Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3214
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La combustion de carburants fossiles et de la biomasse libère, entre autres, du dioxyde de carbone et des particules fines qui impactent la santé publique.
On se propose d’étudier ces deux paramètres distincts dans la suite de l’exercice.
Partie 1 – Émission de dioxyde de carbone par combustion
Document 1 – Données concernant la combustion de carburants
Production de dioxyde de carbone lors de la combustion de carburants fossiles et de la biomasse
La combustion de différents carburants ou de la biomasse s’accompagne d’une libération d’énergie thermique, convertie en énergie électrique dans des centrales. La transformation chimique associée conduit également à la production de dioxyde de carbone et d’eau.
| Combustible | Équation de la réaction |
| Gaz naturel méthane CH4 | CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) |
| Essence modélisée par l’octane C8H18 | 2 C8H18(l) + 25 O2(g) → 16 CO2(g) +18 H2O(g) |
| Biomasse (bois) modélisée par C6H10O5 | C6H10O5(s) + … O2(g) → … CO2(g) + … H2O(g) |
Énergie massique libérée par kg de combustible brûlé
| Combustible | Gaz naturel | Essence | Biomasse |
| Énergie massique libérée | 50 MJ/kg | 45 MJ/kg | 17 MJ/kg |
Masse de CO2 produite pour 1 MJ d’énergie obtenue
| Combustible | Gaz naturel | Essence | Biomasse |
| Masse de CO2 produite | 56 g | 70 g | 95 g |
Rappel : 1 MJ = 1 × 106 J
Source : d’après J.-C. Guibet, Publications de l’Institut français du pétrole,1997 et W.-M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 2012
1- Indiquer le (ou les) combustible(s) mentionnés dans le document 1 pouvant être considérés comme source(s) d’énergie renouvelable. Justifier votre réponse.
La Biomasse (bois) est le combustible mentionné dans le document 1 pouvant être utilisés comme source d’énergie renouvelable.
2- Calculer la masse d’essence, notée messence, nécessaire pour obtenir une énergie de valeur 1 MJ.
D’après le document 1 : 1 kg d’essence libère 45 MJ
| 1 kg d’essence | 45 MJ |
| messence, | 1 MJ |
$$\operatorname{m}_{essence}=\frac{1\times 1}{45}$$
$$\operatorname{m}_{essence}=0,022\ Kg$$
$$\operatorname{m}_{essence}=22\ g$$
Il faut $\operatorname{m}_{essence}=22\ g$ pour obtenir une énergie de valeur 1 MJ.
3- Recopier et ajuster l’équation de la réaction de combustion de la biomasse (bois) modélisée par C6H10O5 du document 1.
C6H10O5 + 6 O2 → 6 CO2 + 5 H2O
4- Comparer la masse de dioxyde de carbone émise par MJ d’énergie obtenue pour chaque combustible du document 1
D’après le document 1 :
Masse de CO2 produite pour 1 MJ d’énergie obtenue :
| Combustible | Gaz naturel | Essence | Biomasse |
| Masse de CO2 produite | 56 g | 70 g | 95 g |
Le gaz naturel produit la plus petite masse de CO2 pour 1 MJ d’énergie.
La biomasse produit la plus grande masse de CO2 pour 1 MJ d’énergie.
L‘essence produit une masse de CO2 entre celle produite par le gaz naturel et la biomasse pour 1 MJ d’énergie.
Document 2 – Bilan carbone d’un combustible
Le bilan carbone d’un combustible correspond à la quantité totale de dioxyde de carbone émise dans l’atmosphère lors de son cycle de vie, incluant l’extraction, le transport, la transformation et la combustion. Ce bilan carbone correspond finalement à la différence entre l’émission et l’absorption de dioxyde de carbone au cours du cycle de vie d’un combustible.
Source : d’après https://www.citepa.org/fr/2023_01_b04
5- Sur un site internet, on trouve l’affirmation suivante : « l’utilisation de la biomasse à la place de combustibles fossiles permet de diminuer l’ampleur du réchauffement climatique ». Expliquer en quoi cette affirmation est justifiée (15 lignes maximum) en intégrant les éléments suivants :
- rappel du lien entre émissions de CO2 et réchauffement climatique ;
- utilisation des données chiffrées disponibles dans l’exercice (document 1 et réponses aux questions précédentes) ;
- lien entre vos connaissances concernant la biomasse et les informations du document 2.
Le réchauffement climatique est provoqué par l’accumulation de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO₂) dans l’atmosphère.
Ces émissions proviennent en grande partie de la combustion des énergies fossiles. Or, d’après le document 1, pour obtenir 1 MJ d’énergie, la combustion de biomasse (95 g de CO₂) produit plus de CO₂ que le gaz naturel (56 g) ou l’essence (70 g).
Pourtant, le document 2 précise que le bilan carbone d’un combustible prend en compte non seulement les émissions, mais aussi l’absorption préalable de CO₂. La biomasse, lors de sa croissance, capte du CO₂ atmosphérique par photosynthèse. Ainsi, même si elle libère du CO₂ lors de sa combustion, ce carbone avait été capté auparavant : son bilan carbone est neutre ou très faible.
Contrairement aux combustibles fossiles ajoutent du CO₂ dans l’atmosphère.
Ainsi, l’utilisation de la biomasse à la place de combustibles fossiles permet de diminuer l’ampleur du réchauffement climatique malgré des émissions de CO₂ plus élevées.
Partie 2 – Pollution aux particules fines
Document 3 – Particules fines
Les particules fines (PM2,5) sont des entités solides de diamètre inférieur à 2,5 µm. Comme toutes particules, elles sont constituées d’un mélange de différents composés chimiques.
L’Organisation mondiale de la santé (OMS) indique que la santé publique est impactée par la pollution de l’air. Le Ministère en charge des questions des Solidarités et de la Santé estime qu’environ 48 000 personnes décèdent chaque année des effets de la pollution de l’air en France.
Source : d’après site web d’AirParif, www.airparif.fr
Document 4 – Pollution aux particules fines
Le diagramme ci-contre montre la répartition (en %) par grands secteurs d’activité des émissions annuelles de particules fines de dimensions inférieures à 2,5 mm (PM 2,5) en Île de France.
Source : d’après site web d’AirParif,
La contribution des différents secteurs à la pollution atmosphérique varie selon le lieu.
En fonction du lieu sur le territoire français, les concentrations atmosphériques en PM2.5 ne sont pas les mêmes, comme indiqué sur la carte ci-contre.
Source : www.invs.sante.fr
6- Identifier les trois secteurs d’activité contribuant le plus à l’émission de particules fines, à partir du document 4.
D’après le document 4 : les 3 secteurs d’activité émettant le plus de particules fines sont :
Le secteur de l’industrie manufacturière pour 24,00 %
Le secteur résidentiel et tertiaire pour 37,00 %
Le secteur du trafic routier pour 27,00 %
7- Indiquer le type de zone géographique le moins impacté par la pollution aux particules fines sur le territoire français en vous appuyant sur le document 4.
D’après le document 4, les zones géographiques les moins impactées par la pollution aux particules fines PM2.5 sont les zones correspondant à la catégorie « de 0 à 5 µg/m³ », indiquées en gris clair sur la carte. Ces zones se trouvent principalement dans certaines parties du Massif central, des Alpes ou des Pyrénées.
Partie 3 – Synthèse
8- Un collectif citoyen émet la proposition suivante : « pour lutter contre le réchauffement climatique dans notre commune, nous proposons d’interdire les véhicules les plus polluants en centre-ville grâce à la mise en place d’une ZFE (Zone à Faibles Émissions), ce qui permettra de réduire significativement notre impact sur l’effet de serre. » Nuancer de manière argumentée cette affirmation en vous appuyant sur l’ensemble des documents de l’exercice et notamment :
- la comparaison entre la nature physique du CO2 et des particules fines ;
- les effets du CO2 sur le climat et des particules fines sur l’environnement ;
- les échelles de temps et d’espace de leurs impacts.
Votre réponse devra montrer en quoi cette mesure peut être pertinente tout en expliquant pourquoi l’affirmation mérite d’être nuancée.
Les véhicules les plus polluants émettent à la fois du dioxyde de carbone (CO₂), principal gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique, et des particules fines (PM2.5), qui sont des polluants atmosphériques nuisibles pour la santé humaine.
Cependant, CO₂ et particules fines n’ont pas les mêmes caractéristiques ni les mêmes effets.
Le CO₂ est un gaz non toxique à faible concentration, mais dont l’accumulation dans l’atmosphère à l’échelle planétaire augmente l’effet de serre et entraîne un réchauffement global sur le long terme.
Les particules fines ont des effets locaux et immédiats sur la qualité de l’air, provoquant des maladies respiratoires et cardiovasculaires.
Ces particules ne sont pas responsables du réchauffement climatique.
La mise en place d’une Zone à Faibles Émissions (ZFE) permettrait donc surtout de réduire localement la concentration de particules fines, améliorant ainsi la santé des habitants en ville. Elle peut aussi contribuer à réduire les émissions de CO₂, mais à une échelle bien petite, car les transports ne représentent que 27,00% des émissions totales de gaz à effet de serre.
Ainsi, cette mesure est bonne pour lutter contre la pollution de l’air localement, mais son impact direct sur le réchauffement climatique reste limité.
C’est pourquoi l’affirmation selon laquelle la mise en place d’une ZFE permettrait de lutter contre le réchauffement climatique mérite d’être nuancée, bien que la mesure reste pertinente.