Energie: définition

Pour se prémunir contre les mensonges concernant l’énergie

Le problème posé par notre consommation énergétique est très compliqué mais ce n’est pas une raison pour dire n’importe quoi et faire croire que des substituts nous dispenseront de faire des efforts.

Les présentes notes consacrées à l’énergie sont dans l’esprit de l’excellent livre de Normand BAILLARGEON « Petit cours d’autodéfense intellectuelle » et, en particulier, du chapitre intitulé :

«  Compter pour ne pas s’en laisser conter  »

Ou comment se méfier des bonimenteurs et manipulateurs de statistiques et donc d’opinion. On entend parler de kilowattheure, de gigawatt, d’éolienne, de photovoltaïque, de bilan carbone etc.

Comment ne pas se perdre dans les affirmations de tous les pseudo-experts ? Les factures d’électricité et de gaz indiquent les consommations en kilowattheures, les carburants sont vendus par litre…

Quel est le lien entre tout cela ?

La plupart des discussions ou débats sont seulement qualitatifs, rarement quantitatifs. Dans ces conditions il est difficile de dépasser le stade des opinions et d’arriver à réfléchir de manière rationnelle.

Le but de la présente note est de pouvoir juger de manière autonome. Cela demande de l’effort, un peu de concentration, certes. Mais c’est à notre portée si nous voulons éclairer notre lanterne citoyenne.

• Le premier chapitre est consacré à l’énergie sous toutes ses formes et aux notions très importantes de leur équivalence et de rendement dans la conversion d’un type d’énergie en un autre. Les unités utilisées sont détaillées dans un appendice, en fin de fichier.

• Le second chapitre donne les éléments nécessaires pour discuter des énergies renouvelables.

• Le troisième chapitre traite différents exemples en rapport avec l’actualité.

• Enfin le but du très bref quatrième chapitre est de ne pas oublier ce que nous n’avons pas discuté dans ces notes déjà trop longues.

Essayez de faire vous-mêmes les calculs et conversions. Comme pour l’entretien physique, c’est une question d’entrainement et de persévérance. Tous les ingrédients sont dans le texte, pas besoin de calculette. Il s’agit simplement de calculer les quantités approximativement. Il ne faut pas se laisser impressionner par ceux qui écrivent des nombres très précis qui ne sont que de la poudre aux yeux dans le domaine discuté ici.

L’objectif de cette note est de posséder assez d’éléments pour ne pas se laisser berner.

Si vous lisez l’anglais, l’excellent article suivant récompensera vos efforts :

Keeping the Energy Debate Clean: How Do We Supply the World’s Energy Needs? By Derek Abbott

Paru en 2009, il est toujours très pertinent.

1- L’énergie.

L’énergie n’est pas une notion facile à définir. L’énergie cinétique, liée au mouvement, comme l’étymologie l’indique, est la plus intuitive : plus un corps va vite plus il possède d’énergie.

Pour quantifier l’énergie, on utilise la notion de travail d’une force. Le travail d'une force est une énergie. Par définition le travail fourni pour déplacer un corps sur une distance l en lui appliquant une force f est le produit de la force par la distance parcourue : .

Les forces sont exprimées en Newton (symbole N). Le travail d’une force de un Newton sur un mètre s’appelle un Joule.

L’unité d’énergie est le Joule (J)

Si vous soulevez un litre d’eau (c’est à dire, pour faire simple, une masse de 1 kg) de 1 m, vous avez fourni un travail égal à la force de 9.81 N (qui est la force exercée par la gravitation terrestre sur le kg d’eau, voir la section sur les unités) multipliée par 1 m, c’est à dire de 9.81 Joule.

La puissance est l’énergie que peut fournir un dispositif par seconde.

L’unité de puissance est le Watt (W) qui correspond à une énergie de 1 Joule par seconde :

1 W = 1 J/s

Ce n’est pas beaucoup, d’où l’habitude de parler en kilowatt (kW) qui vaut 1.000 W donc 1.000 J par seconde.

1 kW = 1.000 J/s

La puissance est donc l’énergie produite pendant un certain intervalle de temps divisée par la durée de cet intervalle exprimé en secondes. Inversement, on obtient une énergie en multipliant une puissance par un temps. D’où l’habitude d’exprimer les énergies en kilowattheure (kWh) : un kWh est l’énergie qui correspond à une puissance de 1.000 W pendant une heure donc :

1 kWh = 1.000 W x 3.600 s = 3.600.000 J.

Votre facture d’électricité ou de gaz indique un nombre de kWh consommés car c’est une énergie. Les fournisseurs pourraient exprimer cette énergie consommée en Joule, ce qui serait parfaitement correct mais obligerait à écrire des nombres énormes.

Exemple : quand on dit qu’un réacteur nucléaire a une puissance de 1.300 MWe cela veut dire 1.300 mégawatt sous forme électrique (1 MW = 1.000.000 Watt), c’est à dire 1.300.000 kW sous forme électrique à la sortie de « l’usine ». On dit aussi 1,3 Gigawatt électrique (GWe), le préfixe giga signifiant milliard. C’est la puissance sous forme électrique, c’est à dire à la fin de la chaine : réacteur nucléaire - échangeur de chaleur - turbine à vapeur - alternateur - transformateur.

Les productions ou consommations d’énergie à l’échelle d’un pays sont aussi parfois exprimées en térawatt heure (tWh), le préfixe téra signifiant mille milliard. Donc un térawatt heure est un milliard de kWh.

Les différents types d’énergie et leur équivalence :

Le travail défini ci-dessus n’est pas la seule forme d’énergie. Parmi les autres formes d’énergie citons :

• L’énergie cinétique qui est la plus évidente à se représenter puisque liée au mouvement. Un corps de masse m (kg) et de vitesse v (m/s) possède une énergie cinétique égale à (Joule).

• La chaleur. Qu’est ce que la chaleur ? Pour simplifier beaucoup, la chaleur est l’énergie cinétique d’agitation des molécules, ou mouvement Brownien.

• L’énergie lumineuse (ou des autres ondes électromagnétiques)

• L’énergie potentielle. Pas facile à comprendre mais un exemple peut aider : si on hisse une charge à une certaine hauteur puis on la laisse chuter, l’énergie cinétique acquise provient de l’énergie potentielle de la charge en position haute. C’est l’occasion d’ouvrir le dictionnaire pour chercher le mot « potentiel ».

• L’énergie électrique stockée dans une batterie ou une pile.

• L’énergie chimique.

Etc.

Ce qui est important c’est l’équivalence entre toutes les formes d’énergie. Ce n’est à priori pas intuitif, bien que de nos jours, nous ayons beaucoup de dispositifs nous permettant de passer d’une forme à une autre. Par exemple les panneaux photovoltaïques transforment l’énergie du rayonnement solaire en électricité, les éoliennes transforment l’énergie cinétique du vent en rotation des pales, puis en électricité puis en chaleur dans des radiateurs ou une plaque de cuisson. L’équivalence entre l’énergie mécanique et la chaleur est une notion introduite au 19ème siècle avec les machines à vapeur.

Il faut 4,18 J d’énergie mécanique pour produire une calorie qui est la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’un gramme d’eau d’un degré centigrade. Pour mesurer cette valeur, l’énergie mécanique d’un système est convertie en chaleur par frottement pour chauffer de l’eau.

Exemple : les freins d’un véhicule transforment l’énergie cinétique en chaleur que l’on ne sait pas récupérer.

Retenez ce nombre : 1 calorie est équivalente à 4.18 Joules

Le point fondamental est que l’énergie totale est conservée. C’est à dire que la somme de toutes les énergies est constante dans le temps.

On ne peut pas en créer à partir de rien. On ne peut pas en obtenir plus que ce qui a été utilisé.

Donc méfions nous de certaines publicités au vocabulaire volontairement ambigu, par exemple pour les radiateurs électriques.

Considérons un moteur thermique à piston. L’énergie sous forme de chaleur créée par la combustion du carburant est transformée en énergie mécanique. Un ensemble carburant - oxygène est une énergie potentielle. Cette énergie est transformée en chaleur par la combustion, puis la pression du gaz contenu dans le cylindre du moteur augmente (une autre forme d’énergie potentielle) et fait mouvoir le piston.

Nous arrivons à la notion de rendement : le rendement est la quantité d’énergie récupérée sous la forme désirée divisée par la quantité d’énergie injectée dans le système de transformation.

Pour évaluer un rendement, il faut mesurer la quantité d’énergie injectée et l’énergie obtenue. Dans l’exemple du moteur thermique il faut connaitre l’énergie que peut fournir 1 kg de carburant. Pour cela on utilise sa combustion pour chauffer une certaine masse d’eau et on mesure l’élévation de température, donc le nombre de calories produites et donc l’énergie. Par exemple 1 gramme d’hydrogène produit environ 11.000 calories, soit environ 46.000 J (rappel : 1 calorie équivaut à 4.18 Joule). Dit autrement, la combustion de 1 kg d’hydrogène peut produire approximativement 12 kWh. Les autres carburants (méthane, butane, essence, etc.) sont un peu moins performants.

Retenez ce nombre : 1 kg de carburant représente environ 10 kWh potentiellement.

Bien que cette valeur soit approximative elle est très suffisante pour faire des estimations relativement précises.

Revenons au moteur à piston. On peut mesurer l’énergie fournie par le moteur pour 1 kg de carburant brûlé et ce sera nettement inférieur au 10 kWh potentiel ci-dessus. Ceci ne contredit pas le principe de conservation de l’énergie. La partie de l’énergie thermique non transformée en énergie mécanique reste sous forme de chaleur. Tout le monde sait qu’un moteur thermique chauffe, qu’il faut le refroidir, et que les gaz de combustion sont chauds.

Le rendement est un nombre toujours inférieur à 1.

Un autre exemple : les panneaux photovoltaïques.

L’énergie de rayonnement solaire reçue par une surface au sol perpendiculaire aux rayons est d’environ 1.000 J par mètre carré par seconde, soit 1.000 W/m². Cela n’est vrai que lorsque le soleil est proche du zénith, bien au-dessus de l’horizon, l’atmosphère claire, c’est à dire sans nuage. Le rendement de ces panneaux est de l’ordre de 0.15 - 0.17, c’est à dire que, dans de bonnes conditions, la puissance électrique obtenue est de 150 à 170 W par mètre carré, en courant continu. Ce courant continu est ensuite transformé en courant alternatif, à la bonne tension et en phase, s’il y a couplage au réseau électrique. Ces fonctions sont assurées par des dispositifs électroniques.

Fabriqués où ? Quelle indépendance énergétique ?

Il existe des photo-détecteurs ayant de bien meilleures performances que les panneaux photovoltaïques mais les techniques de fabrication sont beaucoup plus onéreuses et leur usage est réservé à certaines applications.

Se représenter 1 kWh :

Vous vous douchez, c’est l’hiver, la température de l’eau froide est de 5° C, mais l’eau de la douche est de 45 °C et vous en consommez 10 l. Quelle énergie avez vous consommée ?

Avec les données fournies ci-dessus, vous trouvez 10.000 (masse d’eau en g) x 40 (augmentation de température) = 400.000 calories, soit environ 1.700.000 Joules (1 calorie = 4.18 J).

C’est à dire à peu près 0.47 kWh. (1.700.000/3.600.000 ; 1kWh=3.600.000 Joules).

Mais ce n’est pas tout, car il a fallu hisser l’eau au sommet du château d’eau à partir des canalisations souterraines. Disons 20 m, soit une énergie de 10 kg x 9.81 x 20 m Joule, soit environ 2.000 J, soit encore 0.00055 kWh (pour le facteur 9.81, revoir le paragraphe sur le travail ci-dessus).

Négligeable ? Peut-être, mais sans électricité plus d’eau sous pression au robinet. Êtes-vous prêt à monter les 10 l d’eau de votre douche de 20 m soit 6 étages ?

Et si on vous demande de produire 1 kWh par votre énergie personnelle ? Cela revient à monter une masse de 70 kg à une hauteur de 5.000 m :

Travail nécessaire (énergie) : 70 x9,81 x 5.000=3.433.500 J ou 3.433.500/3.600.000 = 0,95 kWh

Ou, pour prendre l’exemple d’une chute d’eau de 50 m actionnant une turbine, il faut 7.000 l d’eau (sans tenir compte des rendements).

(7.000 x 9,81 x 50)/3.600.000=0,95 kWh)

Ne pas déduire de ces quelques lignes qu’il faut cesser de se doucher 

2- Les énergies renouvelables, la grille.

Quand on parle d’énergie renouvelable on pense surtout à l’électricité. L’électricité ne représente que

24 % de notre consommation totale d’énergie.

Dans cette section, seule la production d’électricité est considérée.

A. Les éoliennes.

Voilà un sujet qui donne lieu à des débats rarement techniques et surtout basés sur les sentiments.

L’énergie éolienne n’est qu’une forme de l’énergie solaire, puisque les courants atmosphériques et marins sont le résultat de l’énergie apportée par le soleil. Par exemple les vents alizés, qui ont l’avantage d’être très réguliers, sont le résultat des cellules de convection dans la zone intertropicale (cellules de Hadley). Une éolienne est une hélice qui transforme l’énergie cinétique de l’air en mouvement de rotation des pales afin d’entrainer un alternateur.

Commençons par calculer approximativement la puissance d’une éolienne à l’aide des éléments qui ont été déjà présentés et en utilisant le principe de conservation de l’énergie. Pas de panique, ce n’est pas compliqué et cela permet de comprendre les ordres de grandeur. Le calcul de la forme à donner aux pales pour avoir le rendement maximum est évidemment infiniment plus complexe.

Certaines éoliennes ont leur axe (horizontal) à 120 m de hauteur et un diamètre de rotor de 120 m. Un tel rotor a une surface de x 60²=11.310 m² (arrondie à 11.000 m²). Supposons que la vitesse du vent soit 36 km/h, c’est à dire 10 m/s. Le volume d’air passant dans la surface du rotor est 110.000m³ par seconde, auquel correspond une masse d’air d’environ 110.000 kg. L’énergie cinétique de cette masse d’air est :

mv²/2 = 110.000 x (10)²/2 = 5.500.000 J/s = 5.500 kW

Supposons que le rendement de cette transformation soit de 0.5, on obtient une puissance disponible de 2.7 MW. De telles éoliennes sont censées fournir 5 MW, avec nos calculs élémentaires cela correspondrait à un vent de 44 km/h.

Les éoliennes sont sur des mâts géants car la vitesse du vent y est plus élevée qu’au sol. D’autre part, elles sont généralement implantées sur des crêtes car pour, des raisons aérodynamiques, la vitesse du vent est maximum à ces endroits.

Conclusion : Les éoliennes peuvent fournir quelques centaines de kW à quelques MW quand il y a assez de vent et selon leurs dimensions. Si le vent est trop fort, les pales sont orientées pour réduire les contraintes mécaniques et la puissance disponible n’est pas augmentée.

Les pales des grandes éoliennes sont en matériaux composites dont le recyclage peut être problématique.

Les opposants catégoriques aux éoliennes n’ont-ils pas chez eux un sèche-linge alors que le vent ferait très bien cette tâche, ne font-ils pas quotidiennement de multiples connexions internet ? N’auront-ils pas une voiture électrique à recharger ? Quelles sont leurs propositions ?

B. Le photovoltaïque

Le fonctionnement est basé sur l’effet photoélectrique. Le rayonnement électromagnétique est décrit par des ondes ou par des particules appelées photons. Plus la longueur d’onde est petite plus l’énergie des photons est grande. Dans cette section on ne considère que les photons de la lumière visible. Un photon peut transférer son énergie à un électron d’un matériau (ou un électron isolé), c’est l’effet photoélectrique. Le matériau de base des photo-détecteurs est le silicium sous forme cristalline. Dans un cristal ou un métal, certains électrons sont « libres » bien que prisonniers du cristal dans sa globalité. La structure de base de ces photo-détecteurs est celle d’une diode, c’est à dire que le silicium est « dopé » avec certains éléments. Il est difficile d’expliquer brièvement le fonctionnement des photo-détecteurs, mais disons que l’énergie gagnée par certains électrons est à l’origine de la différence de potentiel (tension) aux bornes du détecteur.

La fabrication de ces panneaux photovoltaïques nécessite l’utilisation de certains matériaux peu abondants. Etant données les surfaces à couvrir, leur recyclage est un enjeu majeur si on ne veut pas arriver, comme d’habitude, à une situation de pillage des ressources.

Admettons un rendement de 0.17 et une puissance lumineuse de 1 kW/m², par exemple au milieu d’une belle journée entre mars et septembre. Pour obtenir une puissance de 1 kW électrique à midi (heure solaire), il faut donc couvrir (1/1x0,17=5,88) environ de panneaux orientés vers le soleil avec la bonne pente, qui dépend de la latitude. Mais en mars, à 6h du soir ou du matin, il n’y a plus d’électricité puisque le soleil est à l’horizon. Il existe des dispositifs qui suivent la course du soleil, mais c’est une complexité supplémentaire.

Comme cela a été déjà dit, les panneaux photovoltaïques fournissent du courant continu. La tension aux bornes dépend un peu de l’énergie lumineuse reçue. Il faut donc un stabilisateur de tension pour éviter les écarts importants. Puis, que ce soit pour les usages domestiques ou pour la vente de l’électricité, il faut transformer le courant continu en courant alternatif grâce à un onduleur. Il existe quelques appareils fonctionnant en courant continu (24 V) pour les situations isolées. Donc il ne suffit pas de poser des panneaux sur un toit, il faut installer aussi des modules électroniques.

En usage individuel ou en situation isolée, on peut stocker cette production avec des batteries pour des usages peu gourmands (éclairage, ordinateur…). On peut aussi faire fonctionner le jour certains appareils comme un congélateur. Des innovations récentes intéressantes permettent de stocker, pour des durées de l’ordre de la journée, l’énergie de l’électricité produite le jour en utilisant le principe des volants d’inertie. Ce principe n’est pas nouveau, mais les technologies actuelles lui donnent une nouvelle vie.

Pour les usages plus exigeants, voir la partie stockage de l’énergie, interconnexion.

Les panneaux sont garantis 25 ans.

Quelle est la durée de vie des stabilisateurs de tensions et onduleurs ? Même si tous les composants sont passifs (pas de mouvement donc pas d’usure) ils vieillissent.

Après on en fait quoi ? On trouvera bien une poubelle sur un autre continent…

Et la recharge de votre voiture électrique ? Voir le chapitre suivant.

C. L’énergie solaire non-photovoltaïque.

Ce n’est pas un sujet à la mode. Pourtant le rayonnement solaire peut-être concentré par des miroirs pour obtenir des sources de chaleur intenses. L’exemple le plus extrême pour les températures atteintes est le laboratoire scientifique d’ODEILLO dans les Pyrénées. Cette chaleur permet d’actionner des moteurs à air chaud de type moteur Stirling ou bien de produire de la vapeur. La concentration des rayons par des miroirs cylindriques permet de compenser partiellement la course du soleil.

Des prototypes on atteint des rendements de 0.35, c’est à dire le double du photovoltaïque. Pas besoin de matériaux rares pour fabriquer les éléments. Une des difficultés est la tenue des miroirs dans le temps, un inconvénient est que les systèmes mécaniques nécessitent plus de maintenance.

D. L’hydrogène, solution miracle ?

En théorie l’utilisation de l’hydrogène comme carburant ou comme moyen de stockage de l’énergie semble idéale. Il peut être produit par électrolyse et utilisé par électrolyse inverse pour produire directement de l’électricité dans des piles à combustibles qui devraient plutôt être appelées cellules à hydrogène. Ce dernier processus ne produit que de l’eau et il n’est pas besoin d’utiliser l’hydrogène dans des machines thermiques. Donc idéal pour les transports. Pour en savoir plus voir l’article suivant (un peu vieux : 2010) :

https://www.cea.fr/multimedia/Documents/publications/clefs-cea/archives/fr/Clefs59_P52-59_FR.pdf

L’atome d’hydrogène (ou la molécule ) est le plus léger et le plus petit de tous. Donc il se faufile dans le moindre passage microscopique. Les techniciens qui utilisent l’hélium, qui est 4 fois plus gros que l’hydrogène, connaissent bien les difficultés de faire la chasse aux fuites. Les problèmes d’étanchéité sont cruciaux, car chacun sait que l’hydrogène est inflammable et peut entrainer des catastrophes. Les problèmes de sécurité liés aux transports et à la distribution sont complexes. La voiture individuelle à hydrogène n’est peut-être pas une bonne idée. Mais l’hydrogène pourrait être une façon de stocker les énergies intermittentes.

Certains envisagent l’avion à hydrogène. L’avantage c’est qu’en cas d’accident vous n’aurez pas besoin de réfléchir à votre mode d’inhumation !

Mais au fait, pourquoi n’y a-t-il pas de réserve d’hydrogène naturelle comme il y a des réserves de gaz (méthane) ? Cela existe, mais il faut des conditions géologiques particulières. Voir l’article « hydrogène en Lorraine » : https://lejournal.cnrs.fr/articles/un-gisement-geant-dhydrogene-en-lorraine

Cocorico ! On va pouvoir se goinfrer !

Il faut, entre autre chose, que la poche de gaz soit étanche, car lorsque l’hydrogène est dans l’atmosphère à température ambiante il disparait inexorablement dans l’espace. Pour le comprendre, il faut se rappeler que la température est une mesure de l’énergie thermique (revoir la définition de la calorie). Donc, à une température donnée correspond une certaine énergie cinétique moyenne des atomes et molécules, la même quelle que soit le type. Or l’hydrogène est l’atome le plus léger, donc, d’après la formule de l’énergie cinétique, c’est le plus rapide (en moyenne) des atomes de l’atmosphère, et la Terre n’est pas assez lourde pour l’empêcher de s’échapper. Pour être un peu plus précis, à une température donnée correspond tout un spectre de vitesses. La température indique la valeur moyenne de ce spectre, il y a des atomes/molécules plus rapides que d’autres qui auront la vitesse suffisante pour échapper à la gravitation terrestre.

E. Les centrales électriques à biomasse.

« On » nous parle de centrales à biomasse. Cela existe déjà, par exemple à Fos-sur-Mer où une centrale utilise des granulés de bois (pellets) qui viennent… du Brésil !!!!! Difficile de faire plus hypocrite.

Supposons que l’on veuille obtenir l’équivalent de ce que produit un seul réacteur nucléaire, soit 1.300 MWe (1300 10³ kWe), soit, par an (1300 10³ x 365 x24), à peu près 11 milliards de kWh (électrique). Si la centrale est particulièrement performante avec un rendement de 0,5, il faut injecter environ 2,2 millions de tonnes de bois (voir la première partie). C’est à dire plusieurs centaines de milliers de très beaux arbres, dont le bois sera transporté par camion évidemment, juste pour une quantité d’électricité équivalente à celle fournie par un seul réacteur nucléaire pendant un an seulement.

Cela veut dire raser une surface d’environ 40 km²… Seulement pour une année ! Et comme il faut au moins de l’ordre de 50 ans pour reconstituer cette masse de bois et qu’il y a environ 50 réacteurs en France, ce n’est pas seulement irréaliste, c’est absurde. D’autant plus qu’on nous recommande pellets et buchettes pour le chauffage individuel, obtenus à partir des coupes rases bien sûr.

Si on rase les forêts, où seront les autres « puits de carbone » si chers à nos élites ?

Le calcul de cette section est basé sur un pouvoir calorifique de 10 kWh /kg (voir le premier chapitre), or les pellets ont un pouvoir calorifique inférieur ou de l’ordre de 5 kWh/kg. La situation est donc pire que celle décrite.

Ne pas en déduire que le nucléaire soit la solution, ce n’était qu’un élément de comparaison et nous en reparlerons plus loin.

Dernière remarque : pour justifier la fin des tickets de caisse, il a été dit que cela sauverait des millions d’arbres, ce qui est exagéré d’un facteur d’au moins 10. Si cela était vrai, imaginez ce que représenterait la consommation d’une centrale à biomasse de 1.300 MWe !

F. Quelques mots sur l’énergie nucléaire.

L’énergie nucléaire n’est pas une énergie renouvelable mais elle est présentée comme respectueuse du climat. Quelques explications peuvent être utiles.

Les réacteurs nucléaires actuels utilisent l’uranium.

L’uranium extrait dans la nature contient essentiellement 2 isotopes, l’uranium 238 et environ 0,7% d’uranium 235.

Qu’est-ce que cela veut dire ?

Tout corps est défini par sa structure atomique, à savoir son nombre d’électrons qui définit ses propriétés chimiques et son noyau, constitué d’un nombre de protons (égal au nombre d’électrons) et de neutrons. L’uranium a 92 électrons et donc 92 protons. L’isotope 238 a 146 neutrons, dont le nombre ajouté au nombre de protons est égal à 238, et est stable. L’isotope 235 a 143 neutrons et est naturellement instable, c’est à dire que les noyaux peuvent se désintégrer naturellement spontanément sans intervention externe. On appelle demi-vie le temps au bout duquel il reste encore la moitié des noyaux. Pour l’uranium 235 la demi-vie est : 0.7 milliards d’années. (https://www.cea.fr)

Lors de la désintégration d’un noyau (fission) d’uranium 235, des neutrons sont libérés avec une certaine énergie. Ces neutrons peuvent frapper d’autres noyaux, causer leur désintégration et produire d’autres neutrons etc. Une réaction en chaine peut s’établir. C’est le principe de fonctionnement d’un réacteur nucléaire. Le fonctionnement réel est plus compliqué évidemment. Si la réaction en chaine devient incontrôlable, le nombre de désintégrations peut croitre exponentiellement jusqu’à l’explosion.

Pour faire fonctionner un réacteur il faut « enrichir » l’uranium, c’est à dire augmenter la proportion d’uranium 235, sinon la réaction en chaine ne peut s’établir. 1 kg d’uranium 235 produit autant d’énergie que 27.000 tonnes de charbon. Super !

Mais cette ressource n’est pas plus inépuisable que les autres, alors, dépêchons nous de tout piller !

Les éléments produits par la fission posent un gros problème : il y a de tout, dont de très nombreux éléments eux-mêmes radioactifs. Pour simplifier beaucoup, il y a des éléments « légers », de faible durée de vie radioactive (ayant des demi-vies de quelques années) et des éléments lourds, tels que le plutonium, qui peuvent être chimiquement des poisons violents, dont la durée de vie est très longue.

Parmi les isotopes du plutonium, citons le Pu239 avec une demi-vie de 24.000 ans, le Pu242 avec une demi-vie de 375.000 ans et d’autres avec des demi-vies très inférieures. Concernant le Pu239, il faut bien comprendre qu’au bout de 24.000 ans, il en reste la moitié, de 48.000 ans, le quart, après 100.000 ans, il en reste encore 6 %. Qui peut garantir la stabilité des sites d’enfouissement à l’échelle de 100.000 ans ?

Enfin, les énormes flux de neutrons dans le cœur d’un réacteur rendent les matériaux environnants très radioactifs, ce qui augmente le problème du stockage.

Rappelons que, pour des raisons uniquement électoralistes, la France a arrêté les recherches sur l’« incinération » de ces déchets. Le mot « incinération » signifiant destruction par réactions nucléaires dans des réacteurs adaptés qui peuvent aussi produire de l’électricité.

Beau cadeau pour les générations futures !

Remarque désobligeante : chacun souhaite disposer d’énergie à volonté, à condition de ne pas avoir de centrale à moins de 100 km de chez soi et que l’enfouissement soit chez les autres…

Et la fusion thermonucléaire ? Cela fait 60 ans qu’on promet des réacteurs pour dans 30 ans !

G. Le stockage de l’énergie, l’interconnexion.

Au moment d’écrire ces lignes, ici en Ile de France, cela fait 3 jours que le ciel est gris et qu’il n’y a pas de vent. Cela se produit plusieurs fois par an. Les pseudos « fournisseurs » d’électricité nous ont garanti, pour certains, qu’ils nous vendent de l’électricité « verte ». Ils n’ignorent pas que l’électricité ne se stocke pas telle quelle (sauf dans des batteries), du moins dans les quantités nécessaires (voir l’exemple de la voiture électrique). Un mensonge de plus…

Pour moins subir le caractère intermittent des énergies renouvelables, il y a actuellement deux solutions :

- La combinaison des différentes sources (pardon, où ai-je la tête ? il s’agit du mix énergétique bien sûr !) par l’interconnexion des sources et du réseau de distribution à grande échelle (France, Europe), ce qu’on appelle la grille.

- et/ou le stockage par des moyens mécaniques.

L’interconnexion à l’échelle du pays, et au-delà, permet de partager la production d’énergie, tantôt dans un sens tantôt dans l’autre. Il est en effet peu fréquent que l’ensemble du pays ou de la sous-région européenne soient soumis aux mêmes conditions météorologiques. La grille nécessite d’avoir une connaissance immédiate des besoins et des disponibilités. C’est un problème compliqué. A ce sujet, il est intéressant de se replonger dans le scandale Alstom.

Disons d’abord que quasiment aucune recherche n’a été financée en France depuis des décennies sur le stockage de l’énergie.

Une forme de stockage mécanique existe depuis longtemps, qui consiste à faire remonter de l’eau dans des barrages en utilisant l’excédent d’énergie des centrales thermiques la nuit. Une centrale thermique ne redémarre pas ou ne s’arrête pas en appuyant sur un interrupteur ou une tablette. Il faut donc utiliser sa production aux heures creuses et la stocker si possible.

Les centrales nucléaires sont aussi des centrales thermiques (seule la source de chaleur diffère), même s’il est coutumier d’appeler centrale thermique une usine qui utilise le gaz, le charbon ou le pétrole. Notons que les journalistes adorent illustrer les centrales nucléaires en montrant des photographies des tours de

refroidissement. Mais toutes les centrales thermiques ont ces dispositifs nécessaires pour condenser la vapeur.

D’une manière générale et sans entrer dans les détails, le stockage mécanique de l’énergie à grande échelle a peu de chance d’avoir un rendement très supérieur à 0.4.

Pour des stockages à petite échelle et pour des durées de l’ordre de 24h, la solution ancienne des volants d’inertie à été reconsidérée avec des technologies modernes au très bon rendement. Cette solution est très intéressante si la source d’énergie est le photovoltaïque.

Une possibilité non mécanique est l’hydrogène. Mais le rendement de l’électrolyse multiplié par le rendement des cellules à hydrogène ne sera probablement pas supérieur à 0.5.

3. Exemples.

1. Pompes à chaleur et chaudières à gaz.

La consommation annuelle française de gaz pour les besoins domestiques (chauffage, eau chaude, cuisson) est d’environ 240 tWh sur un total d’environ 500 tWh. Pour réduire cette énorme quantité d’énergie, l’isolation des bâtiments est impérative.

(1 tWh = 1 10⁹ kWh ou 1 milliard de kWh)

Mais comment réduire notre dépendance aux ressources fossiles ?

Nous ne discuterons pas des chauffages avec granulés de bois (pellets), buchettes, ni des coupes rases, mais seulement des pompes à chaleur présentées comme une solution miracle.

Une pompe à chaleur prend (pompe) de la chaleur à l’air extérieur pour la restituer à l’intérieur d’un bâtiment, donc baisse la température de l’air extérieur dans son voisinage. Dans le principe c’est un réfrigérateur ou un congélateur utilisé à l’envers. Evidemment c’est un peu plus complexe. On encastre le réfrigérateur dans le mur, la porte ouverte vers l’extérieur et la grille du dos à l’intérieur de la maison. Le réfrigérateur produit du froid à une température inférieure à la température de l’air extérieur, comme si on en laissait la porte ouverte, il fonctionne pour refroidir l’air externe et fait chauffer la grille du dos qui chauffe la maison.

La Commission Européenne et le gouvernement ont récemment décidé d’interdire les chaudières à gaz et d’imposer les pompes à chaleur partout (depuis le gouvernement a fait marche arrière).

Une pompe à chaleur qui utilise 1 kW d’électricité peut fournir jusqu’à 3 kW de chaleur, s’il ne fait pas trop froid, c’est à dire s’il ne gèle pas. Si la température de l’atmosphère est inférieure à celle que peut produire le « réfrigérateur » ce dernier ne peut plus récupérer de la chaleur puisqu’il ne peut pas refroidir l’air déjà plus froid. Le ventilateur que l’on voit sur ces dispositifs sert à accélérer l’échange de chaleur (ou plutôt de froid) avec l’atmosphère. Pour qu’un échangeur de chaleur soit efficace, il faut que les températures des sources froides et chaudes soient assez différentes. La source chaude de l’échangeur est l’atmosphère extérieure. Or, à température ambiante et à la pression atmosphérique, 1 m³ d’air a une masse d’environ 1.2 kg, ce qui est peu pour une source thermodynamique. Il faut donc « brasser » beaucoup d’air, d’où une nuisance importante liée aux ventilateurs bruyants. La chaleur massique de l’air est environ 1.000 J / kg / degré C. Si l’on veut « extraire » 3 kW de l’air, il faut, par exemple, refroidir 300 l d’air de 10 °C par seconde. (0,3 m³/s x 1,2 kg/m³ x 1000 J/kg = 3600 J/s = 3,6 kW)

Conclusion : l’efficacité de la pompe à chaleur diminue s’il fait froid (températures négatives) ce qui oblige à compenser avec… des radiateurs électriques.

Nous avons dit jusqu’à 3 kW de chaleur récupérée pour 1 kW d’électricité ? Le rendement pourrait donc être supérieur à 1 ?

Non. Le rendement du système global pompe + atmosphère est bien inférieur à 1, car il faut tenir compte du fait que l’air extérieur a apporté « sa » chaleur et donc l’énergie globale est conservée. Il ne faut pas dissocier les éléments du dispositif : sans l’atmosphère extérieure la pompe à chaleur n’a aucun sens.

Elle n’est qu’un dispositif qui permet un transfert de chaleur et n’en crée pas à partir de rien.

Mais il reste vrai que pour 1kWh sur la facture d’électricité on peut obtenir jusqu’à 3 kWh de chaleur, donc un gain d’un facteur 3 par rapport à des radiateurs électriques dans les conditions favorables, c’est à dire en dehors de grands froids.

MAIS si l’électricité provient d’une centrale thermique (à gaz, à charbon, à biomasse, …) ce gain est illusoire, car les centrales thermiques ont un rendement de 35 à 45 %. Donc pour 1 kWh consommé par la pompe, il a fallu utiliser environ 3 kWh d’énergie primaire !!! Bravo ! On aurait obtenu la même quantité de chaleur en brulant le gaz directement dans une chaudière à gaz, et surtout beaucoup mieux par temps froid.

OUI direz vous, mais il y a les énergies renouvelables pour faire fonctionner la pompe à chaleur, et il y a l’énergie nucléaire.

Relire le chapitre précédent.

Elles sont une solution intéressante en zone rurale où l’habitat est dispersé mais pas en zones urbaines à l’habitat dense possédant un réseau de distribution de gaz. La pompe à chaleur est une bonne solution dans les régions à hiver doux comme la région méditerranéenne et peut être complétée par des chauffe-eaux solaires qui, eux, sont silencieux pour le reste de l’année.

Et le recyclage de ces pompes à chaleur ? On les enverra en Afrique ?

B. La voiture électrique:

D’abord quelques remarques basiques concernant les transports routiers et l’automobile en particulier.

Rappelons d’abord la formule de l’énergie cinétique mentionnée plus haut,. C’est l’énergie du véhicule qui provient de l’énergie apportée au moteur multipliée par son rendement. Cette énergie est donc proportionnelle à la masse du véhicule. Qu’à cela ne tienne, direz vous, puisqu’elle peut être récupérée au freinage avec les systèmes hybrides ou les tractions électriques. Certes, mais avec un certain rendement (encore lui), donc seulement partiellement, l’énergie perdue restant proportionnelle à la masse du véhicule.

Deuxièmement, tout objet qui avance déplace l’air sur son passage. Cela induit une résistance à l’avancement. Il est facile de montrer que l’énergie nécessaire pour parcourir une certaine distance est proportionnelle au carré de la vitesse, à la section du véhicule et dépend d’un « coefficient de pénétration » en fonction de sa forme. A cette résistance, il faut ajouter toutes les autres forces de frottement. Pour des vitesses supérieures à 80 km/h, l’énergie de déplacement de l’air n’est plus du tout négligeable.

Conclusion de ces considérations basiques : les SUV (Sport and Utility Vehicle), que l’on voit sur l’autoroute roulant à 150 km/h, sont une absurdité, d’autant plus que les formes agressives sont anti-aérodynamiques. Au nom de quel principe certains individus se donnent le droit de piller des ressources naturelles dont les générations futures pourraient avoir besoin ?

Pour afficher leur pseudo « réussite sociale » ? Ou simplement la vacuité de leur vanité ?

Venons-en aux voitures électriques : elles sont équipées de batteries au lithium (bon article dans Wikipédia). Ces batteries sont très performantes. Les dernières batteries équipant les Renault Zoe ont une capacité de stockage annoncées de 75 kWh pour 330 kg, soit 0.23 kWh / kg, à comparer au potentiel des carburants cités plus haut (10kWh / kg). Il sera probablement difficile de faire beaucoup mieux, car à poids égal, cela revient à augmenter les champs électriques à l’intérieur de la batterie et à augmenter les risques de « claquage ». De plus, ces batteries supportent environ un millier de cycles charge-décharge complets. C’est peu compte tenu du coût énergétique de la fabrication et des difficultés du recyclage.

Les autonomies annoncées ne permettent pas de parcourir de grandes distances sauf à augmenter le poids des batteries ce qui est contraire à l’impératif de légèreté.

La consommation de carburant pour les véhicules (gazole + essence) est d’environ 40 millions de tonnes par an en France. Cela représente 400 tWh / an ! Etant donné le rendement des moteurs thermiques ( ), pour continuer à utiliser autant de véhicules qu’actuellement, il faudrait produire environ 160 tWh d’énergie électrique (tWhe) que l’on est censé obtenir par les énergies renouvelables d’ici 2035 - 2040. Supposons que chaque éolienne ait une puissance de 2 MW qu’elle peut produire la moitié de l’année. Cela correspond à 9 giga Wh / an. Donc il faut environ 18.000 éoliennes dédiées aux véhicules.

Il va y avoir beaucoup de pétitions contre !

Et le photovoltaïque ? À raison de 8h de production d’électricité par jour, moyenné sur l’année, un jour sur deux, on obtient 250 kWh /an et par mètre carré. Il faudrait donc couvrir 640 .

Bien sûr l’approvisionnement sera la somme de plusieurs sources. Le genre de calcul ci-dessus, basé sur des moyennes, ne tient pas compte des fluctuations météorologiques qui peuvent vite devenir problématiques. D’où l’importance de la grille (réseau de distribution) et du stockage de l’énergie.

Pour comparaison, un réacteur de 1.300 MWe fournit 11 tWh /an, il faudrait donc une quinzaine de réacteurs nucléaires consacrés aux véhicules, et étant donnée la perte de savoir-faire dans ce domaine en France…

La voiture électrique est une partie de la solution en usage urbain ou périurbain (réduction de la pollution de l’air).

Pour les longues distances, imaginons un jour de départ aux vacances d’hiver, plusieurs milliers de voitures ont besoin de recharger simultanément leur batterie puisque l’autonomie ne permet pas d’atteindre les stations. Pour recharger une batterie de 50 kWh en 1h il faut une puissance de 50 kW par voiture. S’il y a 100 voitures à recharger simultanément cela fait 5000 kW. Certains prétendent même qu’il suffirait de couvrir les parkings de panneaux photovoltaïques. Pour cet exemple, il faudrait au moins 3 ha, à condition qu’il fasse grand soleil et pour 100 véhicules par heure seulement. Celui qui s’arrête après 16 h attendra le lendemain et dormira dans sa voiture en hiver. La charge ne se fera pas en 220 V car il faudrait 230 A par voiture, etc. Même si l’exemple n’est pas très réaliste il permet de juger des discours.

Le tout électrique pour les transports va obliger à revoir en profondeur l’économie du tourisme et les infrastructures. Et cela d’ici 2035 !

Etant donnée la structure des batteries au Lithium (référence ci-dessus), on comprend bien les difficultés de leur recyclage. Quelle fraction réelle le sera ? Et les batteries des trottinettes, vélos électriques, petits appareils tels que tondeuses ?

Enfin certains parlent de camions électriques…

Les camions qui apportent toute l’année les fruits et légumes du sud de l’Espagne ou du Portugal doivent pouvoir parcourir 1.000 km sans s’arrêter ou peu. Considérons un moteur de 150 kW fonctionnant pendant 12 h, cela représente une énergie de 1.800 kWh. En extrapolant la batterie de la Zoé, il faudrait des batteries de 8 tonnes. Sans parler du temps de recharge de telles batteries !

C. Ce qui parait négligeable.

Que vaut un petit nombre multiplié par un grand nombre ? Est-ce nécessairement négligeable ? Dans cette section nous examinons quelques situations anodines qui ont néanmoins un impact non négligeable.

Illustrons cette question par un exemple dans le domaine de l’économie : «  Il faut prendre l’argent où il se trouve, c’est à dire chez les pauvres. Bon d’accord, ils n’ont pas beaucoup d’argent, mais il y a beaucoup de pauvres. » Alphonse Allais

Les VMC et les appareils connectés :

Les plus petites VMC ont une puissance de 38 W. Donc une énergie consommée quotidiennement de 0.9 kWh soit, par an, 333 kWh. Ceci multiplié par des millions de logements, ce sont plusieurs GWh ( de carburant).

Même type de calcul avec les appareils connectés.

Les courriels, les requêtes, les réseaux pseudo-sociaux…

Une recherche internet utilisant Google consomme environ 1100 J c’est à dire 0.3 Wh (1100/3600=0,3)

Pour 20 millions de personnes qui font 10 recherches par jour, c’est 20 GWh / an.

Pas facile de trouver des informations précises et simples sur les autres aspects, courriels, vidéos, stockage et nombre de courriels conservés inutilement, de sites internet obsolètes, etc. qui encombrent les data centers . Et ce n’est pas seulement de l’énergie, mais aussi de l’eau pour refroidir ces data centers.

1h de vidéo = 0.5 kWh, 10 millions de personnes qui regardent 1h de vidéo par jour, c’est 1.8 tWh /an.

Rappel : un réacteur nucléaire de 1.300 MWe produit 11 tWh /an d’énergie.

On arrive donc à une fraction non négligeable de la production d’un réacteur nucléaire.

Vivement un orage magnétique majeur !

Les piscines : la plupart des piscines ont un système de filtrage de l’eau et donc une pompe. Les données sont variables mais plusieurs sites donnent une consommation annuelle d’au moins 2.000 kWh pour une piscine de 50 de volume. 1 million de piscines consomment donc au moins 2 tWh /an.

Les climatiseurs : la climatisation avec des pompes à chaleur « réversibles » est un argument de vente qui a été utilisé, même par le ministère. La chaleur de quelques jours d’été deviendrait-elle insupportable ? Dans le calendrier républicain, cette période s’appelait Thermidor mais les professionnels de l’angoisse n’existaient pas encore.

Les « biocarburants » : pour les fabriquer il faut apporter de l’énergie. Le rendement qui est l’énergie récupérée en utilisant le biocarburant divisé par l’énergie apportée pour l’obtenir, surtout à partir du pétrole, varie beaucoup selon les sources et le type de carburant.

Si on additionne les coûts environnementaux à long terme quel est le gain réel ?

Les crypto monnaies : d’après le site www.bitcoin.fr la consommation mondiale d’énergie se situe entre 46 tWh et 62 tWh par an pour la planète.

A vous de continuer la liste…

4. Et tout ce que nous ne voulons pas voir.

Le vingtième siècle nous a laissé au moins deux calamités : les matières plastiques et la « grande distribution ». Les deux sont très liées.

La France consomme 4.8 millions de tonnes de plastique par an, dont 46 % pour les emballages. D’après ce que l’on trouve immédiatement sur internet 26 % est recyclé, 43% brûlé et 32 % enfoui. Recycler les plastiques est compliqué parce que les différents types ne peuvent être mélangés. Leur succès est dû aux prix bas pour des objets aux formes et couleurs variées plus difficiles à obtenir avec d’autres matériaux. Mais rares sont ceux qui durent, donc on jette.

Nous recopions ici ce que l’on trouve directement sur internet :

« Pour obtenir 1 kilo de PET (le plastique transparent des bouteilles d’eau ou de soda), il faut environ 2 kilos de pétrole. Au total, la fabrication de matières plastiques absorbe ainsi 4 % de la consommation mondiale de pétrole. »

- Que consomme la fabrication de tous nos gadgets, téléphone portables, batteries au Lithium, etc. ? - ---- - Quelle consommation de pétrole pour les engrais ? Quel est le coût énergétique et environnemental réel de fabrication des agro-carburants, appelés éco-carburants ?

- Quel est le coût environnemental de la mode-caprice, mieux connue sous le nom de « fast-fashion »?

Et quel est son coût humain ? On avait pourtant appris que l’esclavage avait été aboli en 1848…

Pour être honnête, il faut aussi ajouter à notre consommation électrique et en carburant toute celle contenue dans nos importations d’autres pays, que l’on critique parce qu’ils produisent du CO₂.

N’en sommes-nous pas responsables ?

5. Conclusion.

Vous avez assez d’éléments pour l’écrire vous-mêmes.

Elevons le débat en rejetant les affirmations du genre « ce n’est pas moi, c’est l’autre » ou bien « d’ici là on trouvera bien quelque chose »

C’est qui « on » ? Jean-Pierre PANSART

Appendice. Les unités.

Le système d’unités utilisé par tous les pays, sauf les Etats-Unis, est le système d’unités international (SI) ou Mètre-kilogramme-Seconde Ampère.

Unité de longueur : le mètre (m)

Unité de temps : la seconde (s)

Unité de masse : le kilogramme (kg)

Unité d’intensité de courant électrique : l’Ampère (A)

Ce système est universel car sans référence à des particularités locales (voir le livre « Mesurer le monde » de Ken Alder).

Historiquement, par définition, la circonférence de la terre est 40.000 km, en supposant que la terre est une sphère parfaite. C’est donc une définition universelle , n’en déplaise à ceux qui se croient obligés de parler en pied ou en pouce pour faire « pros ». Cela ferait plutôt singe.

Actuellement, la définition du mètre n’est plus celle-ci, d’abord parce que la terre n’est pas une sphère parfaite, et puis pour d’autres raisons plus complexes. Notons que les scientifiques américains utilisent le Système International d’Unités.

Enfin le mile marin ou nautique qui vaut 1852 m n’est pas une bizarrerie, il correspond à une minute d’arc de grand cercle de la sphère Terre.

L’unité de volume est un cube de 1 m de côté, c’est le . Ce n’est pas forcément très pratique mais grâce au système décimal on peut définir le litre (l) : , l’hectolitre, etc.

L’unité de surface est un carré de 1 m de côté, c’est le . Grâce au système décimal on peut définir le , l’hectare : un carré de 100 m de côté :

L’unité de vitesse est le mètre par seconde (m/s). Que ce soit la vitesse d’un véhicule ou du vent, il est plus coutumier de parler en km/h (kilomètre par heure). Une vitesse de 1m/s correspond à 3.600 m/h c’est à dire à 3,6 km/h. Inversement une vitesse de 50 km/h correspond à environ 14 m/s. Un vent de 36 km/h est un vent dont la vitesse est de 10 m/s, qui permet de faire fonctionner les éoliennes.

Vous aimez le ressenti en hiver ? Pourtant il en faudra du vent, et plus rapide encore, pour recharger votre voiture électrique.

Dans le Système d’Unités International l’unité de force est le Newton (N).

Par définition un corps de masse 1kg soumis à une force de 1 N accélère ou décélère de , c’est à dire que sa vitesse augmente ou diminue de par seconde. Une masse de 1 kg (1 l d’eau) que vous soulevez exerce une force de 9.81 N. Si vous lâchez cette masse, le rapport à l’accélération apparait immédiatement. La force de 9.81 N est la force exercée par la Terre du fait de la gravitation universelle sur une masse de 1 kg, c’est à dire que si vous lâchez un corps tenu dans votre main, il atteindra une vitesse de 9.81 m/s au bout de 1s. Si cela était évident cela aurait été inventé avant le 17ème siècle (Newton).