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Les enjeux contemporains de l'énergie
Production, conversion, stockage et choix énergétiques face au défi climatique (programme de Tle, thème « Science, climat et société »).
À propos de cette page
Ces exercices corrigés sur « Les enjeux contemporains de l'énergie » en terminale permettent de s'entraîner et de vérifier ses acquis en enseignement scientifique. Ils suivent le programme officiel de terminale et sont classés par difficulté (facile, moyen, difficile). Au programme : Énergie : formes, conversions et conservation, Énergie primaire, énergie finale et rendement, Les ressources énergétiques fossiles et le climat, Les ressources renouvelables et le nucléaire. Écris ta réponse puis clique sur « Vérifier » : la correction est immédiate et tolère majuscules, espaces et ponctuation. Cet entraînement aide à mémoriser les méthodes, repérer ses erreurs et gagner en confiance avant un contrôle. Exercices gratuits proposés par un professeur particulier à Marseille pour réviser enseignement scientifique en terminale.
Exercices corrigés, classés du plus simple au plus complexe. Cherche d'abord seul au brouillon, puis déplie la correction détaillée pour vérifier ta méthode et tes raisonnements.
Exercice 1 — Vocabulaire de l'énergie
Définis avec précision chacune des notions suivantes du thème énergie.
- Quelle est la différence entre énergie primaire et énergie finale ?
- Définis le rendement d'une conversion et donne sa formule.
- Qu'appelle-t-on une énergie renouvelable ? Donne deux exemples.
1. L'énergie primaire est l'énergie disponible dans la nature avant toute transformation (pétrole brut, charbon, vent, rayonnement solaire). L'énergie finale est celle effectivement livrée au consommateur après les conversions et le transport (électricité, carburant, chaleur). À cause des pertes, l'énergie finale est toujours inférieure à l'énergie primaire engagée.
2. Le rendement $\eta$ d'une conversion est le rapport de l'énergie utile obtenue sur l'énergie reçue : $\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}}$. Il est sans unité, compris entre 0 et 1 (souvent en %), et toujours strictement inférieur à 1.
3. Une énergie renouvelable est une énergie issue de sources que la nature reconstitue à l'échelle de temps humaine, sans s'épuiser. Exemples : énergie solaire, éolienne, hydraulique, biomasse, géothermie (deux suffisent).
2. Le rendement $\eta$ d'une conversion est le rapport de l'énergie utile obtenue sur l'énergie reçue : $\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}}$. Il est sans unité, compris entre 0 et 1 (souvent en %), et toujours strictement inférieur à 1.
3. Une énergie renouvelable est une énergie issue de sources que la nature reconstitue à l'échelle de temps humaine, sans s'épuiser. Exemples : énergie solaire, éolienne, hydraulique, biomasse, géothermie (deux suffisent).
Exercice 2 — Calcul de rendement d'une chaîne
Applique la définition du rendement aux situations suivantes (les pertes sont thermiques).
- Une centrale reçoit 100 J d'énergie chimique et produit 38 J d'électricité utile. Calcule son rendement, puis l'énergie perdue.
- Une chaîne énergétique comporte deux conversions de rendements respectifs 0,85 et 0,45. Calcule le rendement global.
- Un panneau photovoltaïque reçoit 1000 W de puissance solaire sur 1 m² et fournit 180 W électriques. Quel est son rendement ?
1. Rendement : $\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}} = \dfrac{38}{100} = 0{,}38$, soit 38 %. Énergie perdue : $100 - 38 = 62$ J, dissipés sous forme de chaleur.
2. Le rendement global d'une chaîne est le produit des rendements de chaque étape : $\eta = 0{,}85 \times 0{,}45 = 0{,}3825 \approx 0{,}38$, soit environ 38 %.
3. $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue}}} = \dfrac{180}{1000} = 0{,}18$, soit 18 %. C'est un ordre de grandeur réaliste pour un panneau photovoltaïque.
2. Le rendement global d'une chaîne est le produit des rendements de chaque étape : $\eta = 0{,}85 \times 0{,}45 = 0{,}3825 \approx 0{,}38$, soit environ 38 %.
3. $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue}}} = \dfrac{180}{1000} = 0{,}18$, soit 18 %. C'est un ordre de grandeur réaliste pour un panneau photovoltaïque.
Exercice 3 — Fossiles, renouvelables et nucléaire
Réponds aux questions sur les différentes sources d'énergie et leur impact climatique.
- Cite les trois grandes énergies fossiles et indique d'où elles proviennent.
- Pourquoi les énergies fossiles posent-elles un double problème ?
- Le nucléaire émet très peu de CO₂. Peut-on pour autant le qualifier de renouvelable ? Justifie.
1. Les trois grandes énergies fossiles sont le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Elles proviennent de la transformation, sur des millions d'années, de matière organique (végétaux, micro-organismes) enfouie dans le sous-sol.
2. Double problème : elles sont non renouvelables à l'échelle humaine (réserves finies qui s'épuiseront), et leur combustion émet du CO₂, principal gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique actuel.
3. Non. Le nucléaire est bas carbone (il émet très peu de CO₂), mais il repose sur la fission de l'uranium, qui est une ressource finie et donc non renouvelable. De plus il produit des déchets radioactifs. On le classe parmi les énergies bas carbone, mais pas parmi les renouvelables.
2. Double problème : elles sont non renouvelables à l'échelle humaine (réserves finies qui s'épuiseront), et leur combustion émet du CO₂, principal gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique actuel.
3. Non. Le nucléaire est bas carbone (il émet très peu de CO₂), mais il repose sur la fission de l'uranium, qui est une ressource finie et donc non renouvelable. De plus il produit des déchets radioactifs. On le classe parmi les énergies bas carbone, mais pas parmi les renouvelables.
Exercice 4 — Lecture du diagramme du mix énergétique
À l'aide du diagramme circulaire « Mix énergétique primaire mondial » du cours, réponds aux questions.
- Quelle est la part approximative des énergies fossiles (pétrole + charbon + gaz) dans le mix énergétique primaire mondial ?
- Quelle est la part des énergies renouvelables ?
- Que peut-on conclure de ce diagramme quant aux émissions mondiales de CO₂ liées à l'énergie ?
1. En additionnant pétrole (~31 %), charbon (~27 %) et gaz naturel (~23 %), les énergies fossiles représentent environ $31 + 27 + 23 = 81$ %, soit environ 80 % du mix primaire mondial.
2. Les énergies renouvelables représentent environ 14 % du mix primaire mondial.
3. Comme les fossiles, fortement émetteurs de CO₂, dominent largement le mix (~80 %), l'essentiel de l'énergie mondiale produit des émissions importantes de CO₂. Cela explique que le secteur de l'énergie soit le premier responsable des émissions de gaz à effet de serre et justifie la nécessité d'une transition énergétique.
2. Les énergies renouvelables représentent environ 14 % du mix primaire mondial.
3. Comme les fossiles, fortement émetteurs de CO₂, dominent largement le mix (~80 %), l'essentiel de l'énergie mondiale produit des émissions importantes de CO₂. Cela explique que le secteur de l'énergie soit le premier responsable des émissions de gaz à effet de serre et justifie la nécessité d'une transition énergétique.
Exercice 5 — Stockage et intermittence
Réponds aux questions sur le stockage de l'énergie et l'intermittence des renouvelables.
- Qu'appelle-t-on l'intermittence d'une source d'énergie ? Donne un exemple.
- Cite deux moyens de stocker de l'électricité et indique la forme d'énergie utilisée pour le stockage.
- Pourquoi le rendement d'un cycle de stockage-déstockage est-il toujours inférieur à 1 ?
1. L'intermittence est le caractère variable et non pilotable d'une source : sa production dépend de conditions extérieures et ne coïncide pas toujours avec la demande. Exemple : un panneau solaire ne produit pas la nuit, une éolienne ne produit pas sans vent.
2. Deux exemples : les stations de pompage-turbinage (STEP), qui stockent l'énergie sous forme d'énergie de position de l'eau pompée en hauteur ; les batteries, qui stockent l'énergie sous forme chimique. (L'hydrogène produit par électrolyse est un troisième exemple accepté.)
3. Parce que chaque conversion (charge puis décharge) s'accompagne de pertes, surtout sous forme de chaleur. L'énergie restituée est donc toujours inférieure à l'énergie stockée : le rendement de l'aller-retour est strictement inférieur à 1.
2. Deux exemples : les stations de pompage-turbinage (STEP), qui stockent l'énergie sous forme d'énergie de position de l'eau pompée en hauteur ; les batteries, qui stockent l'énergie sous forme chimique. (L'hydrogène produit par électrolyse est un troisième exemple accepté.)
3. Parce que chaque conversion (charge puis décharge) s'accompagne de pertes, surtout sous forme de chaleur. L'énergie restituée est donc toujours inférieure à l'énergie stockée : le rendement de l'aller-retour est strictement inférieur à 1.
Exercice 6 — Analyse de document scientifique : contenu carbone des sources
Étudie le document suivant puis réponds aux questions en exploitant à la fois le document et tes connaissances.
- Document — « Les analyses dites de cycle de vie évaluent le CO₂ émis pour produire 1 kWh d'électricité, en comptant la construction des installations, l'extraction et l'usage des combustibles. On obtient des ordres de grandeur : charbon ≈ 900 g CO₂/kWh, gaz ≈ 450 g CO₂/kWh, solaire photovoltaïque ≈ 45 g CO₂/kWh, éolien ≈ 12 g CO₂/kWh, nucléaire ≈ 6 g CO₂/kWh. »
Question : Classe les sources citées de la plus émettrice à la moins émettrice de CO₂ par kWh. - Le solaire et l'éolien émettent un peu de CO₂ alors qu'ils n'utilisent aucun combustible. Comment l'expliquer à l'aide du document ?
- Le document permet-il d'affirmer que remplacer une centrale à charbon par de l'éolien réduit fortement les émissions de CO₂ ? Justifie par un ordre de grandeur.
1. Du plus émetteur au moins émetteur : charbon (~900) > gaz (~450) > solaire PV (~45) > éolien (~12) > nucléaire (~6) g CO₂/kWh.
2. Le document précise que l'analyse de cycle de vie compte aussi la construction des installations (fabrication des panneaux, des éoliennes, du béton, de l'acier) et leur extraction de matières premières. Même sans combustion, ces étapes émettent du CO₂. C'est pourquoi le solaire et l'éolien ne sont pas exactement à zéro, mais restent très bas comparés aux fossiles.
3. Oui. En passant du charbon (~900 g CO₂/kWh) à l'éolien (~12 g CO₂/kWh), on divise les émissions par environ $\dfrac{900}{12} \approx 75$. Pour chaque kWh produit, les émissions de CO₂ sont donc réduites d'un facteur de l'ordre de 75, soit une diminution de plus de 98 %. Le document justifie bien une réduction très forte des émissions.
2. Le document précise que l'analyse de cycle de vie compte aussi la construction des installations (fabrication des panneaux, des éoliennes, du béton, de l'acier) et leur extraction de matières premières. Même sans combustion, ces étapes émettent du CO₂. C'est pourquoi le solaire et l'éolien ne sont pas exactement à zéro, mais restent très bas comparés aux fossiles.
3. Oui. En passant du charbon (~900 g CO₂/kWh) à l'éolien (~12 g CO₂/kWh), on divise les émissions par environ $\dfrac{900}{12} \approx 75$. Pour chaque kWh produit, les émissions de CO₂ sont donc réduites d'un facteur de l'ordre de 75, soit une diminution de plus de 98 %. Le document justifie bien une réduction très forte des émissions.
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