Énergie, choix de développement et futur climatique - Maxicours

Énergie, choix de développement et futur climatique

Objectifs
  • Comprendre la répartition et l’évolution de la consommation énergétique dans le monde, à différentes échelles.
  • Identifier et expliquer les conséquences sur la santé de certains polluants atmosphériques.
  • Analyser l’empreinte carbone de différentes activités humaines et proposer des comportements pour la minimiser ou la compenser.
Points clés
  • L’énergie utilisée dans le monde provient d’une diversité de ressources, parmi lesquelles les combustibles fossiles dominent.
  • La consommation des combustibles fossiles est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus.
  • La combustion de combustibles fossiles et de biomasse libère du dioxyde de carbone ainsi que des aérosols et d’autres substances, qui affectent la qualité de l’air respiré et la santé.
  • L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.
  • Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de gaz à effet de serre émise dans le futur et évaluent les changements prévisibles sur les écosystèmes ainsi que sur les êtres vivants.
  • Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision.
Pour bien comprendre

On distingue plusieurs types d’énergie :

  • l’énergie fossile (= énergie non renouvelable), qui est une énergie libérée par la combustion du charbon, du pétrole, du gaz naturel ;
  • l’énergie nucléaire, qui est formée grâce à une réaction nucléaire utilisant de l’uranium ;
  • l’énergie renouvelable, qui est produite à partir de ressources considérées comme inépuisables : le soleil, les éoliennes, la géothermie, les marées, etc.
1. La consommation énergétique à différentes échelles
a. Les différentes unités de l'énergie

L’unité officielle de l’énergie est le joule, mais on peut utiliser d’autres unités selon le type d’énergie.

  • Pétrole : tonne d’équivalent pétrole (tep).
  • Charbon : tonne d’équivalent charbon (tec).
  • Électricité : kilowatt-heure (kWh).
Remarques
  • La tonne d’équivalent pétrole est l’énergie thermique fournie par la combustion d’une tonne de pétrole.
  • Le kilowatt-heure (kWh) correspond à l’énergie consommée par un appareil de 1000 watts de puissance (= 1 kW) pendant une durée d’une heure.

Pour mesurer l'énergie produite à l'échelle mondiale, il est courant d’utiliser des préfixes pour indiquer les multiples.

Préfixe kilo (K) méga (M) giga (G) téra (T) péta (P)
Multiple 103 106 109 1012 1015

Afin de comparer les unités de base (le joule, le Mtep ou le kWh), il existe des coefficients de conversion.

Unité 1 kWh 1 tep
Conversion en joules 1 kWh = 3,6 × 106 J 1 tep = 4,2 × 1010  J
b. La diversité des ressources d'énergie primaire

L’énergie consommée par l’utilisateur est produite à partir d’une énergie primaire.

L’énergie primaire est une énergie disponible dans l’environnement, qui est directement exploitable.

Il est possible de convertir une énergie primaire (comme le gaz) en énergie secondaire (comme l’électricité).

Les énergies primaires utilisées dans le monde proviennent d’une diversité de sources d’énergie, de stock ou de flux.

  • L’énergie de stock est stockée dans des gisements et elle est non renouvelable à l’échelle humaine (combustibles fossiles, uranium).
  • L’énergie de flux est non stockable et elle est renouvelable : elle est formée grâce aux mouvements de matière comme l’air ou l’eau, grâce aux rayonnements solaires ou encore grâce à la géothermie.
c. L'évolution de la consommation énergétique

La consommation d’énergie primaire est très inégalement répartie selon la richesse des pays et des individus.

Les pays dits développés (majoritairement dans l’hémisphère nord) sont les plus gros consommateurs d’énergie par habitant et les pays en voie d’émergence (majoritairement dans l’hémisphère sud) sont les moins consommateurs.

La consommation d’énergie primaire mondiale a plus que doublé depuis 1973. Cette croissance est directement liée au modèle industriel de production et de consommation des sociétés.

Les pays émergents, comme la Chine par exemple, consomment de plus en plus d’énergie et le charbon est souvent l’une des principales sources d’énergie de ces pays.

d. La répartition de la consommation d'énergie et son utilisation
À l’échelle mondiale

À l’échelle mondiale, l’utilisation des combustibles fossiles domine (85,2 % de l’énergie totale, soit 11 511 Mtep en 2017).

En moyenne mondiale, l’énergie primaire est utilisée de manière égale par le secteur industriel, les transports, le secteur de l’habitat et dans une moindre mesure par le secteur agricole.

À l’échelle d’un pays

À l’échelle d’un pays, la répartition de la consommation par type d’énergie peut varier en fonction des équipements du pays, de ses ressources, des besoins des populations, etc.

Exemple
En France, la part des combustibles fossiles (gaz, charbon, pétrole) atteint 48,6 % en 2017, contre 85,2 % à l’échelle mondiale ; la part du nucléaire est toutefois bien plus importante : 40 % contre 4,5 % à l’échelle mondiale.
À l’échelle individuelle

À l’échelle individuelle, on consomme principalement de l’énergie électrique, qui est une énergie dite secondaire.

La répartition de la consommation d’électricité varie fortement d’un foyer à un autre, car elle dépend des équipements électriques du logement, de leur entretien ainsi que des pratiques individuelles du foyer.


Répartition de la consommation d’électricité par les Français
selon le type d’utilisation en 2018

Les principales utilisations de l’électricité par les français dans leur foyer sont le chauffage, la cuisine et l’eau chaude.

Remarque
En 2015, on estime la consommation annuelle moyenne d’un ménage en France pour les usages domestiques à 5000 KWh.
2. Les conséquences de l'utilisation des combustibles fossiles
a. La combustion des énergies fossiles

La consommation mondiale d’énergie fait majoritairement appel aux combustibles fossiles, qui sont la principale cause du réchauffement climatique.

Un combustible fossile est un combustible non renouvelable : il contient essentiellement du carbone et provient des couches souterraines, enfouies depuis des millions d’années.
b. Le principe de la combustion
La combustion est une réaction chimique réalisée à partir d’un combustible (c’est le corps qui brule) et d’un comburant (c’est le corps qui aide à bruler). Le comburant est généralement le dioxygène O2.

Cette réaction nécessite un apport d’énergie pour se produire : c’est l’énergie d’activation.

L’absence de l’un de ces trois éléments empêche la combustion de se réaliser.

Exemple d’utilisation
Les centrales thermiques à flamme produisent de l’énergie électrique grâce à la chaleur dégagée par la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz.

Quand il y a assez de dioxygène (excès), on dit que la combustion est complète. Les éléments carbone C, hydrogène H et parfois oxygène O réagissent entièrement et la réaction de combustion produit du dioxyde de carbone CO2 et de l’eau H2O sous forme gazeuse.

c. Calculer la masse de CO2 produite par unité d'énergie dégagée pour différents combustibles

Il est intéressant de comparer la masse de CO2 produite par unité d’énergie dégagée pour différents combustibles, afin de comparer leur impact sur l’environnement.

En connaissant l’équation de la réaction de combustion du combustible, sa masse atomique et l’énergie massique qu’il dégage, on peut évaluer :

  • la masse de CO2 produite par kg de combustible brulé ;
  • la masse de CO2 produite par unité d’énergie dégagée (en joules) pour un combustible.
L’énergie massique, ou pouvoir calorifique, correspond à l’énergie thermique libérée par la combustion de 1 kg de ce combustible.
L’énergie massique se note L et peut s’exprimer en KJ/kg ou en KWh/kg.
MÉTHODE
Étape 1 – Déterminer le nombre de molécules Ncombustible de combustible dans 1 g

Il faut appliquer la formule suivante.

avec :
  • Ncombustible le nombre de molécules de combustible dans 1 g, sans unité
  • mcombustible la masse de combustible brulé, en grammes : mcombustible = 1 gramme
  • Mcombustible la masse atomique de la molécule du combustible brulé, en grammes
Rappels
En seconde, on a vu que la quantité de matière en moles (n) est proportionnelle au nombre de molécules (N).
 N = n × NA avec :
  • N le nombre de molécules, sans unité
  • n la quantité de matière, en moles (mol)
  • NA le nombre d'Avogadro : NA = 6,02 × 1023 mol1
Exemple – Le combustible méthane (CH4)
Données 
  • Masse atomique d’une molécule de CH4 : 2,67 × 1023 g
  • Masse de combustible brulé : 1 g

3,75 × 1022 molécules de méthane sont contenues dans 1 gramme de méthane.
Étape 2 – Déterminer la masse mCO2 (1 g) de CO2  produite pour 1 g du combustible brulé

Grâce à l’étude de l’équation de la réaction chimique qui est fournie, on cherche le nombre NCO2 de molécules de CO2 produites pour une molécule de combustible brulé.

On peut alors déterminer la masse mCO2 (1 g) de CO2 produite pour 1 g de combustible brulé, en appliquant la formule suivante.

avec :
  • mCO2 (1 g) la masse de CO2 produite pour 1 g de combustible brulé, en grammes (g)
  • NCO2 le nombre de molécules de CO2 pour 1 g de combustible brulé, sans unité
  • MCO2 la masse atomique d’une molécule de CO2, en grammes (g)
Exemple – Le combustible méthane (CH4)
Données
  • 3,75 × 1022 molécules de méthane sont contenues dans 1 gramme de méthane
  • Équation de la réaction chimique de combustion complète du méthane :

    CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O

  • Masse atomique d’une molécule de CO2 : 7,31 × 1023 g

D’après l’équation de la réaction chimique, pour 1 molécule de méthane brulé, on obtient 1 molécule de CO2  produite.

On peut donc déterminer la masse de CO2 produite pour 1 g de méthane brulé en réalisant le calcul suivant.

Pour 1 g de méthane brulé, 2,74 g de CO2 sont produits ;
donc pour 1 kg de méthane brulé, 2,74 kg de CO2 sont produits (et rejetés dans l’atmosphère).

Étape 3 – Déterminer la masse mCO2 (unité) de CO2 produite par unité d’énergie dégagée (en J) pour le combustible étudié

Il faut appliquer la formule suivante. 

avec :
  • mCO2 (unité) la masse de CO2 produite par unité d’énergie dégagée pour le combustible étudié, en grammes (g)
  • mCO2 (1 g) la masse de CO2 produite pour 1 g de combustible brulé, en grammes (g)
  • L l’énergie massique dégagée pour 1 g de combustible brulé, en joules (J)
Exemple – Le combustible méthane (CH4)
Données
  • Énergie massique dégagée pour 1 g de CH4 brulé = 50 000 J
  • 2,74 g de CO2 sont produits pour 1 g de CH4 brulé

La masse de CO2 produite par joule est égale à 5,5 × 105 g dans le cas de la combustion d’un gramme de méthane.
d. Conséquences : pollution de l'air et impacts sur la santé
Pollution de l’air

90 % de la pollution atmosphérique est causée par les activités humaines (industries, transports, centrales thermiques, chauffage domestique, incinération des ordures ménagères, etc.).

La combustion de ressources fossiles et de biomasse libère du CO2 et d’autres polluants atmosphériques, dits polluants primaires, comme :

  • le monoxyde d’azote (NO) ;
  • le dioxyde d’azote (NO2) ;
  • le dioxyde de soufre (SO2) ;
  • la suie ;
  • des particules fines ;
  • des aérosols.

Des polluants secondaires se forment à cause de réactions chimiques entre certains gaz dans l’atmosphère : l’ozone O3 en est un exemple.

Impacts sur la santé

Une étude épidémiologique a permis de montrer que la présence de polluants atmosphériques est un réel danger sur notre santé, avec un risque de mortalité plus élevé.

Une étude épidémiologique étudie les problèmes de santé dans les populations humaines, leur fréquence, leur distribution dans le temps et dans l’espace ainsi que les facteurs à risque.

Chaque jour, environ 12 000 L d’air transitent en effet par nos voies respiratoires et la pollution de cet air a un fort impact sur notre santé.

Remarque
La pollution de l’air est aujourd’hui considérée comme la première cause environnementale de mort prématurée dans le monde.

Les particules fines ou PM (particulate matter) peuvent être classées par taille :

  • les particules grossières (un diamètre entre 2,5 μm et 10 μm), qui sont générées par l’agriculture, le trafic routier, etc. ;
  • les particules plus petites (un diamètre inférieur à 2,5 μm), qui sont générées par combustion de ressources fossiles.

Le tableau suivant présente les effets des particules fines sur l’organisme.

Organe/système touché Pathologies
Poumons Pathologies respiratoires : asthme, toux, bronchite, cancer des poumons, troubles allergiques
Système cardiovasculaire Accident vasculaire cérébral, infarctus, angines de poitrine
Système reproducteur Baisse de la fertilité, augmentation de la prématurité
Muqueuses (yeux, gorge, nez, etc.) Irritations oculaires, gorge qui pique, toux

Les autres polluants comme SO2, NO et NO2 altèrent aussi les fonctions respiratoires et les muqueuses.

Remarque
Les enfants sont les plus fragiles face aux particules fines car ils respirent vite et ont un système respiratoire moins mature. Les asthmatiques et les allergiques sont également qualifiés de personnes fragiles, à risque.

En France, les particules grossières causent 48 000 décès par an.

3. L'empreinte carbone des activités humaines
a. L'empreinte carbone
Principe

Presque toutes nos activités sont responsables de l’émission dans l’atmosphère de gaz à effet de serre (GES), notamment le CO2, et ce phénomène se nomme « l’empreinte carbone ».

L’empreinte carbone d’une activité ou d’une personne est la masse de CO2 produite directement ou indirectement par sa consommation d’énergie et/ou de matière première.

On estime l’empreinte carbone moyenne d’un français à 12 tonnes de CO2 par an.

L’empreinte carbone varie en fonction des secteurs d’activité.

Exemple – Dans le secteur du transport

Le transport est un secteur qui rejette une grosse quantité de gaz à effet de serre, dont le CO2, dans l’atmosphère.

L’empreinte carbone varie énormément en fonction du mode de transport.

Le tableau ci-dessous présente les quantités d’émission de CO2 par personne (en grammes par kilomètre parcouru) en fonction du mode de transport utilisé.

Mode de transport Vélo, marcher TGV Bus Avion
(trajet supérieur à 1000 km)
Voiture
Émission de CO2 par personne
(en g/km parcouru)
0 5 65 160 250

La voiture est responsable de plus de la moitié des émissions totales de CO2 causées par les transports. Elle reste néanmoins le moyen privilégié de déplacement en France.

b. Minimiser ou compenser notre empreinte carbone
Principe

Le rejet de CO2 est en grande partie lié à nos activités (se déplacer, s’alimenter, se chauffer, utiliser l’électricité pour les appareils électroménagers, etc.), il faut donc adopter certains comportements afin de minimiser ou de compenser notre empreinte carbone.

  • Emprunter les transports en commun ou faire du covoiturage.
  • Privilégier le train à l’avion pour les voyages de moins de 1000 km.
  • Privilégier une alimentation végétale et acheter localement des fruits et légumes de saison (cela réduit les transports).
  • Réduire sa consommation de viande.
  • Réduire sa consommation électrique à la maison (baisser le thermostat de 1 °C, changer ses ampoules classiques pour des ampoules à basse consommation, éteindre complètement les appareils électroménagers quand on ne les utilise pas, etc.).
  • Boire de l’eau du robinet (cela évite le conditionnement en plastique, le transport des bouteilles et leur recyclage).
  • Planter un arbre.
Exemple – L’achat d’une voiture électrique

Une solution souvent citée pour limiter notre empreinte carbone est de se tourner vers l’achat d’une voiture électrique.

Est-ce vraiment une solution écologique ?

Pour le savoir, il est important de comparer l’impact d’une voiture à moteur à essence (voiture thermique) ou à moteur électrique sur le rejet de CO2 dans l’atmosphère, en prenant en compte l’ensemble de leur cycle de vie.

Les voitures électriques et thermiques contribuent au rejet de CO2 dans l’atmosphère de manière différente en fonction de leur cycle de vie.

  • Durant la phase de fabrication, le rejet de CO2 est plus fort dans le cas des voitures électriques car la production de la batterie nécessite une forte consommation d’énergie fossile. L’extraction de métaux rares comme le lithium implique le rejet de substances polluantes.
  • Si la voiture parcourt durant son cycle de vie plus de 50 000 km, la voiture électrique présente un réel gain environnemental car il y a moins de rejet de CO2 dans l’atmosphère.

Voici un tableau qui compare l'émission en tonnes d’équivalent CO2 pour le cycle de vie d’une voiture thermique ou électrique parcourant 100 000 km, en France.

Type de véhicule qui parcourt
une distance de 100 000 km
Émission
(en tonnes d’équivalent CO2)
Voiture thermique Entre 14 et 21 tonnes
Voiture électrique Entre 8 et 12 tonnes

En faisant le bilan sur son cycle de vie, même si la voiture électrique semble plus écologique, il faut également prendre en compte l’origine de l’électricité qui est utilisée pour la recharger.

Si cette électricité est décarbonée (c’est le cas en France car la majorité de l'électricité ne provient pas de combustibles fossiles mais de centrales nucléaires), le gain environnemental est important.

Mais si ce n’est pas le cas (exemple de l’Allemagne qui produit la majeure partie de son électricité grâce à des centrales thermiques alimentées au charbon), le gain environnemental sera plus limité.

Le gain environnemental est le bénéfice pour l’environnement, par exemple grâce à un rejet moins important de gaz à effet de serre (GES).
Il est essentiel d’identifier, pour toute activité, individuelle ou collective, ou tout produit, l’impact sur la production de gaz à effet de serre.
4. Vers une transition écologique
a. Scénarios d'évolution en fonction de la concentration en GES

Les rejets de GES, notamment le CO2, ne cessent de croitre et cela impacte notre climat : la température de la Terre augmente.

Les modèles climatiques, nombreux et indépendants, sont des modélisations mathématiques du climat qui réalisent des projections climatiques en faisant des hypothèses sur les quantités de GES émises.

Tous les modèles climatiques s’accordent à dire que la température moyenne augmentera d’ici 2100. Les valeurs chiffrées de chaque modèle diffèrent juste légèrement.

Les scénarios de changement climatique prévoient une augmentation de la température sur Terre d'entre +°C et +°C pour 2100.

Les scénarios de transition écologique font différentes hypothèses sur la quantité de GES émise dans le futur. Cela nous permet d’en déduire les températures qui pourraient régner sur notre planète.
b. Les impacts sur les écosystèmes et les êtres humains
Les scénarios de transition écologique permettent également d’évaluer les changements prévisibles, qui affectent les écosystèmes et les conditions de vie des êtres humains, principalement les plus fragiles.

Le dernier rapport du GIEC, en 2019, nous en donne quelques exemples.

Remarque
Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) mesure l’état des connaissances sur l’évolution du climat, ses causes, ses impacts.
Une perte de biodiversité

Des espèces pourraient s’éteindre. Le dernier rapport du GIEC estime qu’en cas de forte augmentation de température, jusqu'à 50 % des espèces marines dans certaines zones pourraient disparaitre, ainsi que 8 % des vertébrés si la température augmente de 2 °C.

Une élévation du niveau de la mer

Évaluée entre 45 cm et 110 cm, cette élévation du niveau de la mer provoquera la disparition des récifs coralliens et de leur écosystème, la submersion de certaines iles, la perte d’une partie du littoral (les millions de personnes qui y vivent vont devoir se déplacer), etc.

Une augmentation du nombre d'événements météorologiques extrêmes

Tempêtes, ouragans, inondations et sécheresses seront des événements météorologiques violents encore plus fréquents.

Un impact sur les végétaux et la photosynthèse

La photosynthèse devrait théoriquement être plus importante si le taux de CO2 atmosphérique augmente (car le CO2 est un gaz indispensable à sa réalisation). Les végétaux permettraient donc d’absorber le surplus de CO2 émis par les activités humaines.

Des scientifiques ont cependant récemment mis en évidence que les bouleversements climatiques importants (sécheresses, vagues de chaleur, etc.) stressent les végétaux, perturbent la photosynthèse et ralentissent leur croissance.

Exemple
Si la température augmente de 2 °C, notamment en Afrique subsaharienne, en Asie du Sud-Est et en Amérique latine, cela aura un impact sur le rendement des cultures.
Perte de fertilité des sols

La montée des eaux entrainera une hausse de la salinisation des terres, ce qui est néfaste pour leur fertilité.

c. Des prises de décision indispensables

Les projections fournies par les modèles permettent de définir les aléas et peuvent orienter les prises de décision.

L’objectif de l’accord de Paris signé par 195 pays, suite à la COP21 de 2015, est de limiter le réchauffement à un maximum de 2 °C et si possible à 1,5 °C.

Nous ne sommes actuellement pas sur la bonne voie puisque les engagements actuels de réduction des émissions pris conduiraient plutôt à un réchauffement de 3 à 4 °C d’ici la fin de ce siècle.

La transition écologique passe donc par des décisions politiques qui permettront des changements indispensables.

Exemples de décision politique
  • Réduire la consommation mondiale en énergie, en matières premières et en nourriture : réduire la consommation de viande, réduire les transports, réduire les besoins de chauffage (améliorer l’isolation des bâtiments).
  • Réduire la déforestation (qui représente 12 % des émissions de CO2).
  • Transformer l’offre énergétique mondiale : les énergies renouvelables doivent monter en puissance et fournir entre la moitié et les deux tiers de l’énergie primaire en 2050.
Les différents scénarios de l’évolution globale du climat dépendent des stratégies que l’humanité mettra en œuvre.

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