Fiche de révision : Énergie et choix de développement

📋 Plan du Cours

1. Unités et conversions énergétiques
2. Énergies primaires et centrales nucléaires
3. Consommation mondiale et dépassement écologique
4. Usages énergétiques et inégalités mondiales
5. Combustibles fossiles et combustion
6. Biocarburants et générations
7. Combustion et polluants atmosphériques
8. Pollution de l’air et effets sanitaires
9. Empreinte carbone et modes de transport
10. Choix de consommation et empreinte carbone

📖 1. Unités et conversions énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance : La puissance correspond à l’énergie mise en jeu durant une seconde et s’exprime en watts (W).

★ À maîtriser

📐 Formule - Un kilowattheure correspond à $1\ \text{kWh} = 3{,}60 \times 10^6\ \text{J}$.

📐 Formule - L’énergie consommée ou produite est reliée à la puissance et à la durée par $E = P\Delta t$.

Compléments

• L’unité officielle de l’énergie est le joule (J), tandis que les fournisseurs français expriment souvent l’énergie consommée en kilowattheures (kWh).

• Une tonne équivalent pétrole (TEP) correspond à l’énergie produite par la combustion d’une tonne de pétrole brut, soit $4{,}1868 \times 10^{10}\ \text{J}$.

📖 2. Énergies primaires et centrales nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie primaire : Énergie disponible dans la nature sans transformation, sous forme de stocks de combustibles ou de flux naturels.
• Énergie finale : Énergie qui arrive au point de consommation et est prête à être utilisée.

★ À maîtriser

• La conversion entraîne des pertes de :

  • production
  • transformation
  • transport

• En France, produire 1 kWh d’électricité à partir d’uranium nécessite 2,5 kWh d’énergie primaire, sans compter l’extraction, le transport et l’enrichissement du minerai.

Compléments

• Les énergies primaires existent sous forme de stocks — uranium et combustibles fossiles comme le charbon, le pétrole et le gaz naturel — ou de flux, notamment le rayonnement solaire, la géothermie et l’énergie gravitationnelle des marées.

• 🔄 La production d’électricité dans une centrale nucléaire suit ces étapes :

  1. La fission de l’uranium génère de la chaleur.
  2. La chaleur produit de la vapeur d’eau.
  3. La vapeur entraîne des turbines et des alternateurs.
  4. Les alternateurs produisent de l’électricité.
  5. L’électricité est transportée jusqu’aux consommateurs.

💡 Astuce mémo

Uranium → chaleur → vapeur → turbine → électricité

📖 3. Consommation mondiale et dépassement écologique

🔑 Notions clés & Définitions

• Jour du dépassement : Global Footprint Network - Date à laquelle l’humanité a consommé l’équivalent des ressources que la Terre peut produire en une année.
• Biocapacité : Ressources que la Terre est capable de produire en une année.
• Empreinte écologique : Demande humaine en ressources exprimée en hectares globaux par personne et par an.

★ À maîtriser

• En 2022, la consommation mondiale d’énergie primaire se répartit entre : (Energy Institute, 2023) :
  • le pétrole, à 31,6 %
  • le gaz naturel, à 26,7 %
  • le charbon, à 23,5 %
  • les énergies renouvelables, à 14,2 %
  • le nucléaire, à 4,0 %

📐 Formule - Le jour du dépassement se calcule par $J = \frac{B}{E} \times 365$, où $B$ est la biocapacité et $E$ l’empreinte écologique, exprimées en hag par personne et par an. - Global Footprint Network

Compléments

• La consommation mondiale d’énergie primaire a augmenté au cours de la période représentée, de 1965 à 2022.

• En 2023, l’empreinte écologique est de 4,96 hag par personne et par an en France, 8,61 au Canada et 1,84 en Indonésie. - Global Footprint Network

💡 Astuce mémo

Quand l’empreinte dépasse la biocapacité, les ressources annuelles sont épuisées avant la fin de l’année.

📖 4. Usages énergétiques et inégalités mondiales

🔑 Notions clés & Définitions

• Produit intérieur brut : Indicateur économique qui mesure la production de richesse.

★ À maîtriser

• En 2020, la consommation mondiale d’énergie finale a atteint 4,01 × 10²⁰ J.

• En 2020, les secteurs ont utilisé les quantités d’énergie finale suivantes :

  • les transports, 2,8 GTEP
  • l’habitat, 3 × 10¹³ kWh
  • l’industrie, 1,20 × 10²⁰ J
  • le tertiaire, 4,8 × 10¹⁹ J
  • l’agriculture, 8 × 10¹⁸ J

Compléments

• En 2021, la population, la consommation d’énergie et le PIB sont respectivement de 1 400 millions, 34 700 TWh et 17 820 milliards de dollars en Chine, contre 68 millions, 2 500 TWh et 2 959 milliards de dollars en France.

📖 5. Combustibles fossiles et combustion

🔑 Notions clés & Définitions

• Combustible fossile : Combustible issu de restes d’êtres vivants enfouis dans le sol depuis plusieurs millions d’années.

★ À maîtriser

• Plus de 80 % des combustibles utilisés dans le monde pour produire de l’énergie sont fossiles, notamment le pétrole, le charbon et le gaz naturel.

📌 Une combustion complète d’un combustible carboné réagit avec le dioxygène et produit du dioxyde de carbone et de l’eau, selon le schéma combustible + dioxygène → dioxyde de carbone + eau.

• Les émissions de CO₂ par unité d’énergie dégagée sont :
  • méthane : 55 tonnes de CO₂ par TJ
  • octane : 69 tonnes de CO₂ par TJ
  • dodécane : 71 tonnes de CO₂ par TJ

Compléments

• L’essence et le gazole peuvent être modélisés respectivement par l’octane $\mathrm{C_8H_{18}}$ et le dodécane $\mathrm{C_{12}H_{26}}$.

• Le gaz naturel utilisé notamment comme carburant GNV contient 97 % de méthane $\mathrm{CH_4}$.

• L’équation ajustée de combustion complète du butane est $2\,\mathrm{C_4H_{10}} + 13\,\mathrm{O_2} \rightarrow 8\,\mathrm{CO_2} + 10\,\mathrm{H_2O}$.

📖 6. Biocarburants et générations

🔑 Notions clés & Définitions

• Biocarburant : agriculture.gouv.fr, Qu’est-ce que les biocarburants ? - Carburant de substitution obtenu à partir de biomasse d’origine végétale, animale ou issue de déchets, destiné notamment aux transports comme additif ou complément aux carburants fossiles.

★ À maîtriser

📌 Les biocarburants de première génération proviennent de cultures traditionnellement destinées à l’alimentation, tandis que ceux de deuxième génération sont issus de matières premières non alimentaires. - agriculture.gouv.fr, Qu’est-ce que les biocarburants ?

• Le CO₂ libéré lors de la combustion des biocarburants est compensé par le CO₂ absorbé par les végétaux durant leur croissance, ce qui réduit leurs émissions de gaz à effet de serre par rapport aux carburants fossiles. - agriculture.gouv.fr, Qu’est-ce que les biocarburants ?

Compléments

• L’éthanol des biocarburants incorporés à l’essence est principalement produit par fermentation des sucres issus notamment des betteraves et des céréales. - agriculture.gouv.fr, Qu’est-ce que les biocarburants ?

• Le carburant E5 contient 5 % d’éthanol, le E10 jusqu’à 10 % et le E85 jusqu’à 85 %. - agriculture.gouv.fr, Qu’est-ce que les biocarburants ?

• Le biodiesel peut être fabriqué à partir de : (agriculture.gouv.fr) :

  • colza
  • tournesol
  • soja
  • palme
  • huiles alimentaires usagées
  • graisses animales

• Le gazole disponible à la pompe contient entre 7 % et 10 % de biocarburants et est signalé par B7 ou B10 selon sa teneur en biodiesel. - agriculture.gouv.fr, Qu’est-ce que les biocarburants ?

📖 7. Combustion et polluants atmosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Combustion : Transformation chimique au cours de laquelle le dioxygène réagit avec un combustible, comme un carburant fossile ou la biomasse.
• Particules fines : Poussières en suspension dans l’air issues d’une combustion incomplète et classées selon leur taille.

★ À maîtriser

• La combustion de carburants fossiles ou de biomasse rejette notamment :
  • du CO₂
  • du CO
  • du SO₂
  • des NOₓ
  • du N₂O
  • des suies
  • des particules fines

Compléments

• Les PM10 ont une taille inférieure à 10 µm et les PM2,5 une taille inférieure à 2,5 µm.

• Les particules fines proviennent principalement du chauffage domestique au bois, des activités industrielles de construction et des gaz d’échappement des véhicules, surtout ceux à moteur Diesel.

• Le CO est un gaz toxique potentiellement mortel produit lors d’une combustion incomplète.

• Les suies sont des solides imbrûlés qui contribuent à l’effet de serre.

• Le NO est un produit de la combustion des fuels, tandis que le NO₂ se forme au contact de l’air et cause une surproduction d’ozone à basse altitude.

• Le N₂O contribue à l’effet de serre et détruit la couche d’ozone à haute altitude.

📖 8. Pollution de l’air et effets sanitaires

★ À maîtriser

• Les effets à long terme des polluants résultent d’expositions répétées au cours de la vie et favorisent des maladies, une surmortalité et une baisse de l’espérance de vie.

• Les effets immédiats surviennent après une courte exposition et peuvent comprendre des irritations oculaires ou respiratoires, des crises d’asthme, l’aggravation de troubles cardio-vasculaires ou respiratoires, une hospitalisation ou le décès.

• Si les concentrations de PM₂,₅ sur tout le territoire français atteignaient celles des communes les moins polluées, une personne de 30 ans gagnerait 9 mois d’espérance de vie.

Compléments

• La pollution atmosphérique est associée à des pathologies respiratoires, cardio-vasculaires, à d’autres atteintes de l’organisme et à des troubles du système reproducteur.

• Lors de l’arrêt d’activité d’une aciérie dans la vallée de l’Utah, du 1er août 1986 au 1er septembre 1987, l’impact sanitaire a été mesuré chez les enfants de 0 à 17 ans admis à l’hôpital pendant l’hiver.

• Les effets sur les admissions hospitalières observés dans la vallée de l’Utah n’ont pas été observés dans une vallée voisine non exposée aux émissions de l’usine.

💡 Astuce mémo

Exposition répétée aux polluants → maladies, surmortalité et baisse de l’espérance de vie

📖 9. Empreinte carbone et modes de transport

🔑 Notions clés & Définitions

• Empreinte carbone : La masse de gaz à effet de serre produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matières premières.

★ À maîtriser

📌 Les émissions directes de gaz à effet de serre proviennent de la combustion de carburants dans les véhicules et de combustibles fossiles pour le chauffage, tandis que les émissions indirectes sont liées à la production d’électricité et aux réseaux de chaleur et de froid consommés sur le territoire.

• L’empreinte carbone s’exprime en kilogrammes équivalent CO₂ (kg CO₂-eq) ou en tonnes équivalent CO₂ (t CO₂-eq), avec des facteurs de conversion pour ramener les différents gaz à un équivalent CO₂.

• En 2021, les secteurs de l’empreinte carbone individuelle comprennent :

  • le transport : 2 700 kg CO₂eq/personne
  • l’alimentation : 2 450 kg CO₂eq/personne
  • le logement : 1 900 kg CO₂eq/personne
  • les biens de consommation : 1 550 kg CO₂eq/personne
  • les services : 1 300 kg CO₂eq/personne

Compléments

• L’empreinte carbone moyenne d’un individu en France en 2021 était de 9,9 t CO₂eq par personne.

• Pour un repas, l’empreinte carbone indiquée va de 0,4 kg éqCO₂ pour un repas végétalien à 7 kg éqCO₂ pour un repas avec du bœuf.

• Pour 1 kg de CO₂ d’empreinte, les distances parcourues en ville indiquées sont de 9 km en bus thermique, 46 km en bus électrique, 234 km en tramway et 225 km en métro.

📖 10. Choix de consommation et empreinte carbone

📝 Points essentiels

• Un smartphone conservé un an a une empreinte carbone totale de 30,66 kg éqCO₂, dont 24,17 kg proviennent des matières premières.

• D’après les données citées, 88 % des Français changent de téléphone portable alors que le précédent fonctionne, et 93 % des vêtements d’une garde-robe n’ont pas été portés l’année précédente.

💡 Astuce mémo

Smartphone conservé cinq ans : l’empreinte totale reste proche d’un an, contrairement à son renouvellement annuel