Les enjeux contemporains de l'énergie

Exercice 1 — Énergie, conversions et conservation
Corrigé :
L'énergie ne peut être ni créée ni détruite : dans un système isolé, l'énergie totale se conserve ; elle ne fait que se transférer ou se convertir d'une forme à une autre. Son unité légale est le joule (J). (1,5 pt)
Trois exemples parmi : énergie chimique (combustible, batterie), énergie cinétique (vent, eau en mouvement), énergie rayonnante (rayonnement solaire), énergie nucléaire (uranium), énergie électrique (courant), énergie thermique (chaleur). (1,5 pt)
Dans une centrale thermique : l'énergie chimique du combustible est libérée par combustion sous forme de chaleur (chaudière) ; cette chaleur produit de la vapeur qui entraîne une turbine (énergie cinétique) ; la turbine fait tourner un alternateur qui produit l'énergie électrique. À chaque étape une partie de l'énergie est perdue en chaleur. (1 pt)

Exercice 2 — Raisonnement sur document : rendement d'une chaîne énergétique
Corrigé :
Le rendement global est le produit des rendements de chaque étape : $\eta = 0{,}90 \times 0{,}45 \times 0{,}98 \approx 0{,}397$, soit environ 40 %. (1,5 pt)
Énergie utile : $E_{\text{utile}} = \eta \times E_{\text{reçue}} = 0{,}397 \times 1000 \approx 397$ MJ. Énergie perdue : $1000 - 397 = 603$ MJ. (2 pt)
Les pertes se font essentiellement sous forme de chaleur dégradée (chaleur des fumées, frottements de la turbine, effet Joule). Comme chaque conversion s'accompagne nécessairement de telles pertes, il est physiquement impossible qu'une étape, et donc l'ensemble de la chaîne, atteigne 100 % : le rendement global, produit de facteurs tous inférieurs à 1, est toujours strictement inférieur à 1. (1,5 pt)

Exercice 3 — Sources d'énergie et émissions de CO₂
Corrigé :
De la plus à la moins émettrice : charbon (~900) > gaz (~450) > solaire (~45) > nucléaire (~6) g CO₂/kWh. Parmi ces quatre sources, seul le charbon est une énergie fossile. (1,5 pt)
En passant du charbon (~900 g/kWh) au nucléaire (~6 g/kWh), les émissions par kWh sont divisées par environ $\dfrac{900}{6} = 150$. Pour la même production de 50 TWh, les émissions de CO₂ seraient donc réduites d'un facteur de l'ordre de 150. (1,5 pt)
Non. « Bas carbone » signifie que la source émet peu de CO₂ par kWh, ce qui est le cas du nucléaire. « Renouvelable » signifie que la source se reconstitue à l'échelle de temps humaine sans s'épuiser. Or le nucléaire repose sur l'uranium, ressource finie : il n'est donc pas renouvelable, bien qu'il soit bas carbone. Les deux notions sont indépendantes. (2 pt)

Exercice 4 — Stockage, intermittence et transition : analyse de documents
Corrigé :
Le document 1 montre que la production solaire (maximale à midi, nulle la nuit) ne coïncide pas avec la demande (pic en soirée) : c'est l'intermittence, le décalage entre production et consommation. Le document 2 montre que la STEP permet de stocker l'électricité produite en excès quand la demande est faible, puis de la restituer au moment du pic : elle compense ainsi l'intermittence. (1,5 pt)
Restitution : $100 \times 0{,}75 = 75$ kWh sont restitués. La différence, soit $100 - 75 = 25$ kWh, est perdue, essentiellement sous forme de chaleur (frottements, pertes électriques) au cours des conversions de l'aller-retour. (1 pt)
Synthèse : la transition énergétique repose sur des défis scientifiques et techniques — gérer l'intermittence des renouvelables, développer des moyens de stockage performants malgré leurs pertes, améliorer les rendements (efficacité). Mais elle suppose aussi de réduire les besoins (sobriété) et de remplacer les fossiles par des sources bas carbone (décarbonation), ce qui engage des politiques publiques, des coûts et des changements de modes de vie. Les trajectoires possibles (par exemple atteindre ou non la neutralité carbone en 2050) dépendent donc directement des choix de société : la transition est ainsi indissociablement scientifique et sociétale. (1,5 pt)

Exercice 5 — Lire un mix énergétique
Corrigé :
L'énergie primaire est l'énergie brute disponible dans la nature avant transformation ; l'énergie finale est celle livrée au consommateur après conversions et transport (donc inférieure, à cause des pertes). Il faut distinguer le mix total (qui inclut transports, chauffage, industrie, souvent dominés par les fossiles) du seul mix électrique (parfois très bas carbone), car les conclusions sur les émissions ne sont pas les mêmes. (1 pt)
Comme les fossiles dominent le mix primaire mondial (~80 %) et qu'ils émettent l'essentiel du CO₂ d'origine énergétique, l'énergie est le premier secteur émetteur de gaz à effet de serre : agir sur la production et la consommation d'énergie (sobriété, efficacité, décarbonation) est donc indispensable pour limiter le réchauffement climatique. (1 pt)