Exercices — Une diversité de sources d'énergie utilisables par l'Humanité

1. On compare la durée de formation de la source et la durée prévisible de son épuisement du fait de son exploitation. Si la source se reforme au moins aussi vite qu’on la consomme, elle est renouvelable ; si elle se reforme infiniment plus lentement qu’on ne la consomme, elle est non renouvelable à l’échelle des temps de l’humanité.

2.

• Renouvelables : le vent, le bois (biomasse), l’énergie hydraulique ;
• Non renouvelables : le pétrole, le charbon, le gaz naturel (les trois combustibles fossiles).

3. Toutes ! Le bois vient de la photosynthèse actuelle ; les combustibles fossiles de la photosynthèse du passé ; le vent vient du chauffage inégal de l’atmosphère par le Soleil ; l’hydraulique vient de l’évaporation de l’eau (par le Soleil) qui retombe en pluie et alimente les rivières.

Réflexe à retenir : « renouvelable » est une question de vitesse comparée (formation contre consommation), pas une question de prix, de propreté ou de modernité.

1. Il y a 300 millions d’années, des végétaux ont capté l’énergie solaire par photosynthèse et fabriqué de la matière organique. À leur mort, cette matière a été enfouie à l’abri de l’air, puis lentement transformée en charbon. L’énergie chimique du charbon est donc de l’énergie solaire stockée il y a très longtemps.

2. On calcule le rapport des deux durées :

$\frac{300\ \text{millions d'années}}{300\ \text{ans}} = \frac{3 \times 10^{8}}{3 \times 10^{2}} = 10^{6}$

Le charbon se forme un million de fois plus lentement qu’on ne le consomme : il est donc non renouvelable à l’échelle humaine. Ce simple quotient contient tout l’argument.

3. En se formant, le charbon a retiré du dioxyde de carbone de l’atmosphère (fixé par photosynthèse) sur des millions d’années. En le brûlant en quelques siècles, on rejette ce carbone un million de fois plus vite qu’il n’a été fixé : la fixation du CO₂ et son rejet ne s’équilibrent plus, et le CO₂ s’accumule dans l’atmosphère.

Réflexe à retenir : le déséquilibre climatique lié aux fossiles est d’abord un problème d’échelles de temps — formation très lente, combustion très rapide.

1. Le fioul : chaque kilogramme libère $42\ \text{MJ}$, presque le triple du bois. C’est d’ailleurs l’une des raisons du succès historique du pétrole, notamment dans les transports.

2. On cherche la masse $m$ de bois telle que $15 \times m = 42$ :

$m = \frac{42}{15} = 2{,}8\ \text{kg}$

Il faut environ 2,8 kg de bois pour remplacer 1 kg de fioul.

3. Le pouvoir calorifique ne dit pas tout : le bois est de la biomasse renouvelable (une forêt gérée repousse en quelques dizaines d’années), alors que le fioul est fossile et non renouvelable. De plus, le carbone rejeté par la combustion du bois a été fixé récemment par photosynthèse, alors que celui du fioul était stocké depuis des millions d’années. Atouts et limites doivent donc être étudiés ensemble : densité d’énergie d’un côté, renouvelabilité de l’autre.

Réflexe à retenir : un pouvoir calorifique est une grandeur quotient (énergie ÷ masse). Il sert à comparer des combustibles à masse égale, mais ne suffit jamais seul à juger une source d’énergie.

1. Le vent est dû au chauffage inégal de l’atmosphère par le Soleil (l’air chaud monte, l’air froid le remplace). L’énergie éolienne est donc indirectement issue de l’énergie solaire — et comme le Soleil renouvelle le vent en permanence, elle est renouvelable.

2. Avec $P = 2\,000\ \text{kW}$ et $t = 24\ \text{h}$ :

$E = P \times t = 2\,000 \times 24 = 48\,000\ \text{kWh}$

3. On divise par la consommation d’un foyer :

$\frac{48\,000}{10} = 4\,800\ \text{foyers}$

Une seule éolienne peut couvrir la consommation électrique quotidienne d’environ 4 800 foyers — quand elle tourne à sa puissance moyenne.

4. Atout : source renouvelable, qui ne rejette pas de CO₂ pendant son fonctionnement. Limites : production intermittente (pas de vent, pas d’électricité — il faut stocker ou compléter avec d’autres sources) ; impacts de fabrication et d’installation (matériaux, emprise au sol, paysage, faune).

Réflexe à retenir : pour les calculs d’énergie du quotidien, l’unité pratique est le kWh avec $E = P \times t$ (puissance en kW, durée en heures). Garde les joules pour la physique de laboratoire.