Choix d’un moyen de transport

E3C2 – 10 points – Durée 1h – calculatrice autorisée

Avec 13,41 gigatonnes de dioxyde de carbone émis dans le monde en 2016, le transport est le deuxième contributeur de gaz à effet de serre derrière la production d’énergie électrique […].Les émissions de dioxyde de carbone des transports dépendent de plusieurs facteurs : la distance totale parcourue, le nombre de passagers par véhicule, le carburant utilisé ou encore le type de trajet. Or, les statistiques montrent un nombre toujours plus important de voitures en circulation dans le monde, ainsi qu’une importante augmentation du trafic aérien et du commerce mondial de marchandises. La part des émissions de CO₂ par secteur d’activité dans le monde est fournie dans le tableau ci-après.

Énergie électrique 41,5 %

Industrie 18,9 %

Résidentiel 8,4 %

Transport 24,4 %

Autres 6,8 %

D’après Céline Deluzarche, chiffres AIE pour l’année 2016.

1. Voiture diesel ou voiture essence ?

D’après le texte introductif, les émissions de dioxyde de carbone dues aux transports dépendent, entre autres, du carburant utilisé. On se propose, en répondant aux questions de cette première partie, de construire un argumentaire scientifique permettant de valider ou d’invalider cette affirmation. Les deux carburants étudiés sont le gasoil et l’essence sans plomb. On admet qu’ils sont respectivement modélisés par du dodécane (C₁₂H₂₆) pour l’un et de l’octane (C₈H₁₈) pour l’autre.

Type de véhicule	Diesel	Essence sans plomb
Carburant utilisé	Gasoil : essentiellement du dodécane	Essence : essentiellement de l’octane
Volume de carburant consommé pour 100 km parcourus	V = 5,0 L
Masse de dioxyde de carbone émis par kilomètre parcouru	m = 120 g

Données

Energie molaire de combustion de l’octane : E_m = – 5,1 × 10³ kJ.mol^-1.

Masse volumique de l’octane : ρ = 0,70 kg.L^-1.

Masses molaires atomiques (g.mol^-1) : M(C) = 12,0 ; M(H) = 1,00 ; M(O) = 16,0.

Représentation de quelques éléments : ₁H ; ₆C ; ₈O.

Extrait d’une table d’énergies molaires de liaison :

Liaison	E_l (kJ.mol^-1)
C – H	415
C – C	348
C – O	350
O = O	498
O – H	463
C = O	724
C = O dans CO₂	804

1.1. L’équation de la réaction modélisant la combustion du dodécane s’écrit :

2 C₁₂H₂₆ (l) + 37 O₂ (g) ➝ 24 CO₂ (g) + 26 H₂O (g)

Le schéma de Lewis du dodécane est donné ci-dessous :

1.1.1. Représenter le schéma de Lewis du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l’eau.

Atome	Numéro atomique	Configuration électronique	Nombre de doublets liants	Nombre de doublets non liants
H	1	1s¹	1	0
C	6	1s²2s²2p²	4	0
O	8	1s²2s²2p⁴	2	2

O₂

CO₂

H₂O

1.1.2. Déterminer la quantité de matière de dioxyde de carbone rejeté par la voiture diesel par kilomètre parcouru.

$n_{CO_2}^i=\frac{m_{CO_2}}{M_{CO_2}}$

$n_{CO_2}^i=\frac{120}{12,0+2\times 16,0 } =2,73 mol$

1.1.3. En déduire la quantité de matière de dodécane consommé par kilomètre parcouru.

L’équation de la réaction modélisant la combustion du dodécane s’écrit :

2 C₁₂H₂₆ (l) + 37 O₂ (g) ➝ 24 CO₂ (g) + 26 H₂O (g)

D’après cette équation :

$\frac{n_{C_{12}H_{26}}^{consommé}}{2}=\frac{n_{CO_2}^{produit}}{2}$

$n_{C_{12}H_{26}}^{consommé}= 2 \times \frac{n_{CO_2}^{produit}}{2}$

$n_{C_{12}H_{26}}^{consommé}= 2 \times \frac{2,73}{24} = 2,28.10^{-1} mol$

1.1.4. Montrer, à l’aide des données, qu’une estimation de l’énergie molaire de combustion du dodécane est E’_m = – 7,50×10³ kJ.mol^-1. Indiquer pourquoi il s’agit d’une estimation.

L’équation de la réaction modélisant la combustion du dodécane s’écrit :

2 C₁₂H₂₆ (l) + 37 O₂ (g) ➝ 24 CO₂ (g) + 26 H₂O (g)

Pour une molécule de dodécane :

C₁₂H₂₆ (l) + 37/2 O₂ (g) ➝ 12 CO₂ (g) + 13 H₂O (g)

Liaisons rompues :

26 C – H

11 C – C

O = O

Liaisons formées :

12×2 C = O dans CO₂

13×2 O – H

E’_m =26 E_{l(C – H)}+11 E_{l(C– C)}+ E_{l(O = O)} -24 E_{l(C = O)}-26 E_{l(O – H)}

E’_m =26×415+11× 348+×498 -24× 804-26× 463

E’_m =-7,50.10³ KJ.mol^-1

Il s’agit d’une estimation car les combustions ne sont pas toujours complètes.

1.1.5. En déduire l’énergie libérée E_lib par la combustion du gasoil pour un kilomètre parcouru.

E_lib=n× E’_m

E_lib =2,28.10^-1×-7,50.10³ =-1,71.10³ KJ

1.2. Une voiture essence de motorisation équivalente libère une énergie liée à la combustion de l’essence E’_lib = – 1,7×10³ kJ par kilomètre parcouru.

1.2.1. Montrer que la masse de dioxyde de carbone émise par la voiture à essence par kilomètre parcouru vaut m’ = 1,2×10² g.

Formule brute des alcanes C_nH_2n+2

Octane : 8 atomes de carbone

Donc la formule de l’octane : C₈H₁₈

Lors d’une combustion, le combustible réagit avec du dioxygène et produit du dioxyde de carbone.

L’équation de la réaction modélisant la combustion de l’octane s’écrit :

C₈H₁₈ (l) + 25/2 O₂ (g) ➝ 8 CO₂ (g) + 9 H₂O (g)

Liaisons rompues :

18 C – H

7 C – C

O = O

Liaisons formées :

8×2 C = O dans CO₂

9×2 O – H

E’_m =18 E_{l(C – H)}+7 E_{l(C– C)}+ E_{l(O = O)} -16 E_{l(C = O)}-18 E_{l(O – H)}

E’_m =18×415 +7× 348+×498 -16× 804-18× 463

E’_m =-5,07.10³ KJ.mol^-1

Calculons la quantité d’octane par kilomètre parcouru.

E’_lib = – 1,7 ×10³ kJ par kilomètre parcouru.

${E_{lib}}=n \times {E_{m}'}$

$n=\frac{E_{lib}}{E_{m}'}$

$n_{octane}=\frac{-1,7\ .10^3}{-5,07.10^3}=3,3.10^{-1}\ mol$

D’après l’équation de réaction :

$n_{octane}^{consommé}=\frac{n_{CO_2}^{produit}}{8}$

$n_{CO_2}^{produit}=8 \times n_{octane}^{consommé}$

$n_{CO_2}^{produit}=8 \times 3,3.10^{-1}=2,64 mol$

$m_{CO_2}=n_{CO_2} \times M_{CO_2}$

$m_{CO_2}=2,64 \times (12,0+2 \times 16,0) =1,2.10^2 g$

1.2.2. Commenter le résultat obtenu et rédiger un conseil argumenté sur le choix du véhicule à utiliser pour minimiser l’impact sur le réchauffement climatique. On s’attachera notamment à montrer si le critère de la consommation par kilomètre parcouru est un indicateur suffisant.

La masse de dioxyde de carbone libérée par kilomètre parcouru est la même pour un véhicule essence ou diesel.

Le critère de la consommation par kilomètre parcouru n’est donc pas un indicateur suffisant.

Pour minimiser l’impact sur le réchauffement climatique, il est préférable d’utiliser un véhicule électrique ou hybride

2. Quel moyen de transport choisir ?

Un salarié d’une entreprise de conseil en développement durable doit effectuer un aller-retour Bordeaux-Paris pour aller défendre un projet d’aménagement. Les deux villes sont distantes de d = 546 km. Soucieux de l’environnement, il étudie les différentes solutions alternatives à la voiture, comme le train (ligne TGV) et l’avion afin de réduire son empreinte carbone. L’empreinte « carbone » est la mesure de la quantité de dioxyde de carbone émis, suite à la combustion d’énergies fossiles, par une activité, un produit (depuis quelques années cette information est disponible sur l’électroménager, les offres immobilières, les véhicules), une prestation.

Le site « oui.sncf » propose un calculateur des émissions de dioxyde de carbonelors d’un voyageen train. On y trouve notamment l’information suivante :

Emissions de CO₂ d’un voyageur parcourant un kilomètre, par type de train SNCF (basées sur les consommations d’énergie (source : Réseau de transport d’électricités (Rte), 2017) et fréquentations de 2017) :

Train TGV : 2,4 g de CO₂ par kilomètre
Train Intercités : 8,1 g de CO₂ par kilomètre
Train TER : 29,4 g de CO₂ par kilomètre
Train Transilien / RER : 5,4 g de CO₂ par kilomètre

D’après https://fr.wikipedia.org et https://www.oui.sncf

Le combustible utilisé dans les moteurs d’avion est le kérosène. C’est un mélange complexe d’alcanes, principalement des molécules comportant 11 atomes de carbone de formule brute C₁₁H₂₄.

Des calculateurs en ligne permettent d’évaluer la masse de CO₂émis par voyageur lors d’un voyage en avion.

Le résultat de la simulation est donné ci-dessous.

En s’appuyant sur les informations données ci-dessus et les résultats trouvés à la partie 1, réaliser une étude comparée qui permettra au salarié de l’entreprise d’identifier, parmi les trois proposés, le mode de transport le plus écologique au niveau des émissions de dioxyde de carbone pour effectuer un aller-retour Bordeaux-Paris.

L’analyse des données, la démarche suivie et l’analyse critique des résultats sont évaluées et nécessitent d’être correctement présentées. Toute trace de recherche sera valorisée.

Moyen de transport	Consommation de CO₂ par kilomètre	Consommation de CO₂ pour le trajet (aller-retour) D=2d = 546×2=1092 km
Train TGV :	2,4 g	2,6 Kg
Train Intercités :	8,1 g	8,8 Kg
Train TER :	29,4 g	32,1 Kg
Train Transilien / RER :	5,4 g	5,90 Kg
Avion		0,360t=360 Kg
Voiture	120 g	131 Kg

Le mode de transport le plus écologique au niveau des émissions de dioxyde de carbone pour effectuer un aller-retour Bordeaux-Paris est le TGV.