Exercices: Production et usage responsable de l'énergie

Le mix électrique espagnol d'une année peut être approché ainsi : éolien $25\ \%$, nucléaire $20\ \%$, solaire $17\ \%$, centrales à cycle combiné au gaz $15\ \%$, hydraulique $12\ \%$ et autres sources $11\ \%$, comme le montre le graphique.

1. a) En considérant comme renouvelables l'éolien, le solaire et l'hydraulique, quel pourcentage de l'électricité espagnole était renouvelable ?
2. b) Vérifier que tous les pourcentages du mix totalisent $100\ \%$.

Classer ces sources d'énergie en renouvelables et non renouvelables, et justifier chaque choix : vent, charbon, uranium, Soleil, gaz naturel et biomasse.

Produire $1\ \text{kWh}$ d'électricité en Espagne émet en moyenne environ $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ dans l'atmosphère. Si un logement consomme $300\ \text{kWh}$ en un mois, combien de kilogrammes de $\text{CO}_2$ correspondent à cette consommation ?

Une ampoule LED de $10\ \text{W}$ donne la même lumière qu'une ampoule à incandescence de $60\ \text{W}$, comme le montre la figure.

1. a) Calculer l'énergie consommée par chacune si elles restent allumées $5\ \text{h}$, en $\text{kWh}$.
2. b) Laquelle des deux est la plus efficace ? Expliquer à l'aide des résultats.

Les appareils électroménagers portent une étiquette énergie avec des classes de A à G, comme le montre la figure.

1. a) Que signifie le fait qu'un réfrigérateur soit de classe A et un autre de classe G ?
2. b) Expliquer pourquoi il est judicieux de regarder cette étiquette avant d'acheter, même si l'appareil de classe A est plus cher.

Brûler un litre d'essence émet environ $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$. Si une voiture consomme un réservoir de $40\ \text{L}$, combien de kilogrammes de $\text{CO}_2$ a-t-elle émis ?

Citer deux avantages et deux inconvénients de l'énergie solaire photovoltaïque comme moyen de produire de l'électricité, et expliquer brièvement chacun.

Une installation de panneaux solaires coûte $4000\ \text{€}$ et fait économiser $500\ \text{€}$ par an sur la facture d'électricité. Le graphique montre l'investissement et l'économie cumulée :

Au bout de combien d'années l'installation est-elle amortie, c'est-à-dire que l'argent investi est récupéré grâce aux économies ?

La demande électrique annuelle de l'Espagne est d'environ $250\ \text{TWh}$. Avec le mix approximatif de l'année dernière (éolien $25\ \%$, solaire $17\ \%$) :

1. a) Combien de $\text{TWh}$ l'éolien a-t-il produits ?
2. b) Combien de $\text{TWh}$ le solaire a-t-il produits ?
3. c) Combien de $\text{TWh}$ les deux ont-ils produits ensemble ?

Un logement consomme $3200\ \text{kWh}$ d'électricité par an et le facteur d'émission du mix espagnol est de $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$.

1. a) Calculer les kilogrammes de $\text{CO}_2$ correspondant à cette consommation annuelle.
2. b) L'exprimer en tonnes.

Une voiture à essence consomme $6\ \text{L}$ pour $100\ \text{km}$ et parcourt $12000\ \text{km}$ par an. Brûler un litre d'essence émet $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$.

1. a) Combien de litres consomme-t-elle en un an ?
2. b) Combien de kilogrammes de $\text{CO}_2$ émet-elle en un an ? Exprimer aussi le résultat en tonnes, en arrondissant à un chiffre après la virgule.

Dans un immeuble, on remplace $10$ ampoules à incandescence de $60\ \text{W}$ par des LED de $9\ \text{W}$. Elles sont allumées $4\ \text{h}$ par jour pendant $365$ jours par an.

1. a) Combien de $\text{kWh}$ sont économisés en un an ? Arrondir à un chiffre après la virgule.
2. b) Si le prix est de $0,16\ \text{€/kWh}$, combien d'euros sont économisés par an ?

Pour un trajet de $400\ \text{km}$, on compare deux options par personne :

• Voiture à essence qui consomme $6\ \text{L}$ pour $100\ \text{km}$ et dans laquelle voyage une seule personne ($2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par litre).

• Train électrique qui consomme $12\ \text{kWh}$ par voyageur sur ce trajet ($0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$).

1. a) Calculer les émissions de $\text{CO}_2$ du trajet pour chaque option.
2. b) Combien de fois plus la voiture émet-elle que le train dans ce cas ? Arrondir à un chiffre après la virgule.

Un parc éolien a une puissance maximale de $100\ \text{MW}$, mais le vent ne souffle pas toujours de la même façon, donc son facteur de charge (pourcentage moyen par rapport à la puissance maximale) est de $30\ \%$, comme le montre le graphique.

1. a) Quelle est sa puissance moyenne ?
2. b) Quelle énergie produit-il en une journée, en $\text{MWh}$ ?

Une maison individuelle consomme $8000\ \text{kWh}$ de gaz naturel par an pour le chauffage. Le facteur d'émission du gaz naturel est de $0,20\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$.

1. a) Combien de kilogrammes de $\text{CO}_2$ ce chauffage émet-il par an ?
2. b) Si une bonne isolation réduit la consommation de $25\ \%$, combien de kilogrammes de $\text{CO}_2$ cessent d'être émis par an ?

Sur le toit d'une maison, on installe $6$ panneaux solaires de $450\ \text{W}$ chacun. Dans cette région, chaque kilowatt installé produit environ $1500\ \text{kWh}$ par an.

1. a) Quelle puissance totale, en kilowatts, représentent les panneaux ?
2. b) Combien de $\text{kWh}$ produisent-ils par an ?
3. c) Le logement consomme $3600\ \text{kWh}$ par an : les panneaux couvrent-ils cette consommation ? Quelle quantité d'énergie est en excédent ou manque ?

Une installation de panneaux solaires coûte $5000\ \text{€}$ et produit $4000\ \text{kWh}$ par an que la famille n'achète plus à $0,16\ \text{€/kWh}$.

1. a) Combien d'euros économise-t-elle par an ?
2. b) Au bout de combien d'années l'installation est-elle amortie ? Arrondir à un chiffre après la virgule.
3. c) Si une subvention paie $30\ \%$ de l'installation, que devient la durée d'amortissement ?
4. d) Les panneaux durent environ $25\ \text{ans}$. Combien d'argent auront-ils fait économiser au total sur cette durée (sans subvention) ? Commenter si l'investissement en vaut la peine.

Une centrale nucléaire de $1000\ \text{MW}$ de puissance fonctionne $8000\ \text{h}$ par an.

1. a) Quelle énergie électrique produit-elle en un an, en $\text{MWh}$ ? L'exprimer aussi en $\text{TWh}$.
2. b) Si cette même énergie était produite en brûlant du gaz, qui émet $0,45\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$, combien de tonnes de $\text{CO}_2$ seraient émises ? Le nucléaire n'émet pratiquement pas de $\text{CO}_2$ en fonctionnement : combien de tonnes évite-t-il par an par rapport au gaz ?
3. c) Exposer deux avantages et deux problèmes de l'énergie nucléaire, et terminer en donnant un avis argumenté sur la place qu'elle doit occuper dans le mix électrique.

On compare une voiture à essence ($6\ \text{L}$ pour $100\ \text{km}$ ; $2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par litre) à une voiture électrique ($16\ \text{kWh}$ pour $100\ \text{km}$ ; $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$ avec le mix espagnol actuel).

Le graphique montre le $\text{CO}_2$ cumulé de chaque voiture en fonction des kilomètres parcourus :

1. a) Calculer les kilogrammes de $\text{CO}_2$ pour $100\ \text{km}$ de chaque voiture.
2. b) Combien de kilogrammes chacune émet-elle par an si elles parcourent $15000\ \text{km}$ ?
3. c) Fabriquer la batterie de la voiture électrique émet environ $6000\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ de plus que fabriquer celle à essence. En utilisant l'économie d'émissions pour $100\ \text{km}$, calculer à partir de combien de kilomètres la voiture électrique a déjà compensé la fabrication de sa batterie. Arrondir au millier.
4. d) À partir de ces résultats, rédiger un court paragraphe expliquant dans quels cas la voiture électrique vaut la peine du point de vue des émissions.

Dans le mix électrique espagnol approximatif, les centrales à cycle combiné au gaz produisent $15\ \%$ d'une demande annuelle de $250\ \text{TWh}$ et émettent $0,45\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$. Le graphique résume les données du mix, actuel et futur :

1. a) Combien de $\text{TWh}$ le gaz produit-il aujourd'hui ?
2. b) Dans un scénario futur, l'éolien passe de $25\ \%$ à $35\ \%$ et le gaz descend de $15\ \%$ à $5\ \%$, la demande restant constante. Combien de $\text{TWh}$ de gaz cessent d'être produits ?
3. c) Combien de tonnes de $\text{CO}_2$ seraient évitées par an avec ce changement ? Exprimer le résultat en notation scientifique.
4. d) Le gaz sert souvent de secours quand il n'y a ni vent ni Soleil. Expliquer quel problème technique il faudrait résoudre pour le réduire au minimum et citer une solution possible.

Un logement consomme $9000\ \text{kWh}$ de gaz par an pour le chauffage, à $0,07\ \text{€/kWh}$. Isoler la façade coûte $3000\ \text{€}$ et réduit la consommation de $30\ \%$.

1. a) Combien coûte le chauffage par an avant l'isolation ?
2. b) Combien d'euros l'isolation fait-elle économiser chaque année ?
3. c) Quel est le temps de retour sur investissement ? Arrondir à un chiffre après la virgule.
4. d) Si une aide publique couvre $40\ \%$ du coût de l'isolation, quel serait le nouveau temps de retour ? Commenter l'influence des aides sur les décisions d'économie d'énergie.

Une famille veut réduire son empreinte carbone. Sa situation actuelle :

• Électricité : $3800\ \text{kWh}$ par an ($0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$).

• Voiture à essence : $12000\ \text{km}$ par an avec une consommation de $6,5\ \text{L}$ pour $100\ \text{km}$ ($2,3\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par litre).

1. a) Calculer son empreinte annuelle actuelle en additionnant les deux postes, en kilogrammes de $\text{CO}_2$.
2. b) Elle applique deux mesures : changements d'habitudes et LED qui font économiser $700\ \text{kWh}$ par an, et covoiturage, qui réduit de moitié les kilomètres annuels. Calculer la nouvelle empreinte annuelle.
3. c) De quel pourcentage a-t-elle réduit son empreinte ? Arrondir à un chiffre après la virgule et commenter quel poste a le plus contribué à la réduction.

Un village de $5000$ foyers veut s'approvisionner uniquement en énergie solaire. Chaque foyer consomme en moyenne $10\ \text{kWh}$ par jour, et les panneaux produisent dans cette région environ $0,25\ \text{kWh}$ par jour pour chaque $\text{m}^2$ installé. Le schéma montre le flux d'énergie entre les panneaux, les foyers et les batteries :

1. a) Quelle énergie le village consomme-t-il par jour, en $\text{MWh}$ ?
2. b) Combien de $\text{m}^2$ de panneaux faudrait-il ? Exprimer aussi le résultat en hectares ($1\ \text{ha} = 10000\ \text{m}^2$).
3. c) Si $40\ \%$ de la consommation a lieu la nuit, quelle énergie, en $\text{MWh}$, les batteries du village devraient-elles stocker chaque jour ?
4. d) Exposer deux défis techniques ou territoriaux d'un approvisionnement d'un village uniquement par le solaire, et une solution possible pour chacun.

Une voiture électrique consomme $16\ \text{kWh}$ pour $100\ \text{km}$. Son empreinte dépend de la façon dont l'électricité a été produite (facteurs d'émission : mix espagnol actuel $0,15\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$ ; électricité issue du charbon $0,9\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ par $\text{kWh}$). Une voiture à essence comparable émet $13,8\ \text{kg}$ de $\text{CO}_2$ pour $100\ \text{km}$.

1. a) Calculer les kilogrammes de $\text{CO}_2$ pour $100\ \text{km}$ de la voiture électrique avec le mix actuel et avec de l'électricité issue du charbon.
2. b) Comparer les trois cas : avec quelle électricité la voiture électrique émet-elle même davantage que celle à essence ?
3. c) À partir de ces données, rédiger un court argument en faveur de la voiture électrique et un autre qui nuance cette conclusion, en mentionnant le rôle du mix électrique.

Défi du thème. Quelle énergie faut-il pour chauffer de l'eau et quel impact environnemental cela a-t-il selon l'heure à laquelle on le fait ?

1. Mesure expérimentale : Chauffer $m = (0,50 \pm 0,01)\text{ kg}$ d'eau dans un four à micro-ondes ou une bouilloire électrique. Mesurer sa température à intervalles réguliers de $30\text{ s}$ pendant $2\text{ min}$ (avec des incertitudes de $\pm 1\text{ s}$ et $\pm 0,5\text{ }^\circ\text{C}$). Dresser un tableau des données et tracer $T$ en fonction de $t$ pour calculer l'énergie thermique utile transférée : $E = m \cdot c \cdot \Delta T$, avec $c = 4180\text{ J/(kg}\cdot^\circ\text{C)}$.

2. Rendement énergétique : Relever la puissance nominale ($P_{\text{nom}}$) sur l'étiquette de votre appareil. Déterminer l'énergie électrique consommée ($E_{\text{cons}} = P_{\text{nom}} \cdot t$) et calculer le rendement énergétique du processus : $\eta = (E / E_{\text{cons}}) \cdot 100\,\%$.

3. Mix électrique et proposition : Se rendre sur le site de RTE (application éCO2mix) et relever la part de production renouvelable et les émissions de $\text{CO}_2$ associées à ce moment. Rédiger un court rapport avec une proposition argumentée qui justifie les meilleures habitudes et les meilleurs horaires de consommation pour minimiser l'impact environnemental dans votre foyer.

Seront évalués :

• La rigueur dans la prise de mesures à la maison, l'expression correcte des incertitudes et la qualité du graphique.

• L'exactitude du calcul de l'énergie utile transférée et du rendement de l'appareil.

• L'analyse critique des données réelles de RTE (éCO2mix) intégrées dans une proposition de consommation responsable.