Sujet du brevet 2017 de physique-Chimie et SVT — Métropole (Série générale)

Question 1. Tableau de l'annexe complété :

Question 2. Sur le document 2, on écrit dans les cercles grisés :

• cercle du cadre de gauche (combustion, repère 1, et production de vapeur d'eau, repère 2) : B, le circuit primaire, où l'énergie chimique du combustible est transformée en énergie thermique ;
• cercle du cadre du milieu (turbine et alternateur, repère 3, et condenseur, repère 4) : C, le circuit secondaire, où l'énergie mécanique de la turbine est transformée en énergie électrique par l'alternateur ;
• cercle du cadre de droite (tour de refroidissement, repère 5) : A, le circuit de refroidissement.

Question 3.

3a. Les produits de la combustion du méthane sont le dioxyde de carbone et l'eau. Le gaz à effet de serre produit est le dioxyde de carbone, de formule CO₂. (La vapeur d'eau est aussi un gaz à effet de serre, mais c'est le CO₂ rejeté par la combustion qui renforce l'effet de serre et contribue au réchauffement climatique.)

3b.1. D'après l'équation de réaction CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O, chaque molécule de méthane réagit avec 2 molécules de dioxygène. Il faut donc deux fois plus de molécules de dioxygène que de molécules de méthane : $2\times 6\times {10}^{22}=12\times {10}^{22}=1,2\times {10}^{23}$. Il faut $1,2\times {10}^{23}$ molécules de dioxygène.

3b.2. D'après l'équation, chaque molécule de méthane qui brûle produit 1 molécule de dioxyde de carbone. Il se forme donc autant de molécules de dioxyde de carbone que de molécules de méthane brûlées. Il se forme $6\times {10}^{22}$ molécules de dioxyde de carbone.

Question 4.

4a. La puissance est reliée à l'énergie et à la durée par la relation $P={\displaystyle \frac{E}{t}}$, avec $E$ en MW·h, $t$ en h et $P$ en MW.
Données : $E=7500000$ MW·h et $t=6820$ h.
$P={\displaystyle \frac{7500000}{6820}}\approx 1100$ MW (exactement environ 1 099,7 MW).
La puissance électrique du réacteur de centrale géothermique est d'environ 1 100 MW, comme celle d'un réacteur de centrale thermique à flamme : elles sont équivalentes.

4b. Certains pays choisissent les centrales géothermiques pour plusieurs raisons :

• elles utilisent une source d'énergie renouvelable, la chaleur de la Terre, alors que les centrales thermiques à flamme consomment du charbon, du pétrole ou du gaz, ressources « épuisables » ;
• elles fonctionnent sans combustion : elles ne rejettent ni fumées ni dioxyde de carbone, gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique (question 3a) ;
• enfin, un réacteur géothermique fournit la même puissance (environ 1 100 MW, question 4a) qu'un réacteur thermique à flamme : il peut donc le remplacer sans perte de production.

Question 1. Je lis sur le document 1 (productions énergétiques mondiales en 2012) :

• sources non renouvelables d'origine fossile : pétrole environ 31,5 Mtep, charbon environ 29 Mtep, gaz naturel environ 21,5 Mtep, soit au total environ $31,5+29+21,5=82$ Mtep ;
• sources renouvelables (vent, eau, soleil, chaleur de la Terre et biomasse) : environ 13,5 Mtep ;
• nucléaire : environ 5 Mtep (l'uranium est lui aussi une ressource épuisable, qui n'est pas renouvelable).

Je calcule : ${\displaystyle \frac{82}{13,5}}\approx 6$. La production à partir des énergies non renouvelables d'origine fossile est donc environ six fois plus importante que celle des énergies renouvelables. Le total des cinq barres vaut environ 100 : les énergies renouvelables ne représentent qu'environ 13,5 % de la production énergétique mondiale, contre environ 82 % pour les énergies fossiles (environ 87 % en ajoutant le nucléaire).

J'en conclus qu'en 2012, la part des énergies renouvelables est très faible par rapport à celle des énergies non renouvelables, qui dominent largement la production énergétique mondiale.

Question 2.

2a. Je lis sur le document 2 qu'en 2005, la production et la consommation mondiales de pétrole sont presque égales, autour de 80 millions de barils par jour. Ensuite, les deux courbes se séparent :

• la consommation augmente sans cesse : environ 90 millions de barils par jour en 2015, 120 en 2025 et 150 en 2035 ;
• la production reste stable à 80 millions de barils par jour jusqu'en 2015, puis diminue : 60 millions en 2025 et 30 millions en 2035.

Peu après 2005, la consommation de pétrole devient donc supérieure à la production, et l'écart se creuse de plus en plus : en 2035, la consommation serait cinq fois plus importante que la production ($150÷30=5$). Les valeurs postérieures à 2015 sont des prévisions.

2b. Depuis 2015, la production mondiale de pétrole diminue alors que la consommation continue d'augmenter. Le problème posé à l'être humain est donc le suivant : comment continuer à satisfaire des besoins en énergie toujours plus grands alors que la production de pétrole, ressource non renouvelable qui s'épuise, ne suffit plus à couvrir la consommation ?

Question 3. Le document 3 présente la loi du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la croissance verte. J'y relève les objectifs suivants :

• « renforcer son indépendance énergétique » : la France doit moins dépendre des énergies qu'elle importe ;
• « accélérer la croissance verte », c'est-à-dire une croissance économique respectueuse de l'environnement naturel ;
• « augmenter de 50% la capacité installée des énergies renouvelables d'ici 2023 », c'est-à-dire installer beaucoup plus d'éoliennes, de panneaux solaires, etc.

Le document 4 permet d'argumenter ces objectifs. Au rythme actuel de consommation et de production, les stocks de pétrole seraient épuisés dans 54 ans, ceux de gaz dans 63 ans et ceux de charbon dans 112 ans, alors que les énergies éolienne et solaire ne s'épuiseront « jamais ».

Je sais que les énergies fossiles se sont formées très lentement, à partir de matière organique, et ne se renouvellent pas à l'échelle d'une vie humaine ; leur combustion rejette du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre qui contribue au réchauffement climatique. La France, qui produit très peu de pétrole et de gaz, doit les importer.

J'en conclus que la transition énergétique vise à remplacer progressivement les énergies fossiles, qui vont s'épuiser au cours du siècle, par des énergies renouvelables inépuisables. Ce choix permet de répondre aux besoins croissants en énergie sans dépendre de ressources importées et vouées à disparaître, tout en limitant l'impact sur l'environnement (moins de rejets de gaz à effet de serre) : c'est le sens de la « croissance verte ».