Les choix énergétiques et le futur climatique

a) Une énergie primaire est prélevée directement dans la nature. L'électricité et l'hydrogène n'existent pas sous forme exploitable dans la nature : on les fabrique à partir d'une autre énergie (alternateur, panneau, électrolyse). Ce sont des vecteurs d'énergie, pas des énergies primaires.

b) Renouvelables (reconstitution à l'échelle humaine) : vent, bois d'une forêt gérée, rayonnement solaire, eau retenue par un barrage, chaleur géothermique. Non renouvelables (stocks finis, formés sur des millions d'années ou dans les étoiles pour l'uranium) : charbon, gaz naturel, uranium.

c) Seules les ressources que l'on brûle émettent du CO₂ à l'usage : charbon, gaz naturel et bois. L'uranium produit de la chaleur par fission, sans combustion.

d) Exact : le bois est renouvelable, et le CO₂ émis en le brûlant a été capté par l'arbre pendant sa croissance. Faux : la combustion rejette bien du CO₂ tout de suite, alors que la repousse prend des décennies ; le bilan n'est proche de zéro que si la forêt repousse autant qu'on prélève. De plus, la récolte, le transport et le séchage émettent, et la combustion du bois libère des particules fines. Renouvelable ne veut pas dire sans impact.

a) E = 4 700 × 3,6 = 16 920 MJ. Comme 1 GJ = 1 000 MJ, E = 16,92 GJ.

b) E = 1,3 × 11 630 = 15 119 kWh, soit environ 1,51 × 10⁴ kWh. Le chauffage consomme donc plus d'énergie que tous les usages électriques du foyer.

c) La puissance moyenne est l'énergie divisée par la durée : P = E / Δt = 4 700 kWh / 8 760 h ≈ 0,537 kW, soit environ 537 W.

d) Le watt est une unité de puissance (un débit d'énergie) : « 1 500 W par heure » n'a pas de sens. Le radiateur appelle une puissance de 1 500 W ; l'énergie consommée dépend de la durée : E = P × Δt = 1,5 kW × 4 h = 6,0 kWh, soit 6,0 × 3,6 = 21,6 MJ.

a) Total : 212 + 96 + 58 + 41 + 23 = 430 TWh. Parts : charbon 212/430 ≈ 49,3 % ; gaz 96/430 ≈ 22,3 % ; hydraulique 58/430 ≈ 13,5 % ; éolien 41/430 ≈ 9,5 % ; solaire 23/430 ≈ 5,3 %. (La somme des arrondis donne 99,9 %, écart dû aux arrondis.)

b) Fossiles (charbon + gaz) : 308/430 ≈ 71,6 %. Renouvelables (hydraulique + éolien + solaire) : 122/430 ≈ 28,4 %. On vérifie : 71,6 + 28,4 = 100.

c) Un tiers vaut environ 33,3 % : avec 28,4 %, le pays est plutôt à « un peu plus d'un quart ». L'annonce embellit la situation. Pour atteindre un tiers de 430 TWh, il faudrait 430/3 ≈ 143,3 TWh renouvelables, soit 143,3 − 122 ≈ 21,3 TWh de plus, à prendre sur la production fossile. Le mix reste dominé par le charbon, la source la plus émettrice.

a) Combustion complète : les produits sont CO₂ et H₂O. En équilibrant C, puis H, puis O : 2 C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O (vérification : 16 C, 36 H, 50 O de chaque côté).

b) Masse d'essence : m = ρ × V = 0,75 × 6,2 = 4,65 kg = 4 650 g. Quantité de matière : n = 4 650 / 114 ≈ 40,8 mol. D'après l'équation, 2 mol d'octane donnent 16 mol de CO₂, donc n(CO₂) = 8 × n ≈ 326,3 mol. Masse : m(CO₂) ≈ 326,3 × 44 ≈ 14 358 g ≈ 14,4 kg pour 100 km, soit environ 144 g/km.

c) Pour 1 mol d'octane (114 g), on obtient 8 mol de CO₂, soit 8 × 44 = 352 g. Le rapport vaut 352 / 114 ≈ 3,09 ≈ 3,1 ; il est indépendant de la quantité brûlée (on retrouve 14 358 / 4 650 ≈ 3,09). La masse de CO₂ est supérieure car chaque atome de carbone se lie à deux atomes d'oxygène prélevés dans l'air : la masse de ce dioxygène s'ajoute à celle du carburant.

d) m = 143,6 g/km × 13 400 km ≈ 1,92 × 10⁶ g, soit environ 1,9 t de CO₂ par an, sans compter l'extraction, le raffinage et le transport du carburant.

a) Émissions = production (kWh) × facteur (g/kWh). Charbon : 63 × 10⁹ × 990 = 6,237 × 10¹³ g = 62,37 Mt. Gaz : 45 × 10⁹ × 420 = 18,90 Mt. Éolien et solaire : 36 × 10⁹ × 25 = 0,90 Mt. Hydraulique : 36 × 10⁹ × 20 = 0,72 Mt. Total : ≈ 82,9 Mt. Intensité : 82,89 × 10¹² g / 180 × 10⁹ kWh ≈ 461 g/kWh.

b) Éolien et solaire : 36 + 63 = 99 TWh, soit 99 × 10⁹ × 25 = 2,475 Mt. Nouveau total : 18,90 + 2,475 + 0,72 ≈ 22,1 Mt. Intensité : 22,095 × 10¹² / 180 × 10⁹ ≈ 123 g/kWh. Baisse relative : (82,89 − 22,10) / 82,89 ≈ 73 %. Le gaz devient la première source d'émissions (18,9 Mt sur 22,1).

c) E = P × f × 8 760 h, donc P = E / (f × 8 760) = 63 × 10⁹ kWh / (0,24 × 8 760 h) ≈ 3,0 × 10⁷ kW, soit environ 30 GW : une puissance installée bien supérieure à la puissance moyenne fournie (63 TWh / 8 760 h ≈ 7,2 GW).

d) Le charbon est pilotable ; l'éolien et le solaire sont variables (nuit, absence de vent). Or la production doit égaler la consommation à chaque instant. Solutions : du stockage (batteries pour quelques heures, STEP), des interconnexions avec les pays voisins, le pilotage de la demande, ou des moyens pilotables bas carbone en appoint (hydraulique de barrage).

a) m = ρ × V = 1 000 × 5,6 × 10⁶ = 5,6 × 10⁹ kg. E_p = m g h = 5,6 × 10⁹ × 9,81 × 265 ≈ 1,46 × 10¹³ J. En kWh : 1,456 × 10¹³ / 3,6 × 10⁶ ≈ 4,04 × 10⁶ kWh, soit environ 4,04 GWh.

b) Le turbinage convertit 89 % de l'énergie potentielle : E_rest = 0,89 × 4,044 ≈ 3,60 GWh. Durée : Δt = E / P = 3,60 GWh / 1,2 GW = 3,0 h.

c) Le pompage n'est efficace qu'à 86 % : pour stocker 4,044 GWh, il faut absorber E_abs = 4,044 / 0,86 ≈ 4,70 GWh. Rendement global : η = 3,60 / 4,70 ≈ 0,77, soit 77 % (on retrouve 0,86 × 0,89 ≈ 0,765).

d) L'affirmation est fausse : la STEP ne produit pas d'énergie, elle en stocke et en perd environ 23 % au passage. Son intérêt est ailleurs : elle absorbe l'électricité quand elle est abondante (nuit, vent fort, soleil de midi) et la restitue en quelques minutes aux heures de pointe. Elle évite ainsi de démarrer des centrales fossiles, facilite l'intégration de l'éolien et du solaire et aide à maintenir l'équilibre du réseau.

a) Émissions initiales : 16 800 × 324 = 5 443 200 g ≈ 5,44 t de CO₂. Deux degrés de moins : deux baisses successives de 7 %, soit un coefficient 0,93 × 0,93 = 0,8649. Consommation : 16 800 × 0,8649 ≈ 14 530 kWh, soit une baisse de 13,5 % (et non 14 %).

b) 14 530 × 0,65 ≈ 9 445 kWh. Coefficient global : 0,8649 × 0,65 ≈ 0,562, soit une baisse de 43,8 %. Le voisin additionne des pourcentages qui s'appliquent à des bases différentes : les 35 % portent sur la consommation déjà réduite (14 530 kWh), pas sur les 16 800 kWh initiaux. Des baisses successives se multiplient.

c) Chaleur utile fournie par la chaudière : 9 445 × 0,85 ≈ 8 028 kWh. Électricité de la pompe à chaleur : 8 028 / 3,1 ≈ 2 590 kWh. Émissions : 2 590 × 56 ≈ 145 000 g ≈ 145 kg de CO₂. Par rapport aux 5 443 kg initiaux, la baisse est de (5 443 − 145) / 5 443 ≈ 97 %. Ce résultat suppose une électricité très bas carbone et ignore la fabrication de l'appareil.

d) L'effet rebond est la hausse des usages qui suit un gain d'efficacité : la facture ayant baissé, les occupants pourraient remonter la consigne à 21 °C ou plus, chauffer des pièces inoccupées, ou dépenser l'argent économisé dans d'autres consommations émettrices (voyages en avion). Une partie du gain calculé serait alors perdue ; maintenir la sobriété (19 °C) limite ce risque.

1. 420 GWh = 4,20 × 10⁸ kWh. Émissions : 4,20 × 10⁸ × 710 = 2,982 × 10¹¹ g, soit 298 200 t de CO₂ par an (≈ 3,0 × 10⁵ t).

2. Énergie solaire visée : 0,40 × 420 = 168 GWh = 1,68 × 10⁸ kWh. Avec E = P × f × 8 760 h : P = 1,68 × 10⁸ / (0,17 × 8 760) = 1,68 × 10⁸ / 1 489,2 ≈ 1,13 × 10⁵ kW, soit environ 113 MW.

3. Éolien : 0,35 × 420 = 147 GWh ; fioul : 0,25 × 420 = 105 GWh. Émissions : solaire 1,68 × 10⁸ × 45 = 7,56 × 10⁹ g = 7 560 t ; éolien 1,47 × 10⁸ × 16 = 2 352 t ; fioul 1,05 × 10⁸ × 710 = 74 550 t. Total : 84 462 t. Intensité : 8,4462 × 10¹⁰ g / 4,20 × 10⁸ kWh ≈ 201 g/kWh, contre 710 auparavant. Baisse : 1 − 84 462 / 298 200 ≈ 1 − 0,283 = 0,717, soit environ 72 %. Le fioul représente 74 550 / 84 462 ≈ 88 % des émissions restantes alors qu'il ne fournit que 25 % de l'énergie : c'est lui qu'il faudra réduire ensuite.

4. La puissance installée (113 MW) est une puissance crête, atteinte seulement en plein soleil. D'après le document 2, la production solaire est nulle à 20 h : aucune puissance photovoltaïque, si grande soit-elle, ne couvre directement la pointe du soir. Il faut stocker en journée. Énergie à restituer : 78 MW × 3 h = 234 MWh. Avec un rendement de 0,88, il faut stocker 234 / 0,88 ≈ 266 MWh d'électricité solaire, qui s'ajoutent aux besoins de la journée.

5. Le fioul est conservé parce qu'il est pilotable : il assure la sécurité d'approvisionnement lors des longues périodes sans vent ou peu ensoleillées, que des batteries de quelques heures ne couvrent pas, et l'île ne peut pas importer d'électricité. Avant de décider, il faut examiner le coût (investissement, prix du fioul importé), l'emprise au sol des panneaux et des éoliennes sur un territoire restreint, les paysages et l'acceptabilité, la biodiversité, les métaux des batteries et leur recyclage, la pollution locale de la centrale et l'indépendance vis-à-vis des importations de combustible. La solution retenue est un compromis entre ces critères.

1. Par proportionnalité : ΔT ≈ 0,45 × (2 400 / 1 000) = 0,45 × 2,4 ≈ 1,08 °C. C'est très proche du réchauffement observé (≈ 1,1 °C) : la relation du document 1 rend bien compte de l'ordre de grandeur.

2. Durée : 500 / 40 = 12,5 ans à partir de début 2020, soit un budget épuisé vers mi-2032.

3. Si les émissions décroissent linéairement de 40 Gt/an à 0 en T années, le cumul est l'aire d'un triangle : 40 × T / 2 = 20 T (en Gt). Respecter le budget impose 20 T ≤ 500, donc T ≤ 25 ans. La neutralité doit donc être atteinte au plus tard en 2020 + 25 = 2045, ce qu'il fallait montrer. Tout retard dans le début de la baisse avance encore cette date.

4. Réchauffement encore « disponible » : 1,5 − 1,1 = 0,4 °C. Budget correspondant : 0,4 / 0,45 × 1 000 ≈ 889 Gt, soit environ 900 Gt. Le GIEC retient moins car le CO₂ n'est pas le seul responsable : le méthane et le protoxyde d'azote, émis notamment par l'agriculture et les énergies fossiles, continueront de réchauffer le climat, et la baisse des aérosols (qui refroidissent) révélera un réchauffement supplémentaire. Une partie des 0,4 °C est donc déjà « consommée » par ces autres facteurs. De plus, 0,45 °C n'est qu'une valeur centrale incertaine.

5. Comme le climat du futur dépend du cumul des émissions, les émissions de chaque année s'additionnent : une baisse tardive, même jusqu'à zéro, laisse un cumul trop grand. Il faut donc agir vite sur tous les leviers : sobriété (réduire les besoins), efficacité (isolation, rendements), décarbonation (sortir du charbon, électrifier transports et chauffage avec une électricité bas carbone : renouvelables, nucléaire), et puits de carbone pour les émissions résiduelles. Les fossiles fournissant environ 80 % de l'énergie mondiale, la transition énergétique est au cœur du problème.

1. Consommation : 15,2 kWh/100 km = 0,152 kWh/km. Pays C : 0,152 × 52 ≈ 7,9 g/km. Pays D : 0,152 × 780 ≈ 118,6 g/km.

2. Après d km, bilans (en g) : thermique 6,8 × 10⁶ + 158 d ; électrique 11,2 × 10⁶ + 7,904 d. L'électrique devient avantageuse quand 11,2 × 10⁶ + 7,904 d < 6,8 × 10⁶ + 158 d, soit 150,096 d > 4,4 × 10⁶, d'où d > 29 315 km. Dans le pays C, la « dette » de fabrication est remboursée après environ 29 000 km.

3. Pays D : 11,2 × 10⁶ + 118,56 d < 6,8 × 10⁶ + 158 d, soit 39,44 d > 4,4 × 10⁶, d'où d > environ 112 000 km. L'avantage de l'électrique n'apparaît qu'après une longue utilisation.

4. Thermique (partout) : 6,8 + 158 × 180 000 × 10⁻⁶ = 6,8 + 28,44 = 35,24 t. Électrique, pays C : 11,2 + 7,904 × 0,18 ≈ 11,2 + 1,42 = 12,62 t, soit une baisse de 1 − 12,62 / 35,24 ≈ 64 %. Électrique, pays D : 11,2 + 118,56 × 0,18 ≈ 11,2 + 21,34 = 32,54 t, soit une baisse de seulement 1 − 32,54 / 35,24 ≈ 8 %. Le bénéfice climatique dépend surtout du mix électrique du pays.

5. La voiture électrique n'émet rien à l'échappement, mais en analyse du cycle de vie elle émet lors de la fabrication (surtout la batterie : 11,2 t contre 6,8 t) et via l'électricité consommée, dont le contenu carbone varie de 52 à 780 g/kWh selon le pays. Impacts non comptés ici : l'extraction des métaux de la batterie (lithium, cobalt, nickel) avec ses effets sur l'eau et les sols, la fin de vie et le recyclage de la batterie, les particules émises par l'usure des pneus et des freins, ou encore la construction des infrastructures de recharge.