Enseignement scientifique Terminale
Durée 1h – 10 points – Thème « Le futur des énergies »
Sujet n°ENSSCI3219
Télécharger l’exercice en PDF :
En 2021, les voitures utilisant essence ou diesel représentaient 98 % du parc automobile mondial (d’après le ministère de la transition écologique et du développement durable), générant ainsi des émissions polluantes. Les voitures à l’éthanol ou électriques émergent comme des alternatives à l’utilisation des énergies fossiles. On peut par exemple lire dans le magazine AutoPlus que la voiture électrique est une voiture « zéro émission, simplement révolutionnaire ».
L’objectif de cet exercice est d’étudier si le remplacement des voitures thermiques par d’autres motorisations répond aux préoccupations écologiques actuelles sur les émissions de dioxyde de carbone.
Document 1 – Carburants automobiles
On appelle « carburants » les substances dont la combustion permet le fonctionnement des moteurs thermiques. L’énergie chimique contenue dans le carburant est donc destinée à être convertie en énergie mécanique. Comme la plupart des carburants courants, l’essence ou le gazole sont en fait un mélange de nombreuses espèces chimiques extraites du pétrole : différents hydrocarbures (énergie chimique) et des additifs en faibles proportions introduits pour donner des propriétés particulières au mélange.
Source : d’après https://culturesciences.chimie.ens.fr
1– Expliquer pourquoi le pétrole ne peut pas être considéré comme une source d’énergie renouvelable. Justifier en vous appuyant sur la définition de ce terme.
Par définition, une énergie renouvelable est une source d’énergie qui se reconstitue naturellement à l’échelle du temps humain ou est inépuisable à l’échelle humaine (comme l’énergie solaire, éolienne, hydraulique…).
Or, le pétrole est une énergie dite fossile, formée à partir de matières organiques pendant des millions d’années.
Ainsi, le pétrole ne peut pas être considéré comme une source d’énergie renouvelable car il ne se renouvelle pas à l’échelle humaine.
Document 2 – Les agrocarburants
Les agrocarburants sont des carburants de substitution obtenus à partir de biomasse (matière première d’origine végétale, animale ou issue de déchets). Ils sont destinés à être utilisés dans les transports, principalement sous forme d’additifs ou de compléments aux carburants fossiles.
Les agrocarburants qu’on incorpore dans l’essence sont constitués essentiellement d’éthanol, issu principalement de la fermentation des sucres présents dans les betteraves ou les céréales.
Crédits : IFP Energies nouvelles
Les agrocarburants qu’on incorpore dans le gazole, regroupés généralement sous l’appellation « biodiesel », sont fabriqués à partir de matières oléagineuses comme le colza, le tournesol, les huiles alimentaires usagées ou les graisses animales.
Il importe de distinguer les agrocarburants de première génération, qui sont les plus consommés aujourd’hui, et ceux de seconde génération. Les premiers sont produits à partir de cultures destinées traditionnellement à l’alimentation, alors que les seconds sont élaborés à partir de matières premières non alimentaires. La troisième génération, ou algocarburant, devrait être produite dans le futur à partir d’algues ou de bactéries.
Source : d’après https://agriculture.gouv.fr/tout-savoir-sur-les-biocarburants
2– Rappeler le nom du processus qui permet aux plantes de produire la matière organique qui les constitue. Justifier alors pourquoi les agrocarburants sont des carburants renouvelables.
Le processus qui permet aux plantes de produire leur matière organique est la photosynthèse.
Les agrocarburants sont considérés comme renouvelables car ils sont produits à partir de plantes (colza, tournesol…) qui se renouvellent chaque année.
On peut donc replanter pour les produire, et ainsi reconstituer les ressources à court terme.
3– Compléter l’équation de réaction chimique modélisant la combustion complète par le dioxygène dans un moteur thermique dont le carburant est l’éthanol de formule C2H6O :
C2H6O + … O2 → … CO2 + … H2O
C2H6O+ 3O2 → 2CO2 + 3H2O
On souhaite comparer les émissions de dioxyde de carbone pour différents véhicules effectuant un même trajet.
Données :
- L’énergie produite par la combustion d’une tonne d’éthanol est E = 0,690 tep.1 tep (tonne d’équivalent pétrole) = 41 868 MJ.
- 1 MJ (mégajoule) = 106 J.
- 1 t (tonne) = 103 kg.
- 1 g d’éthanol produit 1,9 g de dioxyde de carbone.
4– Montrer que la masse m d’éthanol nécessaire pour produire une énergie de 1,0 MJ est de m = 35 g.
| 1 tep (tonne d’équivalent pétrole) | 41 868 MJ |
| 0,690 tep | E |
$$E=\frac{0,690 \times 41\ 868}{1}$$
$$E=28889\ MJ$$
| 28889 MJ | Une tonne d’éthanol |
| 1,0 MJ | m |
$$m=\frac{1,0 \times 1}{28889}$$
$$m=0,000035\ tonne$$
$$m=0,035\ Kg$$
$$m=35\ g$$
Ainsi, la masse m d’éthanol nécessaire pour produire une énergie de 1,0 MJ est de m = 35 g.
5– Montrer que la masse de dioxyde de carbone libérée lors de la production de cette même quantité d’énergie est égale à 66 g.
| 1 g d’éthanol | 1,9 g de dioxyde de carbone. |
| 35 g | $m_{co_2}$ |
$$m_{co_2}=\frac{35 \times 1,9}{1}$$
$$m_{co_2}=66,5\ g$$
Ainsi, la masse de dioxyde de carbone libérée lors de la production de cette même quantité d’énergie est égale à 66 g.
Pour modéliser les propriétés énergétiques des carburants, on les assimile à des hydrocarbures moyens (octane et dodécane), de caractéristiques données ci- dessous :
| Carburant | Hydrocarbure modèle | Formule chimique | Masse de dioxyde de carbone CO2 produite par unité d’énergie dégagée par la combustion (g.MJ-1) |
| Essence | Octane | C8H18 | 69 |
| Gazole | Dodécane | C12H26 | 71 |
6– Comparer la masse de dioxyde de carbone libérée pour une même quantité d’énergie pour l’octane, le dodécane et l’éthanol et expliquer pourquoi l’écart entre les trois valeurs ne permet pas de conclure en faveur d’un des types de carburants.
L’éthanol émet légèrement moins de CO₂ (66 g/MJ) que l’essence (69 g/MJ) et que le gazole (71 g/MJ).
Cependant, l’écart entre les trois est faible : seulement 5 g/MJ entre le gazole (celui qui émet le plus de CO₂) et l’éthanol (celui qui émet le moins de CO₂).
Ainsi, l’écart entre les trois valeurs ne permet pas de conclure en faveur d’un des types de carburants.
7– Présenter alors un avantage et un inconvénient à intégrer des biocarburants aux carburants fossiles.
Avantage : Les biocarburants sont issus de ressources renouvelables et peuvent réduire les émissions nettes de CO₂ en réutilisant le carbone capté par les plantes (question 2).
Inconvénient : Leur production peut entrer en concurrence avec l’agriculture alimentaire et avoir un impact sur l’environnement (déforestation, utilisation d’eau, etc.).
Document 3 – Émission de dioxyde de carbone par km parcouru d’une personne utilisant son véhicule, pour différentes motorisations
La procédure d’essai mondiale harmonisée pour les véhicules légers (en anglais Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures, ou WLTP) est une norme d’essais d’homologation des véhicules qui permet de mesurer la consommation de carburant, l’autonomie électrique et les rejets de CO2 et de polluants. Elle a été utilisée pour comparer des voitures de type berlines compactes de motorisations différentes. Les résultats sont reportés dans la figure ci-après.
Source : d’après A. Juton, F. Le Berr, La Revue 3EI, 99, p.3, janv.2020
8– Comparer les émissions de CO2 pour une même distance parcourue par les différents types de véhicules.
Une voiture diesel classique émet environs 125 g de CO₂ par km parcouru.
Une voiture essence classique émet environs 135 g de CO₂ par km parcouru.
Une voiture électrique à batterie émet environs 65 g de CO₂ par km parcouru.
Ainsi, une voiture électrique émet légèrement moins de CO₂ (65 g/km) qu’une voiture diesel classique (125 g/MJ) et qu’une voiture essence classique (135 g/MJ).
La tendance actuelle est à l’augmentation de la taille de la batterie pour accroître l’autonomie du véhicule électrique, pour quelques longs trajets annuels.
9- Postuler quel est l’impact de cette augmentation de taille de la batterie sur le bilan carbone du véhicule électrique.
La fabrication de la batterie est responsable de 25g de CO₂ par km parcouru sur les 65 g de CO₂ par km parcouru.
Elle occupe une grande part dans les émissions de CO₂.
On peut supposer qu’une augmentation de taille de la batterie entrainera une augmentation des émissions de CO₂.
10- En utilisant l’ensemble des documents, discuter si l’affirmation du magazine cité en introduction : « zéro émission, simplement révolutionnaire » relève d’une information scientifique.
L’affirmation « zéro émission » n’est pas scientifiquement exacte, car une voiture électrique émet du CO₂, notamment lors de la fabrication de la batterie, des peux et du véhicule.
Sans compter les émissions dues à la fabrication de l’électricité pour charger la voiture.
Même si ses émissions sont plus faibles que celles des voitures thermiques, elles ne sont pas nulles.
L’expression relève donc du discours commercial et pas d’une information scientifique.
11- Proposer d’autres études complémentaires qui permettraient de compléter cette conclusion.
Il faudrait étudier le cycle de vie complet des véhicules (de la fabrication au recyclage) et analyser l’impact environnemental global (pollution des sols, consommation d’eau, métaux rares).