Rendement et biomasse de la photosynthèse

La photosynthèse est modélisée par $6\,CO_2 + 6\,H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\,O_2$.

1. a) Vérifier que l'équation est équilibrée.
2. b) Indiquer la forme d'énergie reçue par la plante et celle stockée dans le glucose.

Une feuille reçoit une énergie lumineuse de 500 kJ et en stocke 6,0 kJ sous forme chimique.

1. a) Définir le rendement de la photosynthèse.
2. 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 grain et la paille 0,08 kWh·m$^{-2}$ d'énergie chimique chaque jour de croissance utile, pendant 150 jours.

1. a) Calculer l'énergie chimique stockée par m$^2$ sur la saison.
2. b) Calculer le rendement annuel de conversion.
3. c) Calculer l'énergie stockée sur un champ de 20 ha ($1$ ha $= 10^4$ m$^2$), en MWh.

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$^{-2}$.

1. a) Calculer l'énergie stockée par m$^2$ et par an.
2. b) Calculer le rendement de la forêt.
3. c) Comparer à un panneau photovoltaïque de rendement 18 % et discuter l'intérêt de chaque filière pour produire de l'énergie utilisable.
4. d) Proposer deux raisons qui expliquent le faible rendement de la photosynthèse.

La combustion du glucose libère environ 2 800 kJ par mole. Sa masse molaire est $M = 180$ g·mol$^{-1}$.

1. a) Calculer l'énergie libérée par la combustion de 1,0 kg de glucose.
2. 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.
3. 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 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$^{-1}$).

1. a) Calculer le bilan net de carbone stocké par la forêt par hectare et par an.
2. b) Calculer la masse de $CO_2$ correspondante.
3. c) Calculer la surface forestière nécessaire pour compenser les émissions d'un habitant.
4. d) Discuter les limites de la compensation par plantation d'arbres.

Le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont des combustibles fossiles.

1. a) Indiquer leur origine à partir de la photosynthèse.
2. b) Expliquer pourquoi on peut dire qu'ils stockent de l'énergie solaire.

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.

1. a) Calculer l'énergie contenue dans un litre de pétrole.
2. b) Un Français consomme en moyenne 1 000 L de pétrole par an (tous usages). Calculer la masse de biomasse initiale correspondante.
3. c) Commenter la comparaison entre durée de formation des combustibles fossiles et rythme de consommation.

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.

1. a) Calculer l'énergie contenue dans l'huile produite.
2. b) Calculer le rendement solaire brut de la filière.
3. c) Calculer le bilan énergétique net et le rapport énergie produite/énergie consommée.
4. d) Discuter l'intérêt et les limites de ce biocarburant par rapport aux combustibles fossiles.