L'énergie sous toutes ses formes T II : Ses différentes sources

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L’énergie baigne notre Monde : sans elle, pas un mouvement, pas une action, pas de vie. Elle est omniprésente dans notre quotidien – transport, eau chaude, électroménager – et dans le débat public. Quelles énergies pour demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défis techniques, quels risques ? Jusqu’à nos spots de pub : « L’énergie est notre avenir, économisons-là » ! Nous connaissons en effet une parenthèse enchantée mais provisoire de l’histoire humaine : celle de l’énergie disponible et bon marché.
Pour autant, ce qui se cache derrière le mot « énergie » n’est pas si clair. Pas facile de comprendre les enjeux des débats sur la transition énergétique, souvent trop techniques ou partisans.
Cet ouvrage aborde avec pédagogie mais sans simplisme des grands sujets de l’énergie. En parcourant ce deuxième tome, vous verrez comment exploiter l’énergie solaire et celle du vent, mais aussi celle des vagues, des marées, des lacs et du centre de la Terre. Vous recevrez un éclairage technique sur les opportunités et les risques du nucléaire ainsi que sur les espoirs placés dans la fusion. Vous mettrez de l’hydrogène dans votre réservoir et réf échirez au stockage d’énergie de demain. En parcourant les différentes sources d’énergie, vous comprendrez la complexité des choix et la richesse des opportunités qui s’offrent à nous.
Jo Hermans est professeur émérite de physique à l’Université de Leiden, aux Pays-Bas. En complément de son engagement dans l’enseignement et la recherche, il est l’auteur de plusieurs ouvrages de vulgarisation scientifique où il explique avec clarté, rigueur et humour les phénomènes physiques qui accompagnent notre quotidien.
Pierre Manil est ingénieur-chercheur au Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA). Il dirige le bureau d’études mécaniques de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (Irfu).
Publié le : samedi 1 mars 2014
Lecture(s) : 17
Licence : Tous droits réservés
EAN13 : 9782759812042
Nombre de pages : 180
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L’énergie sous toutes ses formes – Tome 2
COLLECTION BULLES DE SCIENCES
JO HERMANS
COLLECTION BULLES DE SCIENCES COLLECTION BULLES DE SCIENCES
JO HERMANSJO HERMANS
Traduit et adapté par Pierre Manil
Traduit et adapté par Pierre Manil
L’énergie sous toutes ses formes L’énergie sous toutes
Tome 2 – Ses différentes sources ses formes
L’énergie baigne notre Monde : sans elle, pas un mouvement, pas une
action, pas de vie. Elle est omniprésente dans notre quotidien – transport, Tome 2 – Ses différentes sources
eau chaude, électroménager – et dans le débat public. Quelles énergies pour
demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défi s techniques, quels risques ?
Jusqu’à ponctuer nos spots de pub : « L’énergie est notre avenir,
économisonslà » ! Nous connaissons en effet une parenthèse enchantée mais provisoire de
l’histoire humaine : celle de l’énergie disponible et bon marché.
Pour autant, ce qui se cache derrière le mot « énergie » n’est pas si clair.
Pas facile de comprendre les enjeux des débats sur la transition énergétique,
souvent trop techniques ou partisans.
Cet ouvrage aborde avec pédagogie mais sans simplisme des grands sujets de
l’énergie. En parcourant ce deuxième tome, vous verrez comment exploiter
l’énergie solaire et celle du vent, mais aussi celle des vagues, des marées,
des lacs et du centre de la Terre. Vous recevrez un éclairage technique sur
les opportunités et les risques du nucléaire ainsi que sur les espoirs placés
dans la fusion. Vous mettrez de l’hydrogène dans votre réservoir et réfl échirez
au stockage d’énergie de demain. En parcourant les différentes sources
d’énergie, vous comprendrez la complexité des choix et la richesse des
opportunités qui s’offrent à nous.
Jo HERMANS est professeur émérite de physique à l’Université de Leiden,
aux Pays-Bas. En complément de son engagement dans l’enseignement
et la recherche, il est l’auteur de plusieurs ouvrages de vulgarisation
scientifi que où il explique avec clarté, rigueur et humour les phénomènes
physiques qui accompagnent notre quotidien.
Pierre MANIL est ingénieur-chercheur au Commissariat à l’Énergie Atomique
et aux Énergies Alternatives (CEA). Il dirige le bureau d’études mécaniques
de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (Irfu).
ISBN : 978-2-7598-0795-6
16 € TTC - France
www.edpsciences.org
9782759 807956L’énergie
sous toutes ses formes7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNL’énergie
sous toutes ses formes
JO HERMANS
Traduit et adapté pour la France par Pierre Manil
Tome 2
Ses différentes sources
17, avenue du Hoggar – P.A. de Courtabœuf
BP 112, 91944 Les Ulis Cedex AIllustration de couverture :
Édition originale : Energy Survival Guide by Jo Hermans, published in 2011
by BetaText and Leiden University Press. © 2011 BetaText.
Mise en pages : Patrick Leleux
Imprimé en France
ISBN : 978-2-7598-0795-6
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés
pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de
l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage
privé du copiste et non destinés à une utilisation collective », et d’autre part, que les
analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute
représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants
erdroit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1 de l’article 40). Cette représentation ou
reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon
sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.
© EDP Sciences, 2014Le rayonnement solaire, ça équivaut
à combien de barils de pétrole ?
Quelle quantité d’énergie
le vent transporte-t-il ?
Faut-il construire de nouveaux
barrages ?
Le nucléaire,
c’est dangereux ?
Pourquoi vouloir stocker
de l’énergie ?7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNÀ mes petits-fi ls David et Thomas
et à leurs petits amis de la Terre entière, héritiers des succès
et des échecs de nos tentatives pour rendre ce Monde durable…Tome 2
Ses différentes sources
SOMMAIRE
Données de référence ................................................................. 11
Note du traducteur ..................................................................... 15
Préface ...................................................................................... 17
Chapitre 8. L’énergie solaire ......................................................... 19
A. Le potentiel de l’énergie solaire ............................................... 20
B. Comment capter l’énergie ? ........................................... 28
Chapitre 9. L’énergie éolienne ...................................................... 61
A. Le potentiel de l’énergie éolienne ............................................ 62
B. L’effi cacité des éoliennes ........................................................ 68
C. Parcs éoliens et espace occupé ................................................ 70
D. Contribution, variabilité et coût de l’énergie éolienne ................. 73
Chapitre 10. L’énergie de l’eau et du sol ....................................... 81
A. L’énergie hydraulique .............................................................. 82
B. L’énergie des vagues ............................................................... 84
C. L’énergie marémotrice ............................................................. 90
D. L’énergie thermique des mers ................................................... 91
E. L’énergie osmotique ................................................................ 92
F. La géothermie ........................................................................ 94
Chapitre 11. L’énergie nucléaire ................................................... 103
A. Fission ................................................................................. 107
B. Fusion .................................................................................. 126
C. Radioactivité et risques sanitaires ............................................ 135
8 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMESSOMMAIRE
D. Production d’électricité : le comparatif ..................................... 144
Chapitre 12. Stocker l’énergie ...................................................... 149
A. Pourquoi stocker l’énergie ? ..................................................... 150
B. Modes de stockage ................................................................. 152
Épilogue : Comment agir ? .......................................................... 169
E-références ............................................................................... 175
9L’ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES
TABLE DES ENCADRÉS
Combien d’énergie rayonne le Soleil ? ........................................... 22
Le rendement de la photosynthèse ............................................... 30
Comment fonctionne une cellule photovoltaïque ? .......................... 42
La voiture solaire ....................................................................... 55
Le Monde entier à l’énergie solaire ? ............................................. 56
La puissance du vent.................................................................. 64
L’énergie des réactions nucléaires ................................................. 107
Les réacteurs à sécurité intrinsèque.............................................. 120
Les réacteurs nucléaires de quatrième génération ........................... 123
Les réactions de fusion ............................................................... 131
Unités et doses ......................................................................... 143
Batteries et supercondensateurs................................................... 165
Les encadrés désignés par un pictogramme contiennent des petits calculs qui
s’appuient sur des notions de physique niveau lycée.
10 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMESDONNÉES DE RÉFÉRENCE
FACTEURS DE CONVERSION
Dans le domaine de l’énergie, on utilise souvent des unités
exotiques. Voici une sélection de facteurs de conversion utiles pour
convertir une énergie (en joules, J) ou une puissance (en watts, W).
Énergie
1 calorie (cal) = .................................................... = 4,187 J
1 kilocalorie (kCal ou parfois juste Cal,
ce qui prête à confusion) ................................. = 4,187 kJ
1 kilowattheure (kWh) ........................................ = 3,6 MJ
11 British Thermal Unit (BTU) ............................ = 1,055 kJ
1 tonne d’équivalent charbon (tec) .................... = 29,3 GJ
1 tonne d’équivalent pétrole (tep) ...................... = 41,9 GJ
21 million de barils .............................................. 5,7 PJ

1. Le British Thermal Unit (BTU) est une unité anglo-saxonne d’énergie défi nie
par la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un °F (soit 5/9 °C) la température
d’une livre anglaise d’eau (environ 454 g) à la pression atmosphérique.
2. Un baril de pétrole correspond à 42 gallons américains, soit environ 159 litres.
Suivant sa masse volumique, une tonne de pétrole brut représente 7 à 9,3 barils, la
moyenne mondiale se situant aux alentours de 7,6 barils par tonne.
11
≠L’ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES
1 électronvolt (eV)
–19 (utilisé pour les particules nucléaires) .............. = 1,6 × 10 J
Puissance (énergie par unité de temps)
1 kWh/an (kilowattheure par an) ................... = 0,114 W
–81 J/an (joule par an) ........................................ = 3,171 × 10 W
101 mbj (million de barils par jour) ................... ≈ 6,6 × 10 W
1 BTU/h (British Thermal Units par heure) ... = 0,293 W
–51 BTU/an ( par an) ....... = 3,345 × 10 W
Chaleurs de combustion
Glucides et protéines ................................................ 15 MJ/kg
Huiles et graisses ....................................................... 40 MJ/kg
Pétrole (qualité standard) ........................................ 41,9 MJ/kg
Essence ...................................................................... 35 MJ/litre
soit ......................................................................... 48 MJ/kg
Gaz naturel (à 1 bar, suivant son origine) :
1 3valeur haute ............................................................ 33-41 MJ/m
1 3valeur basse ............................................................. 30-37 MJ/m
Hydrogène (0 °C, 1 bar) :
1valeur haute ............................................................ 142 MJ/kg
3 soit ......................................................................... 12,8 MJ/m
1valeur basse ............................................................. 120 MJ/kg
3 soit ......................................................................... 10,8 MJ/m
Charbon (qualité standard) ..................................... 29,3 MJ/kg
Bois (sec) .................................................................. 20 MJ/kg
2Uranium naturel : rendements actuels approchés
Réacteur à eau légère, cycle à stockage direct ........ 500 GJ/kg
Réacteur à eau légère, avec retraitement ................. 670 GJ/kg
Surgénérateur ............................................................ 34 000 GJ/kg
1. L’énergie fournie par la condensation de la vapeur d’eau formée au cours de la
combustion est prise en compte dans la « valeur haute », pas dans la « valeur basse ».
2. L’énergie de fi ssion de l’uranium 235 seul a pour valeur 80 000 GJ/kg.
12 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMESDONNÉES DE RÉFÉRENCE
Pour une estimation rapide :
100 W ≈ un être humain ≈ une bougie ≈
¼ litre de pétrole/jour
Les préfi xes
3 –3kilo k 10 (millier) milli m 10 (millième)
6 –6méga M 10 (million) micro µ 10 (millionième)
9 –9giga G 10 (milliard) nano n 10 (milliardième)
12 1 –12tera T 10 (billion ) pico p 10
15 –15peta P 10 (billiard) femto f 10
18 –18exa E 10 (trillion) atto a 10
Air et eau
5Pression atmosphérique moyenne : 1,013 bar (1 bar = 10 pascals).
3Masse volumique de l’air à 1 bar, 20 °C : 1,2 kg/m .
Chauffer de l’air de 1 °C à la pression atmosphérique nécessite
31,2 kJ/m , soit 1 kJ/kg.
Chauffer de l’eau de 1 °C nécessite 4,2 kJ/litre (donc 4,2 kJ/kg).
Évaporer de l’eau nécessite 2,3 MJ/litre (donc 2,3 MJ/kg).
Essence, diesel et émissions de CO2
1 litre d’essence pèse environ 0,75 kg.
1 litre de gasoil pèse environ 0,85 kg.
La combustion de 1 kg de pétrole ou d’essence émet 3 kg de CO .2
3La combustion de 1 m de gaz naturel émet 2 kg de CO .2
121. Un billion correspond, en français, à 1 000 milliards, soit 10 . Nous utilisons
en effet « l’échelle longue » pour désigner les grands nombres. La confusion avec
l’échelle courte, utilisée par les anglo-saxons, est tentante : en anglais, billion désigne
notre milliard, tandis que leur trillion correspond à notre billion !
13L’ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES
La Terre et le Soleil
Terre : circonférence = 40 000 km ; diamètre = 12 730 km.
Soleil : diamètre = 1,4 millions de km ; diamètre angulaire
apparent = 0,5 degré.
Distance moyenne Terre-Soleil = 150 millions de km.
30Masse du Soleil = 2,0 × 10 kg.
Température à la surface du Soleil ≈ 5 500 °C (soit ≈ 5 750
kelvins).
26Flux d’énergie émis par le Soleil = 3,8 × 10 watts.
Flux d’énergie émis par le Soleil exprimé en perte de masse =
94 × 10 kg par seconde.
Le fl ux d’énergie solaire
Juste au-dessus de l’atmosphère (perpendiculairement aux rayons
2solaires) : 1 350 W/m .
À la surface terrestre (perpendiculairement aux rayons solaires)
2: 1 000 W/m .
Moyenne jour-nuit annuelle, nord-ouest de l’Europe, sur une
2surface horizontale : 110 W/m .
2(soit 3,5 GJ par an ou 90 litres de pétrole par m , soit une couche
de 9 cm d’épaisseur).
Consommation d’énergie (en kW/personne, en continu)
Moyenne mondiale .......................................................... 2,4 kW
France, Allemagne, Japon ................................................ 5,5 kW
États-Unis, Canada 10 kW
14 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMESNOTE DU TRADUCTEUR
J’ai rencontré le Professeur Hermans – Jo – à Paris. « Tu me
reconnaîtras facilement à mon air désespéré de non-parisien »,
m’avait-il promis par écrit. Mais, comme pour prouver qu’il
n’était pas insensible à nos usages, il avait joint une photo où il
présentait fièrement un verre de vin. Pire : c’est lui qui avait choisi
le restaurant…
Nous avons fait connaissance, pris un verre et évoqué son Energy
Survival Guide écrit en anglais pour les Pays-Bas, que je venais
d’accepter d’adapter pour la France. Comment en respecter le fond et le
ton tout en collant aux attentes du lecteur français ? Comment le faire
évoluer (à la marge) pour tenir compte des deux ans écoulés depuis
sa parution en 2011, quelques mois après l’accident de Fukujima ? La
France n’a pas qu’un rapport particulier au vin. L’énergie y tient une
place particulière. La prévalence du nucléaire comme moyen de
production d’électricité. Certaines habitudes de consommation qui en
découlent – l’exemple du développement du chauffage électrique il
y a quelques dizaines d’années. La place de l’industrie automobile et
aéronautique. La taille du territoire qui se mesure en « durée TGV »
ou celle de nos côtes venteuses et houleuses qui sont une centrale
propre en puissance.
15L’ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES
Dans cet ouvrage, au-delà des particularités locales, Jo Hermans
aborde avec pédagogie mais sans simplisme les grands sujets de
l’énergie : ce qu’elle est, à quoi elle nous sert, comment on la consomme ici
et ailleurs, comment on la produit et comment on la produira
peutêtre. Car ce guide (c’est ainsi que Jo l’a conçu dans sa version
originale) est tourné vers l’avenir. Non parce qu’il prophétise, mais parce
qu’il expose sans parti-pris les défis et les choix qui s’offrent à nous.
L’ouvrage original a été scindé en deux volumes par l’éditeur
français (Comment se transforme-t-elle ? et Ses différentes sources). Ce
découpage respecte les deux parties du manuscrit original (Insight et
Outlook) elles-mêmes découpées en chapitres, tels que vous les
trouverez ici. Le premier volume a abordé la nature de l’énergie, sa place
dans nos vies quotidiennes, la façon dont on la consomme et la
question du réchauffement climatique. Ce second volume passe en revue
les modes de production et de stockage de l’énergie : solaire, éolien,
nucléaire, hydraulique… et les défis technologiques qui leurs sont
associés. Des pistes de solutions, peut-être ?
Les données chiffrées ont été réactualisées et adaptées au cas de
la France. Des commentaires sur les particularités nationales ont été
ajoutés pour éclairer les débats en cours. Les questions introductives
ainsi que certaines notes sont propres à cette version.
Autour de la table, avec Jo et sa femme Hanneke, la discussion a
progressivement glissé de l’ouvrage à l’énergie, de l’énergie à la société,
de la société à la vision que nous avions de ses problèmes. Nous étions
d’accord, avec notre génération de différence, pour les trouver bien
nombreux. Et pour convenir que face à cette complexité, notre travail
de scientifiques consiste modestement à donner un éclairage sur le
monde qui nous entoure.
Café englouti. L’addition arrive. À nous trois, nous avons mangé
15 millions de joules : nous en avons pour 30 kWh.
Pierre Manil
Gif-sur-Yvette, septembre 2013
16 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMESPRÉFACE
1Cet ouvrage est un vrai guide de survie , pour deux raisons.
D’abord parce qu’il s’adresse à chacun d’entre nous, confrontés
à la montée des prix de l’énergie. Le premier tome a tenté d’éclairer
le concept d’énergie et le rôle majeur qu’il joue dans notre vie de
tous les jours... Un tour d’horizon qui en a dit long sur l’énergie
et sur son coût… mais surtout sur ses nombreuses formes et ses
transformations.
Ensuite, parce qu’il constitue une source d’information fi able
pour ceux qui veulent avoir une vision équilibrée de l’avenir
énergétique de notre planète. Les chapitres 8 à 12 regroupés dans ce
second tome s’efforcent de dessiner des perspectives et de tracer
des pistes pour l’énergie du futur. Les solutions alternatives pour
l’après-pétrole sont passées en revue ainsi que leur potentiel, leurs
avantages et leurs inconvénients.
Parler d’énergie sans s’appuyer sur des chiffres n’a pas de sens.
Les aspects quantitatifs sont indispensables… et, la plupart du
temps, ils facilitent la compréhension. Dans la plupart des cas, une
simple estimation assaisonnée d’un soupçon d’arithmétique suffi ra.
1. Le titre original de l’ouvrage, traduit de l’anglais, est « Energy Survival Guide ».
17L’ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES
Parfois, un outil simple et puissant nous sera nécessaire : le principe
de conservation de l’énergie. Les données de référence utiles sont
regroupées en début d’ouvrage, sous le titre « Données de
référence ». Soucieux de privilégier la vision d’ensemble et la facilité
d’utilisation plutôt que la précision à outrance, nous utiliserons
souvent des valeurs approchées.
Pour ceux qui veulent un aperçu rapide d’un sujet précis, les
conclusions données en fi n de chapitre (« Ce qu’il faut retenir »)
pourront suffire. Ceux qui recherchent une information plus
complète sont invités à lire tout le texte. Des encadrés (comme
« Compter les fl ammes », au chapitre 4) permettront aux lecteurs
intéressés d’aller plus loin dans le détail. Et, pour ceux à qui un petit
calcul ne fait pas peur, les encadrés signalés par un petit professeur
(ici à gauche) fourniront davantage de précisions. Ils s’appuient sur
des notions de physique niveau lycée.
Certains points précis comme la consommation d’énergie des
ménages sont plus faciles à expliquer en s’appuyant sur le cas d’un
pays particulier. Les Pays-Bas sont souvent cités en exemple : leurs
habitudes énergétiques sont généralement représentatives du monde
industrialisé. Les données par habitant sont donc similaires à celles
que l’on trouverait pour d’autres pays de niveau de vie équivalent,
dont la France. Toutefois, chaque fois que nécessaire (comme pour
la production d’électricité par exemple), les données et les
particularités du cas français seront discutées.
J’espère que cet ouvrage aidera ceux qui le souhaitent à faire
des choix éclairés dans leur vie quotidienne, et qu’il contribuera
à l’avènement d’une politique énergétique responsable pour tous.
Jo Hermans
Leiden, novembre 2011
18 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES8
L’énergie solaire
Le rayonnement solaire, ça équivaut
à combien de barils de pétrole ?
À force de briller, le Soleil
fi nira-t-il par s’épuiser ?
Comment choisir l’orientation de mon panneau
solaire ?
Pourrait-on cultiver notre carburant ?
Peut-on imaginer des cellules
solaires vivantes ?
Le Monde entier pourrait-il tourner à l’énergie
solaire ?
19L’ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES
re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/solres/solreseurope.htm
Données complètes sur le rayonnement solaire
(Joint Research Center de la Commission
Européenne)
En anglais
setis.ec.europa.eu S ystème d’information sur les technologies
bas carbone-clés
(Strategic Energy Technologies Information
System, Commission Européenne)
En anglais
www.ipcc.ch Rappor ts et analyses détaillés
sur le changement climatique
(GIEC, Groupe d’experts intergouvernemental
sur l’évolution du climat)
178 L'ÉNERGIE SOUS TOUTES SES FORMES

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