Calculer le bilan carbone du rallye auto d’Avallon : Petit exercice de chimie

Les combustibles fossiles, une énergie non renouvelable

Les hydrocarbures (dont le pétrole) sont des combustibles fossiles. Riches en carbone, il sont issus de la méthanisation d’êtres vivants morts et enfouis dans le sol depuis plusieurs millions d’années, jusqu’à parfois 650 millions d’années.

Ces sources d’énergie ne sont pas renouvelables, parce qu’elles demandent des millions d’années pour se constituer et qu’elles sont utilisées beaucoup plus vite que le temps nécessaire pour recréer des réserves.

Le Dioxyde de carbone, gaz à effet de serre

En brûlant les hydrocarbures, les moteurs thermiques rejettent du gaz carbonique ou dioxyde de carbone (CO₂) dans l’atmosphère.

Or le CO₂ est un gaz à effet de serre bien connu : il serait responsable de 26 % de l’effet de serre à l’œuvre dans notre atmosphère, aggravant le réchauffement climatique constaté à l’échelle de notre planète depuis les dernières décennies du XX^e siècle.

Les alcanes... et leur combustion

Pour produire de l’énergie, les moteurs thermiques « brûlent » un carburant, comme l’essence ou le gasoil, de la famille des alcanes... et rejettent, si la combustion est complète, du dioxyde de carbone (CO₂, de l’eau (H₂O) et du diazote (N₂) [1].

Qu’est-ce que les alcanes ? Les alcanes sont des hydrocarbures saturés. Ils ne sont constitués que d’atomes de carbone (C) et d’hydrogène (H), liés entre eux par des liaisons simples. Les atomes de carbone sont reliés à un nombre maximal d’atomes d’hydrogène — d’où le nom de « saturé ».

La formule générique d’un alcane s’écrit C_nH(_2n+2).

Il existe plusieurs types d’alcanes. L’essence peut être assimilée à un octane (n=8, c’est à dire 8 atomes de carbone), le gasoil à un hexadécane (n=16, c’est à dire 16 atomes de carbone).

Dans le cas d’une combustion complète (réunissant des conditions idéales), la formule générique de combustion s’écrit :
C_nH(_2n+2) + (3n+1)/2*(O₂+3,76N₂) → nCO₂ + (n+1)H₂O + (3n+1)/2*3,76N₂

Considérant que le diazote (N₂) est un gaz inerte, son calcul est inutile dans le cas d’une combustion complète. On peut donc utiliser la formule générique simplifiée suivante :
C_nH(_2n+2) + (3n+1)/2*O₂ → nCO₂ + (n+1)H₂O

Données de bases : masses molaires

Pour évaluer la masse de dioxyde de carbone produite lors de la combustion des alcanes, on a besoin de connaître la masse molaire des différent éléments en jeu.

La mole est une unité de comptage (au même titre que « la douzaine » ou la « vingtaine »... etc) créée pour pour faciliter les mesures des éléments microscopique.

Quelle quantité représente une mole ? La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 grammes de carbone 12. Une mole d’atomes contient environ 6,02214040×10²³ atomes...

Cela peut paraître beaucoup ! Pour donner un ordre de grandeur, une mole de grains de maïs éclaté permettrait de recouvrir la surface des États-Unis d’une couche uniforme d’une épaisseur d’environ 14 km d’épaisseur !

Mais quand on mesure des éléments microscopiques, on comprend mieux l’intérêt d’une mole. En effet, imaginez un peu que l’on s’amuse à mesurer la masse d’un seul atome ou d’une seule molécule ? Surtout lorsque l’on veut des mesures en grammes !

La masse molaire consiste donc à mesurer la masse d’une mole d’atomes ou de molécules d’un élément donné. Comme si, au lieu de peser des œufs à l’unité, on les pesait par douzaines.

Rejets de CO2 dans le cas de l’essence

La formule simplifiée de la réaction de combustion de l’octane est :
C₈H₁₈ + 25/2 O₂ → 8 CO₂ + 9 H₂O,
ou avec des nombres entiers :
2C₈H₁₈ + 25 O₂ → 16 CO₂ + 18 H₂O

Donc le rapport de CO₂ émis en fonction de la consommation d’essence est de 352/114 = 3,09. Autrement dit, la combustion d’1 gramme d’essence produit 3,09 de CO₂.

Mais l’essence se mesure communément en litres... Sachant que la masse volumique de l’essence est de 0,74 kg/litre, la combustion d’1 litre d’essence produit 0,74*3,09 = 2,28 kg de CO₂.

Exercice pratique : bilan carbone d’un rallye

Soit trois circuits d’environ 8km totalisant 24km. Soit 160 voitures de compétition en surrégime, « pied au plancher », consommant chacune environ 40 litres d’essence pour 100 km (dans la première version de cet article, nous étions largement en-dessous de la réalité avec 20l/100km).

Combien de litres d’essence ont-ils été consommés au total ?

Sachant que, dans des conditions de combustion idéales, un litre d’essence produit 2,28kg de gaz carbonique, quelle masse de gaz carbonique totale a été rejetée dans l’atmosphère ?

160*4,8 = 1536 litres*2,28 = 3502 kg de CO₂ rejetés en deux jours.

Pour donner un ordre de grandeur, rapportons cela à une personne qui ferait tous les jours l’aller-retour Avallon / Pontaubert en passant par la vallée du Cousin, soit un trajet de 2*4 = 8km, avec une voiture ordinaire consommant 5litres/100 km. Combien de jours lui faudra-t-il pour atteindre les 3502kg de gaz carbonique rejetés ?

A chaque aller-retour, cette personne consomme 8/100*5 = 0,4 litres d’essence, que l’on arrondira à 0,5. Elle rejette donc tous les jours 0,5*2,28 = 1,14 kg de carbone dans l’atmosphère.

Il faudra à cette personne 3502/1,14=3072 jours, soit presque 8 ans et demi d’allers-retours quotidiens Avallon/Pontaubert, pour franchir la barre des 3502 kg CO₂.

3502 kg de gaz carbonique en deux jours, juste pour le plaisir, est donc un beau score pour une station verte !

D’autant que toute la démonstration se base sur des conditions de combustion idéales... rarement réunies ! Dans la réalité, il y a donc certainement d’autres rejets, comme le Monoxyde de carbone...

Et bien-entendu, il faudrait pouvoir évaluer les autres types de pollution, notamment les particules fines particulièrement toxiques liées aux freinages, etc...

Bienvenus à Avallon, station verte et zone Natura 2000 !