Exercice 1 — Vocabulaire des enjeux énergétiques (5 pts)
Exercice 1 — Vocabulaire des enjeux énergétiques (5 pts)
- Énergie primaire et énergie finale. (2 pts)
Énergie primaire : énergie disponible dans la nature avant toute transformation industrielle (ex. : pétrole brut, gaz naturel, charbon, uranium, rayonnement solaire).
Énergie finale (ou utile) : énergie effectivement consommée par l'utilisateur après toutes les transformations et le transport (ex. : électricité au foyer, carburant à la pompe, chaleur délivrée par le radiateur).
Justification : la distinction est fondamentale car des pertes surviennent lors de l'extraction, du raffinage, du transport et de la conversion. - Deux exemples d'énergies fossiles et explication. (2 pts)
Exemples : pétrole et charbon (ou gaz naturel).
Ces ressources se sont formées par la décomposition de matières organiques enfouies pendant des millions d'années. Elles ne se reconstituent pas à l'échelle humaine : une fois brûlées, elles sont définitivement consommées → non renouvelables. - Transition énergétique et accord international. (1 pt)
La transition énergétique est le processus qui vise à transformer les systèmes de production et de consommation d'énergie pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et limiter le réchauffement climatique, en substituant progressivement les énergies fossiles par des sources renouvelables ou décarbonées.
L'accord international qui la cadre au niveau mondial est l'Accord de Paris, signé en 2015 lors de la COP21, par 196 pays, avec pour objectif de limiter le réchauffement à « bien en dessous de +2 °C » (et viser +1,5 °C).
Exercice 2 — Le mix énergétique (4 pts)
Exercice 2 — Le mix énergétique (4 pts)
- Définition du mix énergétique et distinction avec le mix électrique. (1 pt)
Le mix énergétique (ou bouquet énergétique) désigne la répartition de toutes les sources d'énergie primaire utilisées par un pays (pétrole, gaz, charbon, nucléaire, renouvelables) pour l'ensemble de ses besoins : transports, chauffage, industrie, électricité.
Le mix électrique ne concerne que la production d'électricité. En France, le mix électrique est très décarboné (≈ 70 % nucléaire) alors que le mix énergétique primaire reste dominé à ~45 % par les fossiles (carburants des transports, gaz de chauffage…). - Trois sources renouvelables et principe de conversion de l'une d'elles. (2 pts)
Trois exemples : solaire photovoltaïque, éolien, hydraulique (ou biomasse, géothermie).
Principe détaillé (exemple : l'éolien) : le vent exerce une force sur les pales de l'éolienne, ce qui les fait tourner. Cette rotation entraîne un alternateur qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Aucune combustion n'est nécessaire → pas d'émission de CO₂ en fonctionnement. - Intermittence et solution. (1 pt)
Le solaire et l'éolien sont intermittents car leur production dépend de conditions météorologiques non maîtrisées : le solaire ne fonctionne pas la nuit ni par temps très couvert ; l'éolien s'arrête par absence de vent.
Solution : stocker l'énergie produite en excès (batteries, stations de transfert d'énergie par pompage — STEP) ou combiner ces sources avec des sources pilotables (hydraulique, nucléaire).
Exercice 3 — Calcul de rendement (5 pts)
Exercice 3 — Calcul de rendement (5 pts)
- Formule du rendement et unités. (1 pt)
η = Eutile / Econsommée
η est un nombre sans unité, compris entre 0 et 1 (ou exprimé en %). Eutile et Econsommée doivent être exprimées dans la même unité (joule, kWh, MJ…). - Rendement de la chaudière à gaz. (1 pt)
η = Eutile / Econsommée = 12 000 / 15 000 = 0,80 soit 80 %.
La chaudière « perd » 3 000 kWh sous forme de chaleur dans les fumées et les parois. - Énergie électrique consommée par la pompe à chaleur. (2 pts)
Le COP (coefficient de performance) est défini par :
COP = Echaleur fournie / Eélectrique consommée
Donc : Eélec = Echaleur / COP = 12 000 / 3,5 ≈ 3 429 kWh d'électricité.
Calcul détaillé : 12 000 ÷ 3,5 = 3 428,6 kWh, arrondi à 3 429 kWh. - Comparaison et intérêt environnemental. (1 pt)
- Chaudière à gaz : consomme 15 000 kWh de gaz pour 12 000 kWh de chaleur.
- Pompe à chaleur : consomme seulement ≈ 3 429 kWh d'électricité pour les mêmes 12 000 kWh de chaleur.
La pompe à chaleur consomme environ 4,4 fois moins d'énergie.
Intérêt environnemental : elle réduit très fortement la consommation d'énergie (donc les émissions de CO₂ liées au gaz) et, si l'électricité provient de sources décarbonées (nucléaire, renouvelables en France), le bilan carbone est quasi nul.
Exercice 4 — Émissions de CO₂ et sobriété (4 pts)
Exercice 4 — Émissions de CO₂ et sobriété (4 pts)
- Émissions annuelles de CO₂ du foyer. (1 pt)
m(CO₂) = volume × facteur d'émission = 2 000 L × 2,7 kg/L = 5 400 kg = 5,4 tonnes de CO₂ par an.
Rappel : 1 tonne = 1 000 kg, donc 5 400 kg = 5,4 t. - Distinction efficacité / sobriété avec exemples dans le logement. (2 pts)
Efficacité énergétique : obtenir le même service (même confort, même chaleur) en consommant moins d'énergie, grâce à une meilleure technologie.
Exemple : remplacer des fenêtres simple vitrage par du double vitrage ou une chaudière ancienne par une pompe à chaleur → même température dans le logement, mais moindre consommation.
Sobriété énergétique : réduire ses besoins en changeant son comportement, en questionnant si le service est vraiment nécessaire à ce niveau.
Exemple : baisser le thermostat de 20 °C à 19 °C, éteindre les pièces inoccupées, ne pas chauffer les couloirs → réduction de la consommation par changement d'habitude. - Effet rebond et ses limites. (1 pt)
L'effet rebond désigne le phénomène par lequel une amélioration de l'efficacité énergétique entraîne, paradoxalement, une augmentation de la consommation totale.
Exemple : une voiture moderne consomme 5 L/100 km au lieu de 8 L/100 km. Grâce aux économies réalisées, son propriétaire fait davantage de trajets et parcourt plus de kilomètres. Au total, il consomme autant (voire plus) de carburant qu'avant.
Cela limite les bénéfices de l'efficacité : sans changement de comportement (sobriété), les gains technologiques sont partiellement annulés.
Exercice 5 — Analyse documentaire : bilan carbone d'un trajet (2 pts)
Exercice 5 — Analyse documentaire : bilan carbone d'un trajet (2 pts)
Rappel des données du document (trajet de 500 km) :
Train : 2,5 kg CO₂ | Covoiturage 4 pers. : 15 kg | Voiture solo : 60 kg | Avion : 110 kg.
- Meilleur bilan carbone et justification. (1 pt)
Le mode de transport présentant le meilleur bilan carbone est le train, avec seulement 2,5 kg de CO₂ pour 500 km.
Justification : le train (TGV en France) est alimenté principalement par de l'électricité d'origine nucléaire et renouvelable, très peu carbonée. Il transporte de nombreux passagers simultanément, réduisant encore l'empreinte par voyageur. L'avion, en revanche, émet 44 fois plus de CO₂ que le train (110 ÷ 2,5 = 44). - Argument pour convaincre un lycéen. (1 pt)
« Prendre la voiture seul pour ce trajet de 500 km émet 60 kg de CO₂, soit 24 fois plus que le train (2,5 kg). En choisissant le train, tu divises ton empreinte carbone par 24 pour ce trajet. Sachant que les transports sont le premier secteur émetteur de CO₂ en France (environ 30 % des émissions nationales), chaque trajet en train plutôt qu'en voiture solo contribue concrètement à la transition énergétique et à l'objectif de l'Accord de Paris de limiter le réchauffement à +1,5 °C. »