1°ES/L_Thème 3_LE DEFI ENERGETIQUE TP 1_Energie : besoins et ressources

M.Meyniel 1/4

Correction : ENERGIE : BESOINS ET RESSOURCES

I. Activités humaines et besoins en énergie.

I.1

La population mondiale est croissante. Chaque individu a de plus en plus besoin d’énergie au quotidien. Il en

résulte que la consommation mondiale ne cesse d’augmenter.

I.2

Plus la durée de fonctionnement est grande, plus l’appareil consomme de l’énergie.

Plus l’appareil est puissant, plus la consommation d’énergie est grande.

Applications :

1. montant total = 148,38 € ↔ 10 mois

prélèvement par mois = p ↔ 1 mois => p = 148,38 × 1 / 10 = 14,838 ≈ 15 € par mois

2. L’énergie électrique consommée en un an est de 1 163 kWh.

Cette consommation est globalement stable au fil des années (cf tableau en-dessous du ).

3. montant total = 148,38 € ↔ 1 163 kWh

prix moyen du kWh = p’ ↔ 1 kWh => p’ = 148,38 × 1 / 1163 = 0,13 € par kWh

4. D’après la facture, 85,8% de l’énergie électrique consommée provient du nucléaire.

L’affirmation des médias n’est pas abusive, elle est même sous-estimée car plus des trois quarts (= 75%) sont

d’origine nucléaire.

5. La consommation en HC est de 264 kWh pour un prix du kWh de 0,05570 €.

La consommation en HP est de 899 kWh pour un prix du kWh de 0,09010 €.

La consommation n’est pas des plus judicieuses car M. Dupont consomme essentiellement durant

les heures pleines lorsque le prix du kWh est le plus cher !

6. consommation énergétique annuel = P × ∆T = 0,300 × (4 × 365,25) = 438,3 kW

En HP, 1 kWh coûte 0,09010 € : coût total = 438,3 × 0,09010 = 39,49 €

7. ETGV = P × ΔT = 8 800 × (1 + 40/60) = 14 667 kWh

Eindien = 0,36 tep = 0,36 × 11 620 = 4 183 kWh

Un indien consomme plus de 3 fois moins d’énergie tout au long d’une année qu’un seul TGV

assurant la liaison Paris-Dijon ! L’énergie est donc très inégalement utilisée dans le monde.

8. E = (nb de machines en une année) × (capacité × énergie par kg) = 4 × 52 × (5 × 0,18) = 187 kWh < 281 kWh

Le coût énergétique pour une machine de classe A est beaucoup moins important que celui d’une classe C.

Ainsi, la demande énergétique est moindre (30 % environ) ce qui souligne un comportement « éco-responsable ».

𝐸 = 𝑝𝑢𝑖𝑠𝑠𝑎𝑛𝑐𝑒 × 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜𝑚𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑃 × ∆𝑇

W ( watt )

s ( seconde ) J ( joule )

Photodiode /

panneaux solaires

Photosynthèse

chlorophyllienne

Capteurs solaires

noirs

Pile /

Accumulateur

ENERGIE MECANIQUE

(mouvement)

Alternateur

(bobine + aimant)

Chaudière :

combustion

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II. Ressources énergétiques.

Une voiture qui se déplace en hiver, la nuit, a besoin d’énergie mécanique pour le déplacement, d’énergie thermique

pour réchauffer l’habitacle et d’énergie lumineuse pour éclairer la route et le tableau de bord.

Les ressources énergétiques reposent pour la plus grande part sur les combustibles fossiles bien que

l’épuisement de leurs réserves soit inéluctable.

L’Homme se retrouve dans l’obligation de rechercher activement des ressources alternatives en

développant les énergies renouvelables.

1. D’après le graphique 1, les énergies renouvelables représentent 13 % dans la production mondiale d’énergie.

Les énergies non renouvelables (nucléaire, gaz, charbon, pétrole) occupent donc 100 – 13 = 87 % de la

production mondiale.

2. D’après le graphique 2, on lit qu’il faut plusieurs millions d’années pour que la matière organique se fossilise

en combustibles fossiles.

Pour les ressources fossiles, elles étaient présentent sur Terre lors de sa formation et ne peuvent être reformées.

Or, seules quelques secondes suffisent à consommer ces ressources énergétiques.

On parle d’énergie non renouvelable car la durée de formation est beaucoup (infiniment)

plus longue que la durée d’exploitation (elles sont consommées plus rapidement qu’elles ne

sont formées).

3. Les ressources fossiles (gaz, pétrole, charbon) subissent une combustion lors de leur utilisation. Il y a donc

formation de dioxyde de carbone CO2.

Les ressources nucléaires produisent des déchets radioactifs, qui émettent des rayonnements dangereux

(cancérigènes) pour les individus.

4. La biomasse, issue des plantations notamment, met moins de temps à se former qu’à être exploitée. On

la consomme moins vite qu’on ne la produit. Il s’agit donc d’une ressource renouvelable : temps de formation <

temps d’exploitation.

Elle représente 1 200 millions de tep sur (1 200 + 720 + 53 + 14,5 + 57) = 2 044,5 millions de tep produits par

les énergies renouvelables ; soit une part de :

1 200 / 2 044,5 = 0,59 = 59 %.

5. Les ressources énergétiques éoliennes ne fonctionnent bien évidemment qu’en présence de vent assez intense

pour faire tourner les pales (5 km/h). Elles présentent des limites de productivité dès que le vent atteint 90 km/h. La

mise en drapeau se fait au-delà de 200 km/h.

Les ressources énergétiques solaires ne sont pas disponibles la nuit et si la couverture nuageuse est trop

importante. Il convient de se trouver dans une région ensoleillé (comme le sud de la France pour la métropole) avec

des panneaux orientés vers l’équateur.

Ces ressources renouvelables ne sont donc pas disponibles en tout temps et en tout lieu.

6. Exemples Temps de formation

Temps

d’exploitation Inconvénients

Ressources

non

renouvelables

* Ressource fossile :

- pétrole

- charbon

- gaz naturel

* Ressource fissile :

- uranium

* Plusieurs dizaines de

millions d’années

(décomposition de la

matière organique)

* Pas de formation (formé

avec la Terre)

quelques siècles

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Formation de déchets

radioactifs par les réactions

de fission nucléaire

Ressources

renouvelables

* Biomasse (bois, biogaz,

agrocarburant)

* hydraulique (barrage, marées)

éolien (vent)

géothermie (chaleur Terre)

rayonnement solaire

* Quelques années

* Renouvellement permanent

infinie

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Ressources pas toujours

disponibles selon le temps

et le lieu.

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M.Meyniel 3/4

Particules composant un noyau atomique.

* L’atome est formé : - d’un noyau chargé positivement,

- d’électrons qui tournent autour du noyau est qui sont chargés négativement.

=> L’atome est électriquement neutre .

* Le noyau de l’atome est assimilable à une sphère dont le diamètre est environ 100 000 fois plus petit que celui de

l’atome

* Le noyau est composé de nucléons : - protons (de charge positive),

- neutrons (de charge nulle).

Ces particules ont une masse environ 2 000 fois plus importante que celle des électrons. La masse de l’atome est

donc essentiellement concentrée dans le noyau.

* Dans un noyau donné : - le nombre de nucléons est appelé nombre de masse et noté A,

- le nombre de protons est appelé nombre de charge ou numéro atomique et noté Z,

- le nombre de neutrons est donc égal à A-Z.

Schéma d’un atome :

Qu’appelle-t-on élément, nucléide et isotopes ?

Un élément chimique est l’ensemble des entités (atomes, ions ou noyaux) le même noyau.

Ex : Z = 92 correspond à l’élément uranium.

Un nucléide est l’ensemble des atomes (ou ions) possédant des noyaux identiques.

Il est caractérisé par les deux nombres A et Z.

On le note :

Ex : U235

92 correspond au nucléide uranium 235.

On appelle isotopes des nucléides qui ont : - le même nombre de nucléons,

- un nombre de protons différents.

Ex : L’élément carbone possède 3 isotopes : carbone 12 , carbone 13

, carbone 14

Rq : Deux isotopes ont des propriétés très différentes : l’un peut être stable alors que l’autre ne l’est pas.

La stabilité dépend donc du nombre de neutrons.

Ex : L’élément uranium possède 2 isotopes : l’uranium 235 fissile et l’uranium 238 non fissile !

Annexe 1 : Energie nucléaire et terminologie

𝑋𝑍𝐴

nb de nucléons

nb de protons

(= numéro atomique)

Symbole de l’élément

chimique

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M.Meyniel 4/4

Le pétrole brut est un mélange de très nombreuses espèces chimiques et donc n’est pas utilisable

directement. Il doit être distillé afin d’être séparé en différentes coupes exploitables ensuite.

Au laboratoire, le montage de distillation fractionnée permet d’illustrer le principe industriel en

séparant deux espèces chimiques d’un mélange liquide homogène.

Ci-dessous se trouve un schéma du montage.

Principe d’une distillation : - On porte à ébullition un mélange de deux liquides miscibles.

- Ils se forment des vapeurs qui montent le long de la colonne.

- En s’élevant dans la colonne, la température diminue donc l’espèce la moins volatile

(c’est-à-dire celle qui a la température d’ébullition la plus élevée, l’eau ici) se recondense et retombe dans le ballon.

- L’espèce la plus volatile passe dans le réfrigérant, se recondense à son contact pour

former le distillat dans l’éprouvette.

=> Ainsi, les deux espèces ont été séparées grâce à leur température d’ébullition différente.

L’espèce qui distille en premier étant celle qui a la température d’ébullition la plus faible, celle qui passe le

plus facilement à l’état gazeux, il s’agit ici de l’éthanol qu’on récupère donc au niveau du distillat, dans l’éprouvette

graduée.

Données : Températures d’ébullition : Téb(éthanol) = 78°C Téb(eau) = 100 °C

Schéma d’une distillation {eau-éthanol}

thermomètre

colonne à

distiller

potence

ballon

chauffe

-ballon

support

élévateur

mélange

{eau-éthanol}

réfrigérant

entrée

d’eau

sortie

d’eau

éprouvette

graduée

distillat

Annexe 2 : La distillation fractionnée

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Exemples Temps de formation Temps

d’exploitation Inconvénients

Ressources

non

renouvelables

* Ressource fossile :

- pétrole

- charbon

- gaz naturel

* Ressource fissile :

- uranium

* Plusieurs dizaines de

millions d’années

(décomposition de la

matière organique)

* Pas de formation (formé

avec la Terre)

quelques siècles

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Formation de déchets

radioactifs par les réactions

de fission nucléaire

Ressources

renouvelables

* Biomasse (bois, biogaz,

agrocarburant)

* hydraulique (barrage, marées)

éolien (vent)

géothermie (chaleur Terre)

rayonnement solaire

* Quelques années

* Renouvellement permanent

infinie

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Ressources pas toujours

disponibles selon le temps et

le lieu.

Exemples Temps de formation Temps

d’exploitation Inconvénients

Ressources

non

renouvelables

* Ressource fossile :

- pétrole

- charbon

- gaz naturel

* Ressource fissile :

- uranium

* Plusieurs dizaines de

millions d’années

(décomposition de la

matière organique)

* Pas de formation (formé

avec la Terre)

quelques siècles

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Formation de déchets

radioactifs par les réactions

de fission nucléaire

Ressources

renouvelables

* Biomasse (bois, biogaz,

agrocarburant)

* hydraulique (barrage, marées)

éolien (vent)

géothermie (chaleur Terre)

rayonnement solaire

* Quelques années

* Renouvellement permanent

infinie

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Ressources pas toujours

disponibles selon le temps et

le lieu.

Exemples Temps de formation Temps

d’exploitation Inconvénients

Ressources

non

renouvelables

* Ressource fossile :

- pétrole

- charbon

- gaz naturel

* Ressource fissile :

- uranium

* Plusieurs dizaines de

millions d’années

(décomposition de la

matière organique)

* Pas de formation (formé

avec la Terre)

quelques siècles

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Formation de déchets

radioactifs par les réactions

de fission nucléaire

Ressources

renouvelables

* Biomasse (bois, biogaz,

agrocarburant)

* hydraulique (barrage, marées)

éolien (vent)

géothermie (chaleur Terre)

rayonnement solaire

* Quelques années

* Renouvellement permanent

infinie

* Formation de dioxyde de

carbone CO2 (gaz à effet de

serre) par combustion

* Ressources pas toujours

disponibles selon le temps et

le lieu.