Le futur des énergies

Deux siècles d'énergie électrique : alternateur, induction et photovoltaïque#

Standardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Schéma d'un alternateur : rotor, stator et relation f = p·n

Fig. 1Le rotor (aimant en rotation) fait varier le champ magnétique vu par les bobines du stator : une tension alternative u(t) est induite (loi de Faraday). La fréquence obéit à f = p × n (p = nombre de paires de pôles, n = vitesse de rotation en tours par seconde). La conversion énergie mécanique → électrique se fait avec un rendement proche de 1.

Induction électromagnétique (Faraday, Maxwell) : un conducteur soumis à un champ magnétique VARIABLE (par déplacement relatif de l'aimant et de la bobine) est le siège d'une tension induite. Faraday l'établit expérimentalement (1831), Maxwell la formalise. C'est le principe physique de toute production d'électricité « mécanique ».

L'alternateur : il comporte un ROTOR (partie tournante, source de champ magnétique : aimant ou électro-aimant) et un STATOR (partie fixe, bobinages où naît la tension). Le mouvement relatif crée une tension ALTERNATIVE. L'alternateur convertit l'énergie MÉCANIQUE de rotation en énergie ÉLECTRIQUE avec un rendement TRÈS PROCHE DE 1 (les pertes — frottements, effet Joule dans les bobinages — sont faibles).

Vitesse de rotation et fréquence : la fréquence f du courant produit est reliée à la vitesse de rotation n du rotor (en tours par seconde) et au nombre p de paires de pôles par f = p × n. En France, le réseau impose f = 50 Hz : un alternateur à une paire de pôles (p = 1) doit donc tourner à n = 50 tr·s⁻¹ = 3000 tr·min⁻¹.

Semi-conducteurs et photovoltaïque (mécanique quantique) : dans un semi-conducteur (silicium dopé), un photon n'est absorbé et ne libère un porteur de charge que si son énergie dépasse une valeur seuil (le « gap »), donc si sa longueur d'onde est inférieure à une longueur d'onde maximale. La cellule convertit ainsi DIRECTEMENT une partie de l'énergie radiative en énergie électrique, sans pièce mobile ni combustion.

Adéquation au spectre solaire : pour qu'un semi-conducteur soit un bon capteur photovoltaïque, son spectre d'absorption doit RECOUVRIR la partie la plus intense du spectre solaire (le visible et le proche infrarouge). Le silicium absorbe jusqu'à ≈ 1100 nm : il capte donc une large part du rayonnement solaire, ce qui en fait le matériau dominant des panneaux. Le rendement réel d'une cellule au silicium reste modeste (≈ 15 à 22 %).

Argumenter l'installation d'une centrale photovoltaïque : au-delà du choix du matériau, on justifie l'implantation d'un parc à partir de données — ensoleillement (irradiation, en kWh·m⁻²·an⁻¹) du site, surface disponible, rendement des panneaux — pour estimer la puissance crête et l'énergie annuelle produites, puis on met en regard les contraintes (emprise au sol, intermittence, coût). L'argumentation pèse pertinence et limites, ce n'est pas un simple calcul de rendement.

f = p \times n

Fréquence d'un alternateur

f est la fréquence du courant (Hz), n la vitesse de rotation du rotor (tours par seconde) et p le nombre de paires de pôles. Pour f = 50 Hz et p = 1, on a n = 50 tr·s⁻¹ = 3000 tr·min⁻¹.

\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue}}} = \dfrac{P_{\text{électrique}}}{P_{\text{mécanique}}}

Rendement d'un alternateur

Le rendement est le rapport de la puissance électrique utile sur la puissance mécanique reçue ; il est sans unité, compris entre 0 et 1, et proche de 1 pour un alternateur (pertes par frottement et effet Joule faibles).

\lambda \le \lambda_{\max} \;\Longleftrightarrow\; E_{\text{photon}} = \dfrac{h\,c}{\lambda} \ge E_{\text{seuil}}

Condition d'absorption d'un semi-conducteur

Un photon n'est absorbé (et ne libère un porteur de charge) que si son énergie dépasse l'énergie seuil (le « gap »), c'est-à-dire si sa longueur d'onde est inférieure à une longueur d'onde maximale λ_max. Pour le silicium, λ_max ≈ 1100 nm.

Spectre solaire et seuil d'absorption du silicium

Fig. 2Le spectre solaire (analogue corps noir à ≈ 5800 K) culmine dans le visible. Le silicium absorbe les photons de longueur d'onde inférieure à ≈ 1100 nm (seuil marqué) : il recouvre donc le visible et le proche infrarouge, ce qui justifie son emploi en photovoltaïque. L'abscisse est la longueur d'onde en centaines de nm.

Exemple corrigé

Vitesse de rotation et rendement d'un alternateur

Un alternateur de centrale possède p = 2 paires de pôles et doit alimenter le réseau français à f = 50 Hz. (a) Calculer la vitesse de rotation n du rotor en tr·s⁻¹ puis en tr·min⁻¹. (b) Cet alternateur reçoit une puissance mécanique de 1100 MW et délivre 1078 MW électriques : calculer son rendement. (c) Expliquer pourquoi ce rendement ne peut jamais valoir exactement 1.

Isoler n dans f = p·n
On a f = p × n, donc n = f / p. Avec f = 50 Hz et p = 2 : n = 50 / 2 = 25 tr·s⁻¹.
Convertir en tours par minute
Une minute compte 60 secondes : on multiplie par 60. n = 25 × 60 = 1500 tr·min⁻¹.
Calculer le rendement
Le rendement est le rapport de la puissance électrique utile sur la puissance mécanique reçue.
Interpréter (rendement < 1)
Une partie de l'énergie mécanique est inévitablement dissipée par frottements mécaniques et par effet Joule dans les bobinages : ces pertes empêchent un rendement strictement égal à 1, mais elles restent faibles d'où η ≈ 0,98.

Résultat : (a) n = 25 tr·s⁻¹ = 1500 tr·min⁻¹. (b) η = 1078 / 1100 ≈ 0,98, soit 98 %. (c) Le rendement reste inférieur à 1 à cause des pertes par frottement et par effet Joule (ici 22 MW), même si elles sont faibles pour un alternateur.

Erreurs fréquentes

Croire qu'un alternateur « crée » de l'énergie : il la CONVERTIT (mécanique → électrique). Le rendement proche de 1 ne signifie pas une production gratuite : il faut fournir l'énergie mécanique de rotation (turbine, vent, eau...).
Confondre la fréquence f (en Hz, du courant) et la vitesse de rotation n (en tr·s⁻¹ ou tr·min⁻¹) : elles ne sont égales que si p = 1 ET si n est exprimée en tours par SECONDE. Oublier le nombre de paires de pôles p ou la conversion min↔s fausse le résultat.

Révision active

Un alternateur de centrale possède p = 2 paires de pôles et doit alimenter le réseau français à f = 50 Hz. (a) Calculer la vitesse de rotation n du rotor en tr·s⁻¹ puis en tr·min⁻¹. (b) Cet alternateur reçoit une puissance mécanique de 1100 MW et délivre 1078 MW électriques : calculer son rendement. (c) Expliquer pourquoi ce rendement ne peut jamais valoir exactement 1.

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.1 Deux siècles d'énergie électrique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)

Produire de l'électricité sans combustion : trois voies et rendement global#

Standardeduscol-programme-enseignement-scientifique

Diagramme de Sankey d'une chaîne de conversion thermique

Fig. 3Chaîne d'une centrale thermique : l'énergie primaire (100) passe par la chaudière, la turbine puis l'alternateur. L'épaisseur des flèches est proportionnelle au flux d'énergie : la plus grande perte se produit à la turbine (chaleur évacuée, limite de Carnot). L'électricité utile (≈ 33, mise en évidence) ne représente qu'environ un tiers de l'énergie d'entrée — le rendement global vaut ≈ 0,33.

Trois voies d'obtention de l'électricité SANS combustion. (1) Conversion mécanique : une turbine ou une dynamo entraîne un alternateur — soit DIRECTEMENT par une énergie mécanique disponible (éolienne, hydrolienne, barrage hydraulique), soit INDIRECTEMENT via une source thermique qui produit de la vapeur entraînant la turbine (nucléaire, solaire thermique, géothermie). (2) Conversion photovoltaïque : énergie radiative → électrique directement (semi-conducteur). (3) Conversion électrochimique : énergie chimique → électrique (piles, accumulateurs, pile à hydrogène).

Attention à la voie « indirecte » : dans une centrale nucléaire, ce n'est PAS la fission qui produit directement l'électricité. La chaîne est : énergie nucléaire → chaleur → vapeur sous pression → énergie mécanique (turbine) → énergie électrique (alternateur). Aucune combustion n'intervient (pas de CO₂ lors du fonctionnement), mais la conversion thermique limite fortement le rendement.

Chaîne de conversion énergétique : on la représente par un diagramme (type Sankey) qui suit l'énergie d'une ressource primaire jusqu'à l'électricité utile, en montrant à chaque étage l'énergie utile et l'énergie perdue (surtout en chaleur). Le RENDEMENT GLOBAL d'une chaîne est le produit des rendements de chaque étage : η_global = η₁ × η₂ × … ; il est donc TOUJOURS plus faible que le plus petit rendement d'étage.

Ordres de grandeur des rendements : conversion mécanique directe élevée (alternateur ≈ 0,98 ; barrage hydraulique ≈ 0,85–0,90) ; chaînes thermiques bien plus modestes (centrale nucléaire ≈ 0,33, centrale thermique à flamme ≈ 0,40) car la conversion chaleur → mécanique est physiquement limitée ; photovoltaïque au silicium ≈ 0,15–0,22.

Effets environnementaux : l'installation et le fonctionnement des centrales modifient l'environnement et la biodiversité (emprise au sol, barrages coupant les rivières, lignes, réchauffement local de l'eau de refroidissement) et présentent des RISQUES spécifiques selon la filière : pollution et particules pour les centrales à combustion, déchets radioactifs et risque d'accident pour le nucléaire, matériaux et recyclage pour le photovoltaïque. Aucune filière n'est sans impact : on raisonne en comparaison de risques et de bénéfices.

\eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \cdots \times \eta_n

Rendement global d'une chaîne

Le rendement d'une chaîne de conversion est le produit des rendements de chaque étage. Comme chaque ηᵢ < 1, le rendement global est inférieur au plus petit des rendements d'étage.

P_{\text{utile}} = \eta_{\text{global}} \times P_{\text{entrée}}

Puissance utile en sortie de chaîne

La puissance utile en sortie est la puissance d'entrée multipliée par le rendement global ; le reste, (1 − η_global)×P_entrée, est dissipé (surtout en chaleur).

\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}} = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue}}}

Définition du rendement

Rapport (sans unité, entre 0 et 1) de l'énergie ou de la puissance utile sur l'énergie ou la puissance reçue. On l'exprime souvent en pourcentage.

Les trois voies de production d'électricité sans combustion

Fig. 4Trois familles de convertisseurs produisent de l'électricité sans aucune combustion. La voie mécanique (un alternateur entraîné directement — éolien, hydraulique — ou via une source thermique — nucléaire, géothermie, solaire thermodynamique), la voie photovoltaïque (effet photovoltaïque dans un semi-conducteur), et la voie électrochimique (piles, accumulateurs, pile à hydrogène).

Exemple corrigé

Rendement global d'une centrale solaire thermodynamique

Une centrale solaire thermodynamique reçoit une puissance solaire de 50 MW. Les miroirs concentrent le rayonnement avec un rendement de 60 %, la chaudière-turbine convertit la chaleur en énergie mécanique avec un rendement de 38 %, et l'alternateur a un rendement de 98 %. (a) Calculer le rendement global de la chaîne. (b) En déduire la puissance électrique produite. (c) Indiquer l'étage le plus pénalisant et expliquer pourquoi.

Lister les rendements d'étage
On convertit les pourcentages en nombres décimaux : η₁ = 0,60 (miroirs), η₂ = 0,38 (turbine), η₃ = 0,98 (alternateur).
Multiplier les rendements
Le rendement global est le PRODUIT des rendements d'étage (jamais leur somme).
Calculer la puissance électrique
On multiplie la puissance solaire reçue par le rendement global.
Identifier l'étage limitant
L'étage chaleur → mécanique (turbine, η = 0,38) est le plus pénalisant : la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique est physiquement très limitée, contrairement à l'alternateur (η = 0,98). C'est lui qui plafonne le rendement global.

Résultat : (a) η_global = 0,60 × 0,38 × 0,98 ≈ 0,22 (22 %). (b) P_élec ≈ 0,22 × 50 ≈ 11 MW. (c) L'étage limitant est la conversion chaleur → mécanique (η = 0,38), car cette transformation thermique est physiquement bornée ; améliorer l'alternateur (déjà à 98 %) ne changerait presque rien.

Erreurs fréquentes

Additionner ou moyenner les rendements d'étages : le rendement global est le PRODUIT η₁×η₂×… Multiplier des nombres inférieurs à 1 donne un résultat plus PETIT que chacun d'eux.
Croire qu'une centrale nucléaire ou solaire thermique « brûle » quelque chose et émet du CO₂ en fonctionnant : il s'agit de conversions SANS combustion. Le CO₂ d'une combustion concerne les centrales à flamme (charbon, gaz, fioul), pas le nucléaire ni les renouvelables en fonctionnement.

Révision active

Une centrale solaire thermodynamique reçoit une puissance solaire de 50 MW. Les miroirs concentrent le rayonnement avec un rendement de 60 %, la chaudière-turbine convertit la chaleur en énergie mécanique avec un rendement de 38 %, et l'alternateur a un rendement de 98 %. (a) Calculer le rendement global de la chaîne. (b) En déduire la puissance électrique produite. (c) Indiquer l'étage le plus pénalisant et expliquer pourquoi.

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.2 Conversion et transport de l'énergie électrique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)

Transporter et stocker l'électricité : effet Joule, haute tension et stockage#

Approfondissementeduscol-programme-enseignement-scientifique

Pertes par effet Joule en fonction de la tension de transport (P fixée)

Fig. 5Pour P = 200 MW et R = 5,0 Ω, les pertes P_J = R·P²/U² (en MW) décroissent en 1/U² avec la tension U (en kV) : ≈ 25 MW à 90 kV, ≈ 1,25 MW à 400 kV. Le point marqué (400 kV) illustre l'effondrement des pertes à haute tension.

Effet Joule dans les lignes : tout conducteur de résistance R parcouru par un courant d'intensité I dissipe une puissance thermique P_J = R·I². Sur les lignes de transport, cette énergie est PERDUE (échauffement des câbles) : elle ne parvient pas au consommateur. Les pertes croissent comme le CARRÉ de l'intensité.

Intérêt de la haute tension : la puissance transportée vaut P = U·I, donc à puissance FIXÉE, l'intensité vaut I = P/U. En reportant dans l'effet Joule : P_J = R·I² = R·P²/U². Les pertes sont donc INVERSEMENT proportionnelles au carré de la tension : multiplier U par 10 divise les pertes par 100. C'est pourquoi on transporte l'électricité à très haute tension (jusqu'à 400 kV en France), quitte à élever puis abaisser la tension avec des transformateurs.

Le réseau maillé : pour acheminer l'électricité du producteur au consommateur, les lignes forment un RÉSEAU MAILLÉ (interconnecté à l'échelle européenne). Le maillage sécurise l'alimentation (une ligne en panne est contournée) et mutualise production et consommation entre régions et pays.

Équilibre offre/demande : l'électricité du réseau ne se stocke pas en grande quantité sous sa forme électrique ; il faut à chaque instant ÉQUILIBRER la production et la consommation. Cet équilibre permanent est un défi majeur, accentué par les sources intermittentes (solaire, éolien) dont la production ne suit pas la demande.

Stockage de l'énergie : pour gérer cet équilibre, on STOCKE l'énergie sous d'autres formes puis on la reconvertit en électricité : énergie mécanique (stations de pompage-turbinage : on remonte de l'eau dans un barrage quand la production excède la demande, puis on turbine ; volants d'inertie), énergie chimique (batteries, accumulateurs, hydrogène) et énergie électromagnétique (supercondensateurs). On compare les dispositifs selon plusieurs critères : capacité de stockage, puissance restituable, rendement aller-retour, durée de stockage, coût et impact environnemental.

P_J = R\,I^{2}

Pertes par effet Joule

Puissance thermique dissipée dans un conducteur de résistance R parcouru par un courant d'intensité I. Sur une ligne, c'est une perte ; elle croît comme le carré de l'intensité.

P = U\,I \;\Rightarrow\; I = \dfrac{P}{U}

Puissance transportée

La puissance transportée est le produit de la tension par l'intensité. À puissance fixée, augmenter U diminue I.

P_J = R\,I^{2} = \dfrac{R\,P^{2}}{U^{2}}

Pertes en fonction de la tension (P fixée)

En remplaçant I = P/U dans P_J = R·I², on voit que les pertes sont inversement proportionnelles au carré de la tension : multiplier U par k divise les pertes par k². C'est l'argument de la haute tension.

Du producteur au consommateur : élever puis transporter à haute tension

Fig. 6Chaîne de transport : un transformateur élève la tension pour le transport longue distance, car à puissance fixée les pertes par effet Joule varient en 1/U² — transporter à 400 kV (ligne HT, mise en évidence) au lieu de 90 kV divise les pertes par environ 20. La tension est ensuite abaissée avant la livraison ; le réseau est maillé (interconnecté) pour sécuriser l'alimentation.

Exemple corrigé

Pourquoi transporter à haute tension : comparaison 90 kV / 400 kV

On transporte une puissance électrique P = 200 MW sur une ligne de résistance R = 5,0 Ω. (a) Calculer l'intensité I puis la puissance perdue par effet Joule P_J pour une tension de transport U₁ = 90 kV. (b) Recommencer pour U₂ = 400 kV. (c) Comparer les pertes (en % de la puissance transportée) et conclure sur l'intérêt de la haute tension.

Intensité à 90 kV
On utilise I = P/U avec P = 200 × 10⁶ W et U₁ = 90 × 10³ V.
Pertes à 90 kV
On reporte dans P_J = R·I² avec R = 5,0 Ω.
Intensité et pertes à 400 kV
Même méthode avec U₂ = 400 × 10³ V : I₂ = 200×10⁶ / 400×10³ = 500 A, puis P_J,2 = 5,0×(500)².
Comparer en pourcentage
On rapporte les pertes à la puissance transportée (200 MW). À 90 kV : 24,7/200 ≈ 12 % ; à 400 kV : 1,25/200 ≈ 0,6 %. Le rapport des pertes est (400/90)² ≈ 20 : multiplier la tension par ≈ 4,4 divise les pertes par ≈ 20.

Résultat : (a) À 90 kV : I ≈ 2,2 kA, pertes ≈ 24,7 MW (≈ 12 %). (b) À 400 kV : I = 500 A, pertes = 1,25 MW (≈ 0,6 %). (c) Élever la tension réduit l'intensité, donc l'effet Joule (en 1/U²) : passer de 90 à 400 kV divise les pertes par environ 20. La haute tension est donc indispensable pour transporter l'électricité sur de longues distances avec peu de pertes.

Schritt-für-Schritt Erklärung4 Schritte

1
Transporter l'électricité, c'est faire circuler un courant dans de longues lignes. Or tout conducteur résiste : il s'échauffe et dissipe de l'énergie. C'est l'effet Joule.
2
Cette puissance perdue croît comme le carré de l'intensité. Pour la réduire, l'idée géniale est de jouer sur la tension.
3
À puissance transportée fixée, augmenter la tension diminue l'intensité. En remplaçant, les pertes deviennent inversement proportionnelles au carré de la tension.
4
Concrètement : multiplier la tension par dix divise les pertes par cent. Voilà pourquoi on transporte l'électricité à 400 000 volts, puis on abaisse la tension près des villes.
Les pertes par effet Joule chutent en 1/U²
Pour P = 200 MW et R = 5,0 Ω : pertes (MW) en fonction de la tension de transport (kV).

Erreurs fréquentes

Écrire les pertes comme proportionnelles à la tension : c'est l'inverse. À puissance fixée, P_J = R·P²/U² : les pertes DIMINUENT quand la tension AUGMENTE (en 1/U²). Augmenter la tension réduit l'intensité, donc l'effet Joule.
Confondre la puissance transportée P = U·I (qui doit rester constante dans le raisonnement) avec la puissance perdue P_J = R·I². Ce sont deux grandeurs distinctes ; c'est P qui est fixée, P_J qui varie avec U.

Révision active

On transporte une puissance électrique P = 200 MW sur une ligne de résistance R = 5,0 Ω. (a) Calculer l'intensité I puis la puissance perdue par effet Joule P_J pour une tension de transport U₁ = 90 kV. (b) Recommencer pour U₂ = 400 kV. (c) Comparer les pertes (en % de la puissance transportée) et conclure sur l'intérêt de la haute tension.

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.2 Transport et stockage de l'électricité (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)

Ressources, cycle du carbone et empreinte carbone#

Approfondissementeduscol-programme-enseignement-scientifique

Schéma simplifié du cycle du carbone : réservoirs et flux

Fig. 7Le carbone circule entre réservoirs reliés par des flux naturels approximativement équilibrés (liens non orientés). La combustion des combustibles fossiles (flèche orientée, mise en évidence) injecte dans l'atmosphère du carbone resté longtemps stocké sous terre : c'est ce flux supplémentaire — l'empreinte carbone — qui élève la teneur en CO₂.

Stocks et flux : on distingue les ressources de STOCK — quantités finies accumulées (charbon, pétrole, gaz, uranium) — et les ressources de FLUX — énergie reçue ou disponible en permanence (rayonnement solaire, géothermie, marées). Les stocks fossiles ne se reconstituent pas à l'échelle humaine : ils sont NON RENOUVELABLES ; les flux sont, eux, renouvelables. Les fossiles dominent aujourd'hui le mix mondial et sont très INÉGALEMENT répartis géographiquement, source d'enjeux géopolitiques.

Unités d'énergie et ordres de grandeur : on utilise le joule (J), le kilowattheure (1 kWh = 3,6 × 10⁶ J = 3,6 MJ) et la tonne d'équivalent pétrole (1 tep = 41,868 × 10⁹ J ≈ 11 630 kWh). Comparer des productions et consommations à différentes échelles (individu, pays, monde) suppose de manier ces conversions et les puissances de 10.

Cycle du carbone : le carbone circule entre des RÉSERVOIRS (atmosphère, océan, biosphère et sols, combustibles fossiles) reliés par des FLUX (photosynthèse, respiration, échanges océan-atmosphère, etc.). Naturellement ces flux s'équilibrent à peu près. La combustion des fossiles ajoute un FLUX ANTHROPIQUE qui déstocke un réservoir resté longtemps isolé (le carbone fossile) et le transfère vers l'atmosphère sous forme de CO₂ : c'est ce déséquilibre qui élève la teneur atmosphérique en CO₂.

Combustion et CO₂ : une combustion s'écrit « combustible + dioxygène → dioxyde de carbone + eau » et doit être ÉQUILIBRÉE (conservation des atomes). Exemples : C + O₂ → CO₂ (carbone) ; CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O (méthane). À l'aide des masses molaires (C 12, O 16, H 1 g·mol⁻¹ ; CO₂ 44 g·mol⁻¹) et de l'énergie libérée, on calcule la masse de CO₂ émise par unité d'énergie (par kWh ou par MJ) : elle dépend du combustible et permet de les comparer.

Empreinte carbone : l'empreinte carbone d'une activité, d'un produit ou d'une personne est la masse totale de CO₂ (et autres gaz à effet de serre, exprimés en équivalent CO₂) émise DIRECTEMENT et INDIRECTEMENT par sa consommation d'énergie et de matières. On l'analyse poste par poste (transport, logement, alimentation, biens...) pour identifier les leviers de réduction, puis on propose des comportements pour la MINIMISER (sobriété, efficacité, choix bas-carbone) ou la COMPENSER.

\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2

Combustion du carbone

Combustion complète du carbone (modèle du charbon) : 12 g de carbone produisent 44 g de CO₂. Équation déjà équilibrée.

\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}

Combustion du méthane (équilibrée)

On équilibre d'abord le carbone (1 CO₂) et l'hydrogène (2 H₂O), puis l'oxygène (2 O₂ fournissent les 4 atomes O nécessaires). 16 g de méthane produisent 44 g de CO₂.

1\ \text{kWh} = 3{,}6\times 10^{6}\ \text{J} = 3{,}6\ \text{MJ}, \quad 1\ \text{tep} \approx 11\,630\ \text{kWh}

Conversions d'unités d'énergie

Le kilowattheure et la tonne d'équivalent pétrole sont les unités usuelles des bilans énergétiques. 1 tep = 41,868 GJ ≈ 11 630 kWh.

Masse de CO₂ émise par kWh thermique selon le combustible

Fig. 8Masses approximatives de CO₂ libérées par kWh d'énergie thermique : le gaz naturel (méthane) émet le moins (≈ 200 g·kWh⁻¹), le pétrole davantage (≈ 270 g·kWh⁻¹), le charbon le plus (≈ 350 g·kWh⁻¹, mis en évidence). À énergie produite égale, le choix du combustible change donc fortement les émissions — un levier majeur de la transition.

Exemple corrigé

Masse de CO₂ émise par kWh par la combustion du méthane

La combustion du méthane libère environ 802 kJ d'énergie par mole de méthane brûlé. On donne M(CH₄) = 16 g·mol⁻¹ et M(CO₂) = 44 g·mol⁻¹. (a) Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du méthane. (b) Calculer l'énergie libérée par 1 kWh (rappel : 1 kWh = 3,6 MJ) et en déduire la quantité de méthane correspondante. (c) En déduire la masse de CO₂ émise par kWh d'énergie thermique. Comparer qualitativement à la combustion du carbone (charbon).

Équilibrer la combustion
On équilibre le carbone (1 CO₂), puis l'hydrogène (4 H → 2 H₂O), puis l'oxygène (2 O₂ fournissent 4 atomes O). Une mole de CH₄ produit une mole de CO₂.
Quantité de méthane pour 1 kWh
1 kWh = 3,6 MJ = 3600 kJ. Chaque mole libère 802 kJ, donc le nombre de moles brûlées est n = 3600 / 802.
Quantité de CO₂ produite
La combustion produit autant de moles de CO₂ que de moles de CH₄ (rapport 1:1).
Masse de CO₂ par kWh
On multiplie par la masse molaire du CO₂ (44 g·mol⁻¹).

Résultat : (a) CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O. (b) 1 kWh = 3,6 MJ correspond à ≈ 4,49 mol de méthane brûlé. (c) On émet ≈ 198 g ≈ 0,20 kg de CO₂ par kWh thermique. Le carbone pur (modèle idéalisé du charbon, C + O₂ → CO₂, ≈ 393 kJ·mol⁻¹) émet davantage : n = 3600/393 ≈ 9,2 mol de CO₂ par kWh, soit ≈ 9,2 × 44 ≈ 400 g·kWh⁻¹. Le charbon réel émet un peu moins (≈ 350 g·kWh⁻¹, valeur du diagramme) car il contient un peu d'hydrogène et de cendres ; dans tous les cas, à énergie égale, le gaz émet environ deux fois moins de CO₂ que le charbon, parce que la combustion du méthane libère aussi l'énergie de son hydrogène (H₂O sans CO₂).

Erreurs fréquentes

Mal équilibrer une combustion : il faut conserver le nombre d'atomes de chaque élément. Pour CH₄, on ajuste d'abord C et H (1 CO₂, 2 H₂O) puis l'oxygène (2 O₂) — oublier le coefficient devant O₂ ou H₂O est l'erreur classique.
Confondre les unités d'énergie ou de puissance : 1 kWh = 3,6 MJ (et non 3600 J), 1 tep ≈ 11 630 kWh ; et le kWh est une ÉNERGIE (puissance × durée), pas une puissance. Une confusion d'ordre de grandeur (kJ/MJ/GJ, W/kW/MW) fausse toute comparaison.

Révision active

La combustion du méthane libère environ 802 kJ d'énergie par mole de méthane brûlé. On donne M(CH₄) = 16 g·mol⁻¹ et M(CO₂) = 44 g·mol⁻¹. (a) Écrire et équilibrer l'équation de combustion complète du méthane. (b) Calculer l'énergie libérée par 1 kWh (rappel : 1 kWh = 3,6 MJ) et en déduire la quantité de méthane correspondante. (c) En déduire la masse de CO₂ émise par kWh d'énergie thermique. Comparer qualitativement à la combustion du carbone (charbon).

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.3 Énergie, choix de développement et futur climatique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol)

Scénarios de transition écologique et choix énergétiques#

Approfondissementeduscol-programme-enseignement-scientifique

Faisceau de scénarios d'émissions de GES et futurs climatiques

Fig. 9Trois familles de scénarios de transition partent d'aujourd'hui et divergent vers 2100 : selon les hypothèses d'émissions de GES (élevées, intermédiaires, fortement réduites), le futur climatique diffère nettement. Les choix énergétiques actuels déterminent la trajectoire suivie.

Pourquoi des scénarios : la combustion des fossiles alimente le réchauffement climatique. Pour limiter ce réchauffement, on construit des SCÉNARIOS de transition écologique — des trajectoires possibles d'émissions de gaz à effet de serre dans le futur — reposant sur des HYPOTHÈSES (démographie, croissance, technologies, sobriété, mix énergétique). Chaque scénario conduit à un futur climatique différent : c'est l'objet du thème 1 « Science, climat et société » prolongé ici par les choix énergétiques.

Comparer selon des critères explicites : choisir entre des options énergétiques ne se réduit pas à comparer des prix. On croise plusieurs CRITÈRES : disponibilité des ressources (stocks finis vs flux), effets sur l'environnement et la biodiversité, vulnérabilités et risques (accidents, dépendance, sécurité d'approvisionnement), faisabilité technique, et conséquences économiques et sociales (emplois, acceptabilité, inégalités). Aucune source n'est « parfaite » : on raisonne en compromis argumenté.

Inertie vs urgence : les systèmes énergétiques ont une forte INERTIE (durée de vie des centrales et des infrastructures de plusieurs décennies, lourdeur des investissements), alors que l'action climatique est URGENTE (le CO₂ émis aujourd'hui agit pendant des siècles). Décider tôt engage donc le système pour longtemps : c'est tout l'enjeu des choix énergétiques actuels.

Étude de cas — le nucléaire en France : analyser un choix énergétique majeur consiste à peser ses incidences globales. Le nucléaire émet très peu de CO₂ en fonctionnement (pas de combustion) et fournit une électricité pilotable, mais il produit des déchets radioactifs à gérer sur le très long terme, exige un investissement et une sûreté élevés, et repose sur une ressource de stock (uranium). On met en balance ces avantages et ces inconvénients selon les critères ci-dessus, sans réponse unique.

Le rôle du GIEC et des accords internationaux : le GIEC (Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat) fait la synthèse des connaissances scientifiques et propose des scénarios pour éclairer la décision publique ; les accords internationaux (type Accord de Paris) fixent des objectifs collectifs. Le citoyen doit savoir LIRE et analyser des extraits de ces documents avec esprit critique : distinguer faits scientifiques, projections (assorties d'incertitudes) et choix politiques.

Analyser un choix énergétique : une grille multi-critères

Fig. 10Un choix énergétique s'analyse en croisant cinq critères explicites : disponibilité des ressources, effets sur l'environnement (dont les émissions de CO₂), vulnérabilités et risques, faisabilité technique, conséquences économiques et sociales. Aucune source n'est optimale sur tous : la décision (au centre, mise en évidence) est un compromis argumenté, éclairé par les synthèses du GIEC.

Exemple corrigé

Analyse multi-critères : nucléaire ou gaz pour produire de l'électricité ?

On dispose d'un document comparant, pour la France, deux options de production d'électricité : (A) une centrale nucléaire et (B) une centrale à gaz. À partir de critères explicites — émissions de CO₂ en fonctionnement, type de ressource (stock/flux), déchets et risques, pilotabilité — rédiger une analyse argumentée des avantages et inconvénients de chaque option, puis préciser quelles informations supplémentaires (coût, durée de vie, acceptabilité sociale) seraient nécessaires pour conclure.

Émissions de CO₂ en fonctionnement
Le nucléaire ne brûle rien : pas de CO₂ en fonctionnement (conversion thermique sans combustion). La centrale à gaz brûle du méthane (CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O) et émet donc du CO₂ (≈ 200 g par kWh thermique). Avantage net au nucléaire sur ce critère.
Type de ressource
Les deux reposent sur des ressources de STOCK, donc non renouvelables : uranium pour le nucléaire, gaz fossile pour la centrale à gaz. Aucune des deux n'est une ressource de flux renouvelable ; la dépendance aux importations diffère selon le combustible.
Déchets et risques
Le nucléaire produit des déchets radioactifs à gérer sur le très long terme et présente un risque d'accident grave (faible probabilité, fortes conséquences). Le gaz émet du CO₂ et des polluants, avec des risques industriels classiques. Les natures de risque ne sont pas comparables sur la même échelle.
Pilotabilité et synthèse
Les deux filières sont pilotables (production commandable, contrairement au solaire/éolien). La décision dépend du poids relatif donné à chaque critère : décarbonation (favorable au nucléaire) vs gestion des déchets et acceptabilité (en sa défaveur). Il n'existe pas de réponse unique.

Résultat : Le nucléaire l'emporte sur les émissions de CO₂ en fonctionnement et la pilotabilité, mais pose la question des déchets radioactifs, du risque d'accident et de la ressource (uranium, stock). Le gaz est plus simple et flexible mais émet du CO₂ et reste fossile. Pour conclure, il faudrait des données supplémentaires : coût complet du kWh, durée de vie et démantèlement, sécurité d'approvisionnement, empreinte carbone sur tout le cycle de vie et acceptabilité sociale. La réponse est un compromis argumenté, non un classement absolu — c'est précisément ce qu'attend l'analyse de type GIEC.

Erreurs fréquentes

Réduire un choix énergétique à un seul critère (le prix, ou les émissions de CO₂ seules) : le programme demande une analyse MULTI-CRITÈRES. Une source bas-carbone peut poser d'autres problèmes (ressources, déchets, biodiversité), et inversement.
Confondre une projection (scénario assorti d'incertitudes et d'hypothèses) avec une prédiction certaine, ou confondre un constat scientifique (réchauffement mesuré) avec un choix politique (objectif d'émissions). Le GIEC éclaire la décision mais ne décide pas à la place des sociétés.

Révision active

On dispose d'un document comparant, pour la France, deux options de production d'électricité : (A) une centrale nucléaire et (B) une centrale à gaz. À partir de critères explicites — émissions de CO₂ en fonctionnement, type de ressource (stock/flux), déchets et risques, pilotabilité — rédiger une analyse argumentée des avantages et inconvénients de chaque option, puis préciser quelles informations supplémentaires (coût, durée de vie, acceptabilité sociale) seraient nécessaires pour conclure.

Rappel actif

Rappelle-toi les points clés — puis révèle.

Sources : Programme d'enseignement scientifique de terminale, voie générale (arrêté du 19 juillet 2019, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019 ; modifié par l'arrêté du 30 mai 2023), Thème 2 « Le futur des énergies » — 2.3 Énergie, choix de développement et futur climatique (Ministère de l'Éducation nationale — Éduscol) · GIEC — Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (rapports de synthèse) (IPCC / GIEC)

Points clés

Vitesse de rotation et rendement d'un alternateur

Points clés

Rendement global d'une centrale solaire thermodynamique

Points clés

Pourquoi transporter à haute tension : comparaison 90 kV / 400 kV

Points clés

Masse de CO₂ émise par kWh par la combustion du méthane

Points clés

Analyse multi-critères : nucléaire ou gaz pour produire de l'électricité ?

Sources

Le futur des énergies

Points clés

Vitesse de rotation et rendement d'un alternateur

Points clés

Rendement global d'une centrale solaire thermodynamique

Points clés

Pourquoi transporter à haute tension : comparaison 90 kV / 400 kV

Points clés

Masse de CO₂ émise par kWh par la combustion du méthane

Points clés

Analyse multi-critères : nucléaire ou gaz pour produire de l'électricité ?

Sources