Fiche de révision : Énergie et combustibles fossiles

📋 Plan du Cours

1. Consommation énergétique et ressources
2. Combustion fossile et pollution
3. Mesurer l’empreinte carbone
4. Réduire et comparer les émissions
5. Scénarios et impacts climatiques
6. Décisions pour la transition écologique

📖 1. Consommation énergétique et ressources

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie primaire : Une énergie disponible dans l’environnement et directement exploitable ; elle peut être convertie en énergie secondaire, comme l’électricité.
• Kilowatt-heure : L’énergie consommée par un appareil de 1 kW pendant une heure.

★ À maîtriser

• Le joule est l’unité officielle de l’énergie ; le pétrole s’exprime aussi en tonne d’équivalent pétrole (tep), le charbon en tonne d’équivalent charbon (tec) et l’électricité en kilowatt-heure (kWh).

📐 Formule - Les conversions énergétiques sont $1\ \mathrm{kWh}=3{,}6\times10^6\ \mathrm{J}$ et $1\ \mathrm{tep}=4{,}2\times10^{10}\ \mathrm{J}$.

📌 Une énergie de stock est conservée dans des gisements et non renouvelable à l’échelle humaine, tandis qu’une énergie de flux est non stockable et renouvelable, issue des mouvements de l’air ou de l’eau, du rayonnement solaire ou de la géothermie.

• La consommation mondiale d’énergie primaire a plus que doublé depuis 1973, en lien direct avec le modèle industriel de production et de consommation.

• En 2017, les combustibles fossiles représentaient 85,2 % de l’énergie totale consommée dans le monde, soit 11 511 Mtep.

Compléments

• Les préfixes kilo, méga, giga, téra et péta correspondent respectivement aux multiples $10^3$, $10^6$, $10^9$, $10^{12}$ et $10^{15}$.

• En 2017, les combustibles fossiles représentaient 48,6 % de la consommation d’énergie en France contre 85,2 % dans le monde, tandis que le nucléaire en représentait 40 % en France contre 4,5 % dans le monde.

• En 2015, la consommation annuelle moyenne d’un ménage en France pour les usages domestiques était estimée à 5 000 kWh.

💡 Astuce mémo

Stock dans un gisement, flux en mouvement

📖 2. Combustion fossile et pollution

🔑 Notions clés & Définitions

• Combustible fossile : Un combustible non renouvelable contenant essentiellement du carbone et provenant de couches souterraines enfouies depuis des millions d’années.
• Combustion : Une réaction chimique entre un combustible, qui brûle, et un comburant, généralement le dioxygène O₂, qui nécessite une énergie d’activation.
• Énergie massique : L’énergie thermique libérée par la combustion de 1 kg de combustible ; elle se note L et s’exprime en kJ/kg ou en kWh/kg.
• Étude épidémiologique : Une analyse des problèmes de santé dans les populations humaines, de leur fréquence, de leur distribution dans le temps et dans l’espace, ainsi que des facteurs de risque.

★ À maîtriser

📌 La combustion ne peut pas se réaliser si l’un des trois éléments nécessaires — combustible, comburant ou énergie d’activation — est absent.

• Une combustion complète, réalisée avec un excès de dioxygène, transforme entièrement le carbone, l’hydrogène et parfois l’oxygène du combustible en dioxyde de carbone CO₂ et en eau gazeuse H₂O.

• 🔄 La détermination se fait en trois étapes :

  1. Calculer le nombre de molécules de combustible dans 1 g.
  2. Déterminer la masse de CO₂ produite par 1 g de combustible à partir de l’équation de combustion.
  3. Rapporter cette masse à l’énergie dégagée.

• Les activités humaines sont responsables de 90 % de la pollution atmosphérique.

• Les polluants primaires libérés comprennent :

  • le monoxyde d’azote (NO)
  • le dioxyde d’azote (NO₂)
  • le dioxyde de soufre (SO₂)
  • la suie
  • les particules fines
  • les aérosols

📌 Les particules grossières ont un diamètre de 2,5 à 10 μm et sont notamment générées par l’agriculture et le trafic routier, tandis que les particules plus petites, de diamètre inférieur à 2,5 μm, sont générées par la combustion de ressources fossiles.

• Les effets des particules fines touchent :
  • les poumons : asthme, toux, bronchite, cancer des poumons et troubles allergiques
  • le système cardiovasculaire : accident vasculaire cérébral, infarctus et angine de poitrine
  • le système reproducteur : baisse de la fertilité et augmentation de la prématurité
  • les muqueuses : irritations oculaires, gorge qui pique et toux

Compléments

• Les centrales thermiques à flamme produisent de l’électricité grâce à la chaleur dégagée par la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz.

📐 Formule - La quantité de matière et le nombre de molécules sont reliés par $N=n\times N_A$, avec $N_A=6{,}02\times10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$.

• Pour la combustion complète du méthane, $\mathrm{CH_4+2\ O_2\rightarrow CO_2+2\ H_2O}$ ; 1 g de méthane produit 2,74 g de CO₂, soit 2,74 kg de CO₂ par kilogramme de méthane brûlé.

• Avec une énergie massique de 50 000 J par gramme de méthane brûlé et une production de 2,74 g de CO₂ par gramme, la combustion du méthane produit 5,5 × 10⁻⁵ g de CO₂ par joule.

📌 Les polluants secondaires se forment par des réactions chimiques entre certains gaz de l’atmosphère, et l’ozone O₃ en est un exemple.

💡 Astuce mémo

Combustion fossile → émissions → pollution et risques sanitaires

📖 3. Mesurer l’empreinte carbone

🔑 Notions clés & Définitions

• Empreinte carbone : Masse de CO2 produite directement ou indirectement par la consommation d’énergie et/ou de matières premières.

★ À maîtriser

• L’empreinte carbone moyenne d’un Français est estimée à 12 tonnes de CO2 par an.

• Les émissions de CO2 par personne et par kilomètre parcouru sont les suivantes :

  • 0 g pour le vélo et la marche
  • 5 g pour le TGV
  • 65 g pour le bus
  • 160 g pour l’avion sur un trajet supérieur à 1 000 km
  • 250 g pour la voiture

Compléments

• La voiture est responsable de plus de la moitié des émissions totales de CO2 causées par les transports et reste le moyen de déplacement privilégié en France.

📖 4. Réduire et comparer les émissions

★ À maîtriser

• Les comportements permettant de minimiser ou de compenser l’empreinte carbone comprennent : emprunter les transports en commun ou covoiturer, préférer le train à l’avion pour les voyages de moins de 1 000 km, privilégier une alimentation végétale et des fruits et légumes locaux et de saison, réduire sa consommation de viande, réduire sa consommation d’électricité, boire l’eau du robinet, planter un arbre

• La fabrication des voitures électriques rejette davantage de CO2 que celle des voitures thermiques, car la production de leur batterie consomme beaucoup d’énergie fossile et l’extraction de métaux rares comme le lithium rejette des substances polluantes.

📌 Sur l’ensemble de leur cycle de vie, les voitures électriques présentent un gain environnemental réel par rapport aux voitures thermiques si elles parcourent plus de 50 000 km.

• Pour 100 000 km parcourus en France, une voiture thermique émet entre 14 et 21 tonnes d’équivalent CO2, contre 8 à 12 tonnes pour une voiture électrique.

Compléments

• La réduction de la consommation électrique domestique peut notamment passer par : une baisse du thermostat de 1 °C, le remplacement des ampoules classiques par des ampoules à basse consommation, l’arrêt complet des appareils électroménagers inutilisés

📌 Le gain environnemental d’une voiture électrique dépend de l’origine de l’électricité utilisée pour la recharger : il est important avec une électricité décarbonée, comme en France où la majorité de l’électricité ne provient pas de combustibles fossiles, et plus limité avec une électricité produite principalement par des centrales au charbon, comme en Allemagne.

💡 Astuce mémo

Fabrication plus émettrice pour l’électrique, mais usage plus avantageux sur tout le cycle de vie

📖 5. Scénarios et impacts climatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèles climatiques : Modélisations mathématiques du climat qui projettent son évolution à partir d’hypothèses sur les quantités de GES émises.
• GIEC : Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat qui mesure l’état des connaissances sur l’évolution du climat, ses causes et ses impacts.

★ À maîtriser

• Les rejets croissants de GES, notamment de CO2, augmentent la température de la Terre.

• Les scénarios de changement climatique prévoient une hausse de la température terrestre comprise entre +2 °C et +7 °C d’ici 2100, et les modèles climatiques s’accordent sur une augmentation de la température moyenne à cette échéance.

• En cas de forte hausse de la température, jusqu’à 50 % des espèces marines de certaines zones pourraient disparaître ; une hausse de 2 °C pourrait également entraîner la disparition de 8 % des vertébrés.

• L’élévation du niveau de la mer est évaluée entre 45 cm et 110 cm et pourrait provoquer la disparition des récifs coralliens, la submersion de certaines îles et la perte d’une partie du littoral, obligeant des millions de personnes à se déplacer.

📌 Une hausse du CO2 atmosphérique pourrait théoriquement accroître la photosynthèse, mais les sécheresses et les vagues de chaleur stressent les végétaux, perturbent la photosynthèse et ralentissent leur croissance.

Compléments

• Les événements météorologiques violents qui devraient devenir plus fréquents sont :

  • les tempêtes
  • les ouragans
  • les inondations
  • les sécheresses

• Une hausse de température de 2 °C pourrait réduire le rendement des cultures, notamment en Afrique subsaharienne, en Asie du Sud-Est et en Amérique latine.

• La montée des eaux augmente la salinisation des terres, ce qui nuit à leur fertilité.

💡 Astuce mémo

Hausse des GES → réchauffement → perturbation des écosystèmes et des conditions de vie

📖 6. Décisions pour la transition écologique

★ À maîtriser

• L’accord de Paris, signé par 195 pays à la suite de la COP21 de 2015, vise à limiter le réchauffement à 2 °C au maximum et, si possible, à 1,5 °C.

• Les engagements actuels de réduction des émissions conduiraient plutôt à un réchauffement de 3 à 4 °C d’ici la fin du siècle.

• Les décisions politiques peuvent réduire la consommation mondiale de : énergie, matières premières, nourriture, notamment en diminuant la consommation de viande, transports, besoins de chauffage grâce à une meilleure isolation des bâtiments

• Les énergies renouvelables devraient fournir entre la moitié et les deux tiers de l’énergie primaire en 2050.

Compléments

• La déforestation représente 12 % des émissions de CO2.

• Les scénarios d’évolution globale du climat dépendent des stratégies que l’humanité mettra en œuvre.

📊 Tableaux de synthèse

Voitures thermiques et électriques