Que recouvre le thème « Énergie, choix de développement et futur climatique » en Terminale ?

C'est la partie du programme d'enseignement scientifique de Terminale qui relie nos besoins en énergie au changement climatique : mix énergétique dominé par les fossiles, émissions de CO2 selon les sources, impacts des ressources, stockage de l'électricité et scénarios de transition. On y apprend à calculer une masse de CO2 émise et à comparer des choix énergétiques selon plusieurs critères.

Quel sera le climat du futur ?

Il dépend surtout du cumul des émissions de CO2 à venir. Selon les scénarios du GIEC (2021), le réchauffement moyen en 2081-2100 par rapport à 1850-1900 irait d'environ +1,4 °C si les émissions baissent très vite jusqu'à la neutralité vers 2050, à environ +4,4 °C si elles continuent de croître fortement.

Quelle source d'électricité émet le moins de CO2 ?

En analyse du cycle de vie, l'éolien, le nucléaire et l'hydraulique émettent de l'ordre de 10 à 25 g de CO2 équivalent par kWh, le solaire photovoltaïque environ 40 à 50 g, contre environ 490 g pour le gaz et 820 g pour le charbon (médianes du GIEC). Aucune source n'est à zéro, car la construction des installations et l'extraction des matériaux émettent.

Quelle différence entre sobriété et efficacité énergétique ?

La sobriété réduit le besoin lui-même en changeant les usages : rouler moins, chauffer à 19 °C, éteindre les appareils. L'efficacité rend le même service avec moins d'énergie grâce à la technique : isolation, moteur ou chaudière de meilleur rendement. Les deux se combinent, et la sobriété limite l'effet rebond des gains d'efficacité.

Comment calculer la masse de CO2 émise par une combustion ?

On écrit l'équation de combustion équilibrée, on calcule la quantité de matière de combustible (n = m/M), on en déduit celle de CO2 grâce aux coefficients, puis on multiplie par M(CO2) = 44 g/mol. Par exemple, chaque kilogramme de carbone brûlé libère 44/12 ≈ 3,67 kg de CO2.

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Les choix énergétiques et le futur climatique

Mix énergétique, émissions de CO2 par source, impacts, sobriété et efficacité, stockage, scénarios de transition (programme d'enseignement scientifique de Terminale)

À propos de cette page

Ce cours d'enseignement scientifique en terminale sur « Les choix énergétiques et le futur climatique » suit le programme officiel d'enseignement scientifique de terminale. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, Le mix énergétique et les choix de développement, Émissions de CO2 par source d'énergie, Impacts et critères de choix énergétiques. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de terminale à réussir en enseignement scientifique.

L'essentiel

Énergie primaire, énergie finale. Une énergie primaire est disponible dans la nature avant toute transformation : pétrole brut, charbon, gaz naturel, uranium, rayonnement solaire, vent, eau en altitude, biomasse, chaleur géothermique. L'énergie finale est celle que reçoit l'utilisateur (électricité, carburant, gaz, chaleur). L'électricité et l'hydrogène sont des vecteurs : on les produit à partir d'une énergie primaire.

Renouvelable ou non. Une ressource est renouvelable si elle se reconstitue à l'échelle d'une vie humaine (solaire, vent, hydraulique, géothermie, biomasse exploitée durablement). Les combustibles fossiles, formés en millions d'années, et l'uranium sont des stocks finis : ils sont non renouvelables.

Mix énergétique, mix électrique. Le mix énergétique est la répartition des sources d'énergie primaire consommées dans une zone ; le mix électrique est la répartition des sources qui produisent l'électricité.

Facteur d'émission. Masse de CO₂ (ou d'équivalent CO₂) émise par unité d'énergie, en g/kWh. Établi par analyse du cycle de vie (ACV), il inclut extraction, construction, fonctionnement, démantèlement et déchets.

Sobriété et efficacité. La sobriété réduit le besoin lui-même (moins de kilomètres, chauffer moins) ; l'efficacité rend le même service avec moins d'énergie (meilleur rendement, isolation).

Unités. 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J = 3,6 MJ ; 1 tep (tonne équivalent pétrole) ≈ 11 630 kWh. La puissance s'exprime en W, l'énergie en J ou en Wh :

E = P \times Δ t

Le mix énergétique et les choix de développement

La consommation mondiale d'énergie primaire, de l'ordre de 600 EJ par an, a plus que doublé depuis 1970. Les combustibles fossiles en fournissent encore environ 80 % (pétrole ≈ 30 %, charbon ≈ 26 %, gaz ≈ 23 %) ; le reste vient de la biomasse, de l'hydraulique, du nucléaire, de l'éolien et du solaire.

Choix de développement. Les émissions d'un pays dépendent de sa population, de son niveau de vie, de l'intensité énergétique de son économie (énergie consommée par unité de PIB) et du contenu carbone de son énergie (CO₂ par kWh). Agir sur le climat, c'est agir sur les deux derniers facteurs sans renoncer au développement.

La France. L'électricité y est produite aux deux tiers environ par le nucléaire, puis par l'hydraulique, l'éolien et le solaire ; les centrales fossiles en fournissent moins de 5 %. Mais l'électricité ne représente qu'environ un quart de l'énergie finale : le pétrole (transports) et le gaz (chauffage) restent massifs.

Rappel : produire de l'électricité. Dans les centrales thermiques, nucléaires, hydrauliques et les éoliennes, une turbine entraîne un alternateur : un aimant (ou électroaimant) en rotation devant des bobines y crée une tension alternative par induction. L'alternateur a un rendement supérieur à 95 % ; les grosses pertes viennent de la conversion de la chaleur en travail (rendement d'une centrale thermique : environ 33 à 40 %, jusqu'à 60 % pour un cycle combiné au gaz). Le panneau photovoltaïque convertit directement le rayonnement, sans alternateur.

Émissions de CO2 par source d'énergie

Combustion. Le carbone d'un combustible finit en CO₂ : C + O₂ → CO₂. Une mole de carbone (12 g) donne une mole de CO₂ (44 g) : 1 kg de carbone brûlé libère 44/12 ≈ 3,67 kg de CO₂. La masse de CO₂ dépasse celle du combustible, car l'oxygène vient de l'air.

Du kWh de chaleur au kWh électrique. Une centrale thermique de rendement η consomme 1/η kWh de chaleur par kWh électrique : son facteur d'émission électrique vaut le facteur par kWh de chaleur divisé par η.

Valeurs médianes en cycle de vie, en g de CO₂ équivalent par kWh électrique :

Par kWh, le charbon émet près de 70 fois plus que le nucléaire ou l'éolien (820/12 ≈ 68). Les sources bas carbone ne sont pas « zéro émission » : leurs émissions viennent surtout de la fabrication (béton, acier, silicium, métaux).

Biomasse. Le CO₂ émis en brûlant du bois a été capté par l'arbre ; le bilan n'est proche de zéro que si la forêt repousse autant qu'on prélève, et avec un décalage de plusieurs décennies.

Impacts et critères de choix énergétiques

Source	Atouts	Limites
Charbon	pilotable, abondant	CO₂ massif, particules, SO₂, mines
Gaz naturel	pilotable, très flexible, moitié moins de CO₂ que le charbon	fossile, fuites de méthane, dépendance aux importations
Nucléaire	pilotable, bas carbone, faible emprise au sol	uranium non renouvelable, déchets radioactifs à vie longue, risque d'accident, chantiers longs et coûteux
Hydraulique	bas carbone, pilotable (barrages), stockage possible	sites limités, rivières et écosystèmes modifiés
Éolien, solaire	renouvelables, bas carbone, coûts en forte baisse	production variable, emprise au sol, métaux, besoin de flexibilité

Critères de choix. Émissions de gaz à effet de serre, pollution locale de l'air, ressources consommées (combustibles, métaux, eau, sols), déchets, risques, pilotabilité, coût, indépendance énergétique, acceptabilité sociale. Aucune source n'est sans impact : on compare des compromis, à l'échelle du cycle de vie et du territoire.

Stockage et équilibre du réseau électrique

Équilibre du réseau. À chaque instant, la production d'électricité doit égaler la consommation, sinon la fréquence de 50 Hz dérive. Une source est pilotable si l'on peut ajuster sa production à la demande ; l'éolien et le solaire sont variables.

Facteur de charge. Rapport entre l'énergie produite en un an et celle qu'aurait fournie l'installation à pleine puissance pendant 8 760 h :

E = P \times f \times 8 760 h

. Ordres de grandeur en France : solaire ≈ 14 %, éolien terrestre ≈ 23 %, nucléaire ≈ 70 %.

Moyens de stockage. STEP (station de transfert d'énergie par pompage) : énergie potentielle de pesanteur

E = m g h

, rendement global de 75 à 80 %. Batteries : énergie chimique, rendement de 85 à 95 %, pour quelques heures. Hydrogène : électrolyse puis pile à combustible, rendement global de 25 à 35 %, mais stockage sur des semaines. Un stockage restitue toujours moins d'énergie qu'il n'en absorbe.

Autres flexibilités. Décaler une partie de la consommation (recharge des véhicules, chauffe-eau), échanger avec les pays voisins par les interconnexions, garder des centrales pilotables en appoint.

Sobriété, efficacité et climat du futur

Le climat du futur dépend du cumul des émissions. Le réchauffement est à peu près proportionnel aux émissions cumulées de CO₂ depuis 1850 : chaque tonne compte, et la température ne se stabilise que lorsque les émissions nettes de CO₂ tombent à zéro (neutralité carbone).

Scénarios du GIEC (2021). Pour 2081-2100, le réchauffement par rapport à 1850-1900 va d'environ +1,4 °C (émissions très basses, neutralité en CO₂ vers 2050) à environ +4,4 °C (émissions très élevées). Rester sous 1,5 °C suppose la neutralité en CO₂ vers 2050 ; sous 2 °C, vers 2070.

Quatre leviers de transition. 1) Sobriété ; 2) efficacité ; 3) décarbonation de l'énergie (électrifier les usages avec une électricité bas carbone, remplacer les fossiles) ; 4) puits de carbone (forêts, sols) pour compenser les émissions résiduelles. La France vise la neutralité carbone en 2050 (loi énergie-climat de 2019) ; les scénarios publiés par RTE en 2021 reposent tous sur une forte électrification des usages et un développement important des renouvelables, avec ou sans nouveaux réacteurs.

Effet rebond. Un gain d'efficacité peut être en partie annulé par une hausse des usages : une voiture plus économe incite à rouler davantage. La sobriété limite ce risque.

Méthodes

Méthode 1 — Calculer la masse de CO₂ émise par une combustion

Écrire et équilibrer l'équation de combustion.
Calculer la quantité de matière de combustible : $n = \frac{m}{M}$ .
En déduire n(CO₂) avec les coefficients stœchiométriques.
Calculer m(CO₂) = n(CO₂) × 44 g/mol et conclure avec l'unité.

Exemple rédigé. On brûle 2,4 kg de carbone pur. n(C) = 2 400 / 12 = 200 mol. D'après C + O₂ → CO₂, n(CO₂) = 200 mol, donc m(CO₂) = 200 × 44 = 8 800 g, soit 8,8 kg de CO₂.

Méthode 2 — Passer d'un combustible à un facteur d'émission électrique

Masse de combustible pour 1 kWh de chaleur : m = 3,6 MJ / PCI (pouvoir calorifique, en MJ/kg).
Appliquer la méthode 1 : masse de CO₂ par kWh de chaleur.
Diviser par le rendement de la centrale.

Exemple rédigé. Méthane, PCI = 50 MJ/kg : m = 3,6 / 50 = 0,072 kg = 72 g, soit n = 72 / 16 = 4,5 mol. D'après CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, on obtient 4,5 mol de CO₂, soit 4,5 × 44 = 198 g par kWh de chaleur. Avec une centrale de rendement 0,55 : 198 / 0,55 = 360 g par kWh électrique (combustion seule ; l'ACV ajoute l'extraction et les fuites de méthane).

Méthode 3 — Énergie stockée et rendement d'une STEP

Masse d'eau : m = ρ × V avec ρ = 1 000 kg/m³.
E_p = m × g × h en joules, puis conversion en kWh (÷ 3,6 × 10⁶).
Rendement global : η = énergie restituée / énergie absorbée.

Exemple rédigé. Bassin de 2,0 × 10⁶ m³ situé 300 m plus haut : m = 2,0 × 10⁹ kg ; E_p = 2,0 × 10⁹ × 9,81 × 300 ≈ 5,89 × 10¹² J ≈ 1,64 GWh. La STEP a absorbé 1,95 GWh et restitue 1,49 GWh : η = 1,49 / 1,95 ≈ 0,76, soit 76 %.

Méthode 4 — Combiner plusieurs leviers

Traduire chaque baisse de p % en coefficient multiplicateur 1 − p/100.
Multiplier les coefficients.
Revenir à la baisse globale : 1 − produit.

Exemple rédigé. Sobriété −20 % puis efficacité −25 % : 0,80 × 0,75 = 0,60, donc −40 % d'énergie (et non −45 %). Si le facteur d'émission est en plus divisé par 2 : 0,60 × 0,5 = 0,30, donc −70 % d'émissions.

Pièges et erreurs classiques

À éviter.

Dire que l'électricité est une énergie primaire : c'est un vecteur.
Confondre masse de carbone et masse de CO₂ : il faut multiplier par 44/12.
Confondre kW (puissance) et kWh (énergie), ou puissance installée et production réelle : le facteur de charge est inférieur à 1.
Additionner des baisses successives : elles se multiplient.
Confondre renouvelable et bas carbone : la biomasse est renouvelable mais sa combustion émet ; le nucléaire n'est pas renouvelable mais il est bas carbone.
Parler de « zéro émission » : en ACV, aucune source ni aucun véhicule n'est à zéro.
Croire qu'un stockage produit de l'énergie : il en perd toujours une partie.

En bref

Les fossiles fournissent environ 80 % de l'énergie primaire mondiale ; l'électricité n'est qu'un vecteur.
1 kg de carbone brûlé → 3,67 kg de CO₂ ; facteur électrique = facteur par kWh de chaleur ÷ rendement.
En cycle de vie : charbon ≈ 820 g/kWh, gaz ≈ 490 g/kWh, solaire ≈ 40-50 g/kWh, nucléaire, éolien, hydraulique ≈ 10-25 g/kWh.
Production = consommation à chaque instant : pilotabilité, facteur de charge, stockage (STEP, batteries, hydrogène), toujours avec des pertes.
Le climat du futur dépend du cumul des émissions : neutralité CO₂ vers 2050 pour 1,5 °C.
Leviers : sobriété, efficacité, décarbonation, puits de carbone ; les baisses successives se multiplient ; attention à l'effet rebond.

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