Une voie de valorisation possible pour le dioxyde de carbone

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Economiser les ressources et respecter l'environnement
Type : Exercice | Année : 2013 | Académie : Nouvelle-Calédonie
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Une voie de valorisation possible pour le dioxyde de carbone
 
 

Économiser les ressources et respecter l’environnement

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36

CORRIGE

 

Nouvelle-Calédonie • Novembre 2013

Exercice 3 • 5 points

Diminuer les émissions de gaz carbonique constitue l’un des défis majeurs du xxie siècle. Si, aujourd’hui, une faible quantité (0,5 %) des émissions de CO2 issues des activités humaines est valorisée au niveau mondial, certains experts estiment que la valorisation du CO2 pourrait, à terme, absorber annuellement jusqu’à 5 à 10 % des émissions mondiales.

Document 1

Données du GIEC (groupe intergouvernemental d’experts sur l’évolution du climat)

Production mondiale de CO2 en gigatonnes par an

 
Différence entre la température moyenne annuelle à la surface de la Terre et une température de référence

 
Document 2

Traitement du dioxyde du carbone


 

Grenhouse gaz carbone dioxide mitigation, Halmann, Steinberg, 1997.

Document 3

L’hydrogénation, une voie de valorisation du dioxyde de carbone

Actuellement, le CO2 est valorisé soit de manière directe, par exemple en étant utilisé comme gaz réfrigérant, soit de manière indirecte. Le CO2 est alors converti en un autre produit d’intérêt industriel.

L’hydrogénation du CO2 (réaction avec le dihydrogène et production d’eau, dite réaction de Sabatier) est la voie de conversion la plus étudiée. Elle peut conduire directement à la formation d’alcools, d’hydrocarbures… C’est ainsi que les synthèses du méthanol et de l’éthanal CH3–CHO sont souvent envisagées, de même que la réaction qui mène au méthane. Cette dernière implique toutefois une plus large consommation de dihydrogène.

Document 4

Unité de production de méthane au Japon

L’un des grands groupes pétroliers – BP – et l’université technologique de Tohoku développent, depuis 2003, une unité pilote de production de méthane à partir de CO2 industriel et de dihydrogène produit par électrolyse de l’eau de mer. Cette électrolyse est alimentée par de l’énergie solaire.

L’unité consomme 4 m3/h de dihydrogène et 1 m3/h de CO2 pour produire 1 m3/h de méthane. À l’heure actuelle, le méthane produit n’est pas utilisé industriellement mais pourrait être utilisé comme combustible pour produire de l’électricité ou comme carburant pour des véhicules.

La production d’électricité avec ce méthane serait préférable, elle permettrait le recyclage des émissions de CO2 ; alors que l’utilisation du méthane comme carburant pour véhicule n’autoriserait pas ce recyclage car les émissions de CO2 sont diffuses.

D’après le rapport de l’ADEME, Panorama sur les valorisations du CO2, juin 2010.

Données énergétiques

  • Énergie nécessaire pour :
  • réaliser l’électrolyse de l’eau afin de fabriquer 1,0 m3 de dihydrogène : 20,0 MJ ;
  • capturer et stocker 1,0 m3 de dioxyde de carbone industriel : 8,0 MJ ;

réaliser l’hydrogénation de 1,0 m3 de CO2 selon la réaction de Sabatier : 7,0 MJ.

  • Énergie récupérable par la combustion de 1,0 L de méthane : 33,0 kJ.

Questions préalables

1 À l’aide de vos connaissances et des documents fournis, proposez trois pistes mises en œuvre actuellement pour limiter l’émission de CO2 dans l’atmosphère.

2 Faire le bilan énergétique global de la production et de la combustion de 1,0 m3 de méthane obtenu par hydrogénation du CO2.

Synthèse

À partir des documents et de vos connaissances, rédigez (environ 20 lignes) une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante :

> Quels sont les enjeux environnementaux et l’intérêt énergétique de la valorisation du dioxyde de carbone ?

Notions et compétences en jeu

Synthèse de documents • Ressources énergétiques et problèmes environnementaux.

Conseils du correcteur

  • Les questions préalables ne sont pas forcément notées. Ne prenez pas trop de temps pour y répondre si vous savez ce que vous voulez dire dans votre développement. Pour une synthèse sur 5 points, qui représente donc 50 minutes, n’y consacrez pas plus de 15 minutes. L’objectif de ces questions est de vous aiguiller : vous pouvez donc vous en servir dans votre argumentaire.
  • Attention : un exercice de ce type vaut 5 points sur 20 ! Ne vous contentez pas de « jeter » quelques idées sur la feuille, mais construisez un développement structuré et argumenté.

1. Replacez le vocabulaire vu en cours et faites référence aux documents.

2. Faites un brouillon rédigé. Vous pourrez alors aviser, suivant la longueur de ce premier jet : raccourcir les phrases, être plus direct si votre texte est trop long, ou au contraire développer vos arguments s’il est trop court.

Corrigé

questions préalables

1 Trois pistes sont mises en œuvre actuellement pour limiter l’émission de CO2 dans l’atmosphère :

  • diminuer la production ;
  • stocker le CO2 c’est-à-dire le confiner dans le sous-sol ou le faire absorber par des végétaux ;
  • valoriser, c’est-à-dire s’en servir comme réactif ou comme matière première.

2 Le bilan énergétique global de la production et consommation de 1,0 m3 de méthane par hydrogénation du CO2 est représenté ci-après.


 

Synthèse

« Diminuer les émissions de gaz carbonique constitue l’un des défis majeurs du xxie siècle. » En effet, le dioxyde de carbone (CO2) est un gaz à effet de serre et par conséquent son émission dans l’atmosphère n’est pas sans conséquence. Même s’il est toujours difficile de faire des projections de phénomènes aussi complexes à moyen et long terme, les émissions de gaz à effet de serre devraient modifier considérablement l’environnement : élévation de la température terrestre globale, élévation du niveau des océans, déplacement des populations côtières…

Les activités humaines (industrie, transport, électricité) depuis deux siècles ont considérablement augmenté la quantité de l’un de ces gaz à effet de serre : le dioxyde de carbone. En effet, la moindre combustion d’hydrocarbure ou de matière organique en produit.

Le document 1 nous permet de constater que depuis 1960 la production mondiale de CO2 a triplé et que dans ce même laps de temps la température moyenne de la surface terrestre a augmenté de près d’un demi-degré. Même s’il faudrait faire appel à d’autres données (connues du GIEC) pour conclure sur l’implication des émissions CO2 dans l’élévation de la température terrestre, on peut déjà remarquer que les deux courbes ont une allure extrêmement similaire (document 1).

Pour limiter ces émissions anthropiques, il existe trois principales pistes : diminuer la production, stocker le CO2 (dans le sous-sol ou « dans » les végétaux) et valoriser ce gaz carbonique.

La valorisation consiste à développer des filières d’utilisation de CO2. Il peut ainsi être utilisé comme gaz avec ses propriétés intrinsèques (par exemple comme gaz réfrigérant) ou être consommé en tant que réactif dans des synthèses chimiques.

Le document 4 nous donne un exemple de valorisation indirecte : utiliser le CO2 pour former du méthane. D’après le bilan énergétique proposé en réponse à la question préalable, nous pouvons constater que 1 m3 produit de ce méthane nous permet de traiter 1 m3 de CO2 et donc de le retirer de l’atmosphère… jusqu’à combustion de ce méthane. Le document signale qu’il serait plus intéressant d’utiliser ce méthane pour la production d’électricité (centrale thermique classique à gaz) car le CO2 produit pourrait ainsi être réutilisé et non être rejeté dans l’atmosphère. Ceci ne serait, en effet, pas possible s’il servait comme carburant de véhicules.

 

Remarque

Ici l’énoncé demande « 20 lignes environ » donc le dépassement de ces 20 lignes ne doit pas être pénalisé. Attention tout de même à ne pas en faire le double !

Le bilan énergétique négatif montre qu’il faut dépenser de l’énergie pour valoriser le CO2 de cette façon et que le développement de cette « filière » relève donc d’un choix environnemental et politique. Nous pouvons aussi penser et espérer que la recherche permette de découvrir des moyens de valorisation du CO2 moins couteux en énergie à l’avenir.