Rendement et biomasse
En Beauce, un champ de blé reçoit du Soleil l'équivalent de plusieurs centaines de fois l'énergie contenue dans sa récolte. Où passe toute cette énergie ? Et pourquoi dit-on que l'essence de ta voiture est du « Soleil en bouteille » ? Dans cette page, tu vas chiffrer ce que la photosynthèse stocke vraiment, puis relier ce stockage au carbone et aux énergies que nous utilisons.
De l'énergie lumineuse à l'énergie chimique
La photosynthèse est une transformation chimique qui ne se produit qu'à la lumière. Les pigments chlorophylliens absorbent une partie du rayonnement solaire, et la cellule utilise cette énergie pour fabriquer de la matière organique.
L'équation bilan s'écrit :
$$6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\text{lumière}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$$Vérifions qu'elle est équilibrée : à gauche, 6 atomes de C, 12 de H et $6\times2+6 = 18$ de O. À droite, 6 de C, 12 de H et $6 + 12 = 18$ de O. Les atomes sont bien conservés.
Cette équation décrit la matière. Elle ne dit rien de l'énergie, qui est pourtant l'enjeu de la réaction :
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Entrée : de l'énergie lumineuse (rayonnement solaire).
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Sortie : de l'énergie chimique, stockée dans les liaisons du glucose, puis de l'amidon, de la cellulose, des lipides, etc. L'ensemble de cette matière organique est la biomasse.
L'énergie n'est pas créée : l'énergie lumineuse absorbée est convertie en énergie chimique, et le reste est perdu, surtout sous forme de chaleur.
Ce stockage dure parfois très longtemps. Il y a plusieurs centaines de millions d'années, de la matière organique issue de la photosynthèse (forêts, plancton) a été enfouie à l'abri de l'air. Elle s'est transformée lentement en charbon, pétrole et gaz naturel, les combustibles fossiles. Brûler ces combustibles libère l'énergie solaire captée autrefois.
La photosynthèse est modélisée par $6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$. a) Vérifier que l'équation est équilibrée. b) Indiquer la forme d'énergie reçue…
La photosynthèse est modélisée par $6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$.
- a) Vérifier que l'équation est équilibrée.
- b) Indiquer la forme d'énergie reçue par la plante et celle stockée dans le glucose.
Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des combustibles fossiles. a) Indiquer leur origine à partir de la photosynthèse. b) Expliquer pourquoi on peut dire qu'ils…
Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des combustibles fossiles.
- a) Indiquer leur origine à partir de la photosynthèse.
- b) Expliquer pourquoi on peut dire qu'ils stockent de l'énergie solaire.
Le rendement de la photosynthèse
Pour savoir quelle part de l'énergie solaire est réellement stockée, on calcule un rendement.
Les deux énergies doivent être exprimées dans la même unité. Le rendement est toujours compris entre 0 et 1 (entre 0 % et 100 %), car on ne peut pas stocker plus d'énergie qu'on n'en reçoit.
Les rendements réels sont faibles. Sur une année, un champ cultivé convertit en général de l'ordre de 1 % de l'énergie solaire reçue en biomasse. Voici un schéma de bilan (ordres de grandeur) :
Parmi les raisons de ce faible rendement :
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seule une partie du spectre solaire (lumière visible) est absorbée par les pigments, et une partie est réfléchie ou traverse la feuille ;
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la plante consomme une partie de ce qu'elle produit pour vivre (respiration) ;
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des facteurs limitants (eau, température, dioxyde de carbone, minéraux) ralentissent la production, et la saison de croissance est courte.
Une feuille reçoit une énergie lumineuse de 500 kJ et en stocke 6,0 kJ sous forme chimique. a) Définir le rendement de la photosynthèse. b) Calculer ce rendement en…
Une feuille reçoit une énergie lumineuse de 500 kJ et en stocke 6,0 kJ sous forme chimique.
- a) Définir le rendement de la photosynthèse.
- b) Calculer ce rendement en pourcentage.
Un champ de blé en Beauce reçoit en moyenne 1 100 kWh·m$^{-2}$ d'énergie solaire par an (énergie solaire reçue sur toute l'année). La biomasse produite stocke dans le…
Un champ de blé en Beauce reçoit en moyenne 1 100 kWh·m$^{-2}$ d'énergie solaire par an (énergie solaire reçue sur toute l'année). La biomasse produite stocke dans le grain et la paille 0,08 kWh·m$^{-2}$ d'énergie chimique chaque jour de croissance utile, pendant 150 jours.
- a) Calculer l'énergie chimique stockée par m$^2$ sur la saison.
- b) Calculer le rendement annuel de conversion.
- c) Calculer l'énergie stockée sur un champ de 20 ha ($1$ ha $= 10^4$ m$^2$), en MWh.
Biomasse et bilan du carbone
La photosynthèse ne stocke pas seulement de l'énergie : elle fixe aussi du carbone, pris au dioxyde de carbone de l'atmosphère. L'équation bilan permet de relier les quantités de matière.
Pour 1 mol de glucose produite, il faut 6 mol de $\mathrm{CO_2}$. Avec les masses molaires $M(\mathrm{C_6H_{12}O_6}) = 180\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$ et $M(\mathrm{CO_2}) = 44\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$, on passe des masses aux quantités de matière par $n = m/M$.
L'énergie libérée par la combustion (ou la respiration) du glucose est égale à l'énergie chimique stockée lors de sa synthèse : environ $2\,800\ \mathrm{kJ}$ par mole. La biomasse est donc une réserve d'énergie.
Bilan net d'un écosystème
Une forêt fixe du carbone par photosynthèse, mais elle en rejette aussi par la respiration des êtres vivants et par la décomposition de la matière organique. Le bilan net est la différence :
$$\text{carbone stocké net} = \text{carbone fixé} - \text{carbone rejeté}$$Si le bilan est positif, l'écosystème est un puits de carbone : il retire du carbone à l'atmosphère.
Pour passer de la masse de carbone à la masse de $\mathrm{CO_2}$ correspondante, on utilise le rapport des masses molaires : 1 mol de $\mathrm{CO_2}$ (44 g) contient 1 mol de carbone (12 g). Donc :
$$m(\mathrm{CO_2}) = m(\mathrm{C}) \times \frac{44}{12} \approx 3{,}67\, m(\mathrm{C})$$Par exemple, 1 t de carbone correspond à $\dfrac{44}{12} \approx 3{,}67\ \mathrm{t}$ de $\mathrm{CO_2}$.
La combustion du glucose libère environ 2 800 kJ par mole. Sa masse molaire est $M = 180$ g·mol$^{-1}$. a) Calculer l'énergie libérée par la combustion de 1,0 kg de…
La combustion du glucose libère environ 2 800 kJ par mole. Sa masse molaire est $M = 180$ g·mol$^{-1}$.
- a) Calculer l'énergie libérée par la combustion de 1,0 kg de glucose.
- b) La synthèse de 1 mol de glucose nécessite 6 mol de $CO_2$. Calculer la masse de $CO_2$ ($M = 44$ g·mol$^{-1}$) absorbée pour produire 1,0 kg de glucose.
- c) Commenter le rôle de la photosynthèse comme puits de carbone.
On étudie l'équilibre du carbone. Une forêt de 1 ha fixe 8,0 t de carbone par an par photosynthèse et en rejette 6,5 t par respiration et décomposition. Les émissions…
On étudie l'équilibre du carbone. Une forêt de 1 ha fixe 8,0 t de carbone par an par photosynthèse et en rejette 6,5 t par respiration et décomposition. Les émissions françaises de $CO_2$ sont d'environ 3,0 t de carbone par habitant et par an ($M_C = 12$ g·mol$^{-1}$, $M_{CO_2} = 44$ g·mol$^{-1}$).
- a) Calculer le bilan net de carbone stocké par la forêt par hectare et par an.
- b) Calculer la masse de $CO_2$ correspondante.
- c) Calculer la surface forestière nécessaire pour compenser les émissions d'un habitant.
- d) Discuter les limites de la compensation par plantation d'arbres.
Énergie de la biomasse et filières énergétiques
Les productions végétales sont des sources d'énergie, directement (bois), par transformation (biocarburants) ou sur des durées géologiques (combustibles fossiles). On compare ces filières à l'aide du pouvoir énergétique : l'énergie libérée par la combustion d'une unité de masse ou de volume (en $\mathrm{J\cdot kg^{-1}}$, $\mathrm{J\cdot g^{-1}}$ ou $\mathrm{J\cdot L^{-1}}$).
L'énergie contenue dans un échantillon est : $E = \text{pouvoir énergétique} \times \text{quantité}$.
Un panneau photovoltaïque produit de l'électricité avec un meilleur rendement, mais ne stocke pas d'énergie. La biomasse a un rendement plus faible, mais elle produit directement de la matière (aliments, bois, carburants) et stocke l'énergie sous forme chimique.
Les combustibles fossiles
Un combustible fossile est de la biomasse très ancienne. Il se forme en des millions d'années, alors que nous consommons les réserves en quelques décennies : c'est une ressource non renouvelable à l'échelle humaine. En brûlant, il rejette du dioxyde de carbone, stocké sous terre depuis très longtemps.
Les biocarburants
Un biocarburant est fabriqué à partir de biomasse récente (colza, betterave, canne à sucre…). Son carbone vient du $\mathrm{CO_2}$ capté par la plante peu de temps avant. Pour juger sa pertinence, on calcule :
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le rendement solaire brut : énergie contenue dans le carburant divisée par l'énergie solaire reçue par la surface cultivée ;
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le bilan énergétique net : énergie produite $-$ énergie consommée pour cultiver et transformer ;
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le rapport énergie produite / énergie consommée : s'il est inférieur à 1, la filière consomme plus d'énergie qu'elle n'en fournit.
Retour à la question du début : le champ de blé reçoit beaucoup d'énergie solaire, mais il n'en stocke qu'une petite fraction (de l'ordre de 1 % ou moins), car la plante n'utilise qu'une partie du rayonnement, en perd une autre en chaleur et en respiration, et subit des facteurs limitants. Et l'essence est du « Soleil en bouteille » parce qu'elle provient de la biomasse fossilisée, issue de la photosynthèse d'autrefois.
Le pétrole contient environ $4,2\times10^{7}$ J·kg$^{-1}$. Un litre de pétrole a une masse de 0,85 kg. On estime que la formation d'un litre de pétrole nécessite…
Le pétrole contient environ $4,2\times10^{7}$ J·kg$^{-1}$. Un litre de pétrole a une masse de 0,85 kg. On estime que la formation d'un litre de pétrole nécessite l'accumulation de biomasse équivalente à environ 23 tonnes de matière organique végétale initiale.
- a) Calculer l'énergie contenue dans un litre de pétrole.
- b) Un Français consomme en moyenne 1 000 L de pétrole par an (tous usages). Calculer la masse de biomasse initiale correspondante.
- c) Commenter la comparaison entre durée de formation des combustibles fossiles et rythme de consommation.
La production primaire nette d'une forêt tempérée est de 1 200 g de matière sèche par m$^2$ et par an, avec un pouvoir énergétique de 17 kJ·g$^{-1}$. L'éclairement…
La production primaire nette d'une forêt tempérée est de 1 200 g de matière sèche par m$^2$ et par an, avec un pouvoir énergétique de 17 kJ·g$^{-1}$. L'éclairement solaire annuel reçu est de $4,0\times10^{9}$ J·m$^{-2}$.
- a) Calculer l'énergie stockée par m$^2$ et par an.
- b) Calculer le rendement de la forêt.
- c) Comparer à un panneau photovoltaïque de rendement 18 % et discuter l'intérêt de chaque filière pour produire de l'énergie utilisable.
- d) Proposer deux raisons qui expliquent le faible rendement de la photosynthèse.
Un biocarburant est produit à partir de colza. Un hectare produit 3,5 t de graines par an, qui donnent 1 400 L d'huile de pouvoir énergétique $3,4\times10^{7}$…
Un biocarburant est produit à partir de colza. Un hectare produit 3,5 t de graines par an, qui donnent 1 400 L d'huile de pouvoir énergétique $3,4\times10^{7}$ J·L$^{-1}$. L'éclairement solaire annuel est $4,0\times10^{9}$ J·m$^{-2}$ (1 ha $= 10^4$ m$^2$). La culture et la transformation consomment $2,0\times10^{10}$ J par hectare et par an.
- a) Calculer l'énergie contenue dans l'huile produite.
- b) Calculer le rendement solaire brut de la filière.
- c) Calculer le bilan énergétique net et le rapport énergie produite/énergie consommée.
- d) Discuter l'intérêt et les limites de ce biocarburant par rapport aux combustibles fossiles.
L'essentiel
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La photosynthèse convertit de l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans la biomasse ; l'équation bilan est $6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O} \xrightarrow{\text{lumière}} \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2}$.
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Le rendement est $\eta = E_{\text{stockée}}/E_{\text{reçue}}$ (même unité au numérateur et au dénominateur). Pour la photosynthèse, il est faible : de l'ordre de 1 %.
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Le carbone fixé se calcule avec l'équation bilan ($n = m/M$, 6 mol de $\mathrm{CO_2}$ pour 1 mol de glucose). Pour passer de C à $\mathrm{CO_2}$, on multiplie par $44/12$.
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Le bilan net de carbone d'un écosystème est la différence entre le carbone fixé et le carbone rejeté ; s'il est positif, c'est un puits de carbone.
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Les combustibles fossiles sont de la biomasse ancienne : leur stock est épuisable. Un biocarburant se juge par son rendement solaire et par son bilan énergétique net.