitué de carbone (C) pour le charbon, et d’hydrocarbure (CxHy) pour le pétrole et le gaz.
La combustion est une réaction chimique exothermique, c'est-à-dire qu'elle libère de l'énergie. Elle met en jeu un combustible (ou carburant) et un comburant, généralement le dioxygène O2 provenant de l'air.
Cette réaction, lorsqu'elle est complète, produit essentiellement deux molécules : du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau dans le cas des hydrocarbure.
Équilibrer une équation-bilan de combustion
Proposer une équation-bilan pour les réactions de combustion ci-dessous :
| Combustible | Équation-bilan |
|---|---|
| charbon | …C + …O2 ⟶ … |
| méthane (gaz « naturel ») | …CH4 + …O2 ⟶ … + … |
| butane (bouteille de gaz) | …C4H10 + …O2 ⟶ … + … |
| octane (essence)* | …C8H18 + …O2 ⟶ … + … |
| dodécane (gasoil)* | …C12H26 + …O2 ⟶ … + … |
| éthanol | …C2H6O + …O2 ⟶ … + … |
* Le gasoil et l’essence sont des mélanges complexes d’hydrocarbures. Les molécules indiquées ici sont des « moyennes » des molécules présentes dans ces carburants.
Correction
Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique d’un combustible est l’énergie thermique dégagée lors de sa combustion, par kilogramme de combustible. Tous les combustibles ne se valent pas sur ce plan ; certains renferment plus d’énergie par kilogramme que d’autres.
| Combustible | Pouvoir calorifique (MJ·kg-1) |
|---|---|
| charbon | 32,5 |
| méthane | 50,0 |
| butane | 45,8 |
| essence | 41,0 |
| gasoil | 43,4 |
| éthanol | 28,9 |
Il est intéressant de rapporter ces valeurs à la masse de CO2 émis lors de la combustion d’un kilogramme de ces différents carburants. Ainsi, on peut apprécier l’efficacité de ces différents carburants rapportée à ses émissions de CO2
Énergie thermique et production de CO2
Les deux premières colonnes du tableau ci-dessous donne la masse de CO2 émise lors de la combustion d’un kilogramme de différents combustibles.
| Combustible | CO2 (kg/kg de carburant) | CO2 (kg/MJ) |
|---|---|---|
| charbon | 3,7 | |
| méthane | 2,8 | |
| butane | 3,0 | |
| essence | 3,1 | |
| gasoil | 3,1 | |
| éthanol | 1,9 |
Compléter la troisième colonne, indiquant la masse de CO2 produite par MJ d’énergie thermique dégagée. Quel est le carburant le moins émetteur de CO2 ?
Correction
Pollution générée par les combustions
Il peut parfois arriver que la quantité de comburant apporté par l'air soit insuffisante. Dans ce cas, la réaction de combustion est incomplète et conduit à la formation d'espèces chimiques toxiques et polluantes, comme le monoxyde de carbone CO gazeux.
La combustion de carburants fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone et également des aérosols et d’autres substances (N2O, O3, suies, produits soufrés), qui affectent la qualité de l’air respiré et la santé.
Empreinte carbone
- À partir de documents, analyser l’empreinte carbone de différentes activités humaines et proposer des comportements pour la minimiser ou la compenser.
- Discuter des incidences de l’augmentation du CO2 sur le développement de la végétation.
- Analyser des extraits de documents du GIEC ou d’accords internationaux
L’empreinte carbone d’une activité́ ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.
Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Ils évaluent les changements prévisibles, affectant les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus vulnérables. Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision.
Futurs climatiques
- Analyser d’un point de vue global les impacts de choix énergétiques majeurs : exemple du nucléaire en France.
- Dans une étude de cas, analyser des choix énergétiques locaux selon les critères et les paramètres mentionnés.
Dans le domaine énergétique, le choix des mesures d’adaptation et d’atténuation doit tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, impacts (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales.
Les durées longues, liées à l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l’urgence de l’action.
La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique (recherche de diversification ou d’évolution des ressources, mix énergétique, etc.), et sur l’évolution des comportements individuels et collectifs (consommations, déplacements, etc).
Math
- Organisation et exploitation de données.
- Lectures graphiques.
- Ordres de grandeur.