Les enjeux énergétiques

Exercice 1 — Connaissances fondamentales
1. Définition d'une énergie renouvelable et deux exemples (1,5 pt)
Une énergie renouvelable est une énergie issue d'une source qui se régénère naturellement à l'échelle de vie humaine, et qui ne s'épuise donc pas.
Deux exemples parmi : énergie solaire (rayonnement du Soleil), énergie éolienne (force du vent), énergie hydraulique (cours d'eau), biomasse, géothermie.
Justification : ces sources sont constamment renouvelées par des phénomènes naturels, contrairement aux combustibles fossiles qui mettent des millions d'années à se former.

2. Équation bilan de la respiration cellulaire (1 pt)
C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + énergie (ATP)
Les trois coefficients manquants sont tous 6. La réaction est parfaitement équilibrée en atomes de C, H et O.

3. Organites de la respiration cellulaire et de la photosynthèse (1 pt)

• Respiration cellulaire → mitochondries (présentes dans toutes les cellules eucaryotes, de jour comme de nuit)
• Photosynthèse → chloroplastes (présents uniquement dans les cellules végétales chlorophylliennes, contiennent la chlorophylle)

4. Vrai ou faux : « La photosynthèse fonctionne de jour et de nuit. » (0,5 pt)
FAUX. La photosynthèse nécessite de l'énergie lumineuse (lumière du Soleil) pour fonctionner ; elle s'arrête donc la nuit. En revanche, la respiration cellulaire, elle, fonctionne en permanence, de jour comme de nuit.

Exercice 2 — Analyse de données
1. Augmentation totale entre 1850 et 2024 (1 pt)
422 ppm − 280 ppm = 142 ppm
La concentration en CO₂ a augmenté de 142 ppm en 174 ans, soit environ +50 % par rapport au niveau préindustriel.

2. Description de l'évolution et accélération (1,5 pt)
La concentration en CO₂ augmente de façon continue entre 1850 et 2024. Cette augmentation s'accélère au fil du temps :

• 1850–1950 (100 ans) : +30 ppm (280 → 310), soit +0,30 ppm/an
• 1950–2000 (50 ans) : +60 ppm (310 → 370), soit +1,20 ppm/an
• 2000–2024 (24 ans) : +52 ppm (370 → 422), soit +2,17 ppm/an

La vitesse d'augmentation est donc environ 7 fois plus rapide en début de XXI^e siècle qu'au XIX^e siècle, ce qui illustre l'accélération de l'activité industrielle mondiale.

3. Principale cause de cette augmentation (1,5 pt)
La principale cause est la combustion des énergies fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel) par les activités humaines (industrie, transport, chauffage). Cette combustion libère dans l'atmosphère le CO₂ piégé dans la matière organique depuis des millions d'années :
combustible fossile + O₂ → CO₂ + H₂O + énergie
La déforestation (réduction des puits de carbone) aggrave également le phénomène. Depuis la révolution industrielle, les émissions de CO₂ d'origine humaine n'ont cessé d'augmenter avec l'essor industriel et démographique.

4. Risque environnemental majeur (1 pt)
L'augmentation de la concentration en CO₂ atmosphérique renforce l'effet de serre, entraînant un réchauffement climatique global. Ce dérèglement climatique provoque : élévation du niveau des mers, multiplication des événements météorologiques extrêmes (sécheresses, inondations, tempêtes), perturbation des écosystèmes et fonte des glaces polaires.

Exercice 3 — Photosynthèse et cycle du carbone
1. Équation bilan de la photosynthèse sous forme de flèches (2 pts)

Réactifs absorbés par la plante :

• 6 CO₂ → absorbé (depuis l'atmosphère par les stomates)
• 6 H₂O → absorbée (depuis le sol par les racines)
• Énergie lumineuse → captée par la chlorophylle dans les chloroplastes

Produits rejetés ou stockés :

• C₆H₁₂O₆ (glucose) → stocké dans la plante (énergie chimique)
• 6 O₂ → rejeté dans l'atmosphère

Schéma :
6 CO₂ + 6 H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
(Les flèches entrent vers la plante pour CO₂ et H₂O/lumière ; les flèches sortent de la plante pour O₂ ; le glucose reste stocké dans les cellules.)

2. Pourquoi les forêts sont des « puits de carbone » (1,5 pt)
Par la photosynthèse, les arbres absorbent en permanence du CO₂ atmosphérique et le transforment en matière organique (glucose, bois, feuilles, racines). Ce carbone est ainsi stocké dans la biomasse forestière pendant des dizaines ou des centaines d'années. Les forêts captent donc plus de CO₂ qu'elles n'en rejettent (via leur propre respiration et la décomposition) : elles constituent un puits net de carbone, contribuant à réduire la concentration en CO₂ atmosphérique et à atténuer l'effet de serre.

3. Cloche hermétique la nuit : évolution du CO₂ (1,5 pt)
La nuit, la concentration en CO₂ à l'intérieur de la cloche augmente.
Explication : sans lumière, la photosynthèse est impossible (elle cesse totalement). En revanche, la respiration cellulaire se poursuit en permanence dans toutes les cellules de la plante. Elle consomme du glucose et du O₂, et rejette du CO₂. Comme la cloche est hermétique, ce CO₂ s'accumule à l'intérieur, entraînant une hausse de sa concentration.

4. Autre phénomène biologique modifiant le CO₂ (1 pt)
La respiration cellulaire (de tous les êtres vivants : animaux, champignons, bactéries) augmente la teneur en CO₂ de l'atmosphère : elle oxyde la matière organique (glucose) et rejette du CO₂.
Autre réponse acceptée : la décomposition de la matière organique par les décomposeurs (bactéries, champignons) augmente également le CO₂ atmosphérique.

Exercice 4 — Développement durable et enjeux
1. Accord de Paris (COP21) et engagement (1,5 pt)
L'accord international signé en 2015 est l'Accord de Paris (ou COP21, tenu à Paris en décembre 2015). Il vise à limiter le réchauffement climatique à +1,5 °C par rapport aux niveaux préindustriels (avec un maximum de +2 °C).
Exemple d'engagement qu'il implique pour les pays signataires :

• Réduire leurs émissions de gaz à effet de serre (CO₂, méthane…) en fixant des objectifs nationaux contraignants.
• Développer les énergies renouvelables et améliorer l'efficacité énergétique.
• Financer la transition climatique des pays en développement.

2. Pourquoi la transition énergétique est nécessaire (2 pts)
Les combustibles fossiles posent deux problèmes majeurs qui rendent la transition énergétique indispensable :

• Problème 1 — Épuisement des ressources : le pétrole, le charbon et le gaz naturel sont des ressources non renouvelables. Formés sur des centaines de millions d'années, leurs réserves sont limitées et s'épuiseront à l'échelle des prochaines décennies/siècles au rythme actuel de consommation. Il est donc urgent de trouver des alternatives durables.
• Problème 2 — Impact environnemental : leur combustion libère massivement du CO₂ dans l'atmosphère (réaction : combustible + O₂ → CO₂ + H₂O), renforçant l'effet de serre et provoquant un réchauffement climatique aux conséquences graves (montée des eaux, événements extrêmes, perte de biodiversité). Cette pollution menace les équilibres naturels et la santé humaine.

La transition vers les énergies renouvelables (solaire, éolien, hydraulique) et vers une meilleure efficacité énergétique permet de répondre à ces deux enjeux simultanément.

3. Deux actions concrètes d'un collégien pour réduire son empreinte carbone (1,5 pt)
Exemples de réponses attendues (2 propositions justifiées parmi) :

• Action 1 : Utiliser le vélo, marcher ou prendre les transports en commun plutôt que de se faire conduire en voiture thermique. Justification : les voitures à essence brûlent des carburants fossiles et émettent du CO₂ ; les modes de déplacement doux ou collectifs réduisent ces émissions.
• Action 2 : Éteindre les appareils électroniques (téléphone, console, ordinateur) en veille et réduire leur usage inutile. Justification : la production d'électricité utilise encore en partie des énergies fossiles ; réduire la consommation électrique diminue les émissions associées.
• Autres exemples acceptés : manger moins de viande (son élevage est très énergivore et émet du méthane), acheter moins de vêtements neufs, réduire la température du chauffage, préférer des produits locaux et de saison.