Vers une énergie durable

Vers une énergie durable

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Livres
372 pages

Description

Pouvons-nous continuer à augmenter la consommation mondiale d’énergie ? Face à cette question, on a le sentiment que l’énergie se trouve à un « carrefour » : il est nécessaire de faire des choix.
Un point complet, clair et salutaire sur un sujet brûlant !

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Date de parution 14 mars 2017
Nombre de lectures 11
EAN13 9782746512122
Licence : Tous droits réservés
Langue Français

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Introduction


L’énergie est indispensable à la fois à la vie et à un vaste ensemble d’activités : production et transformation des matières premières, déplacements, éclairage et chauffage de nos lieux de travail et de nos habitations. Or, au cours du XXe siècle, les habitants de la planète ont décuplé leur consommation d’énergie ; aussi sommes-nous conduits à nous interroger, au début du XXIe siècle, sur la possibilité de continuer à augmenter notre consommation d’énergie, car :

  • – nous savons que certaines ressources (pétrole et gaz naturel notamment) seront très probablement épuisées avant la fin du siècle ;

  • – nous avons pris conscience que la consommation effrénée d’énergies fossiles (hydrocarbures et charbon) augmente continûment et fortement la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère, notamment celle du gaz carbonique, qui est un facteur majeur du réchauffement climatique ;

  • – nous constatons que les pays en voie de développement ont d’importants besoins énergétiques pour assurer leur décollage économique et le bien-être de leurs populations alors qu’on prévoit une augmentation de la population mondiale (probablement 9 milliards d’habitants en 2050) et que 1,5 milliard d’habitants de la planète n’ont pas encore d’accès direct à l’électricité.

Les modes d’utilisation de l’énergie ont toujours eu une forte influence sur les conditions de vie et l’organisation de la société (les moteurs thermiques et électriques ont permis le développement des moyens modernes de transport et ont ainsi transformé l’aménagement des villes et des territoires). Mais aujourd’hui, bien plus que par le passé, les choix énergétiques des pays ont une forte incidence sur l’avenir de toute la planète. En effet, les politiques énergétiques doivent permettre d’exploiter de façon « durable » les ressources énergétiques – qu’elles soient renouvelables (comme le solaire ou l’éolien) ou non renouvelables –, garantir aux pays émergents l’accès à l’énergie nécessaire à leur développement et prendre en compte les contraintes environnementales et climatiques. Dans les pays les plus développés, comme la France, ces politiques supposent des changements des modes et des habitudes de consommation de l’énergie. On observera que la très forte croissance du prix du baril de pétrole, en 2007-2008, a peut-être contribué à nous faire prendre conscience que nous sommes entrés dans une ère où l’énergie sera chère et rare. C’est pourquoi cette dernière est, aujourd’hui, au centre de débats où se mêlent des enjeux politiques à l’échelle nationale et mondiale, et des enjeux économiques, scientifiques et techniques : elle est largement devenue un problème de société.

L’objectif de ce livre, publié à l’occasion de l’ouverture de l’exposition permanente Énergies d’universcience, à la Cité des sciences et de l’industrie de La Villette, est de faire le point sur les grands enjeux de la question énergétique et d’expliciter les choix auxquels nos sociétés sont confrontées. Après avoir dressé un état des lieux (quelle énergie consommons-nous et comment ?) et rappelé quelques leçons de l’histoire, nous expliciterons les contraintes dont doit tenir compte la politique énergétique (avec ses dimensions sociétale et géopolitique) ainsi que les choix possibles pour que des pays comme la France préservent un accès « durable » à l’énergie, c’est-à-dire permettant de satisfaire les besoins à long terme de la société. Nous examinerons aussi les chantiers scientifiques et techniques du futur et nous terminerons en proposant quelques scénarios pour l’avenir.

Les auteurs ont bénéficié de fructueuses discussions avec Pierre Duconseille, Patrick Maury et Matteo Merzagora, qui ont eu la lourde responsabilité de réaliser l’exposition Énergies, et ils tiennent à les en remercier.

CHAPITRE 1

Pourquoi l’énergie est-elle devenue un problème de société ?


L’énergie, un acteur omniprésent

L’énergie est devenue un concept universel, pour ne pas dire envahissant. Pourtant, sa définition ne tient pas dans une formule lapidaire.

L’énergie est d’abord la capacité d’un système matériel de produire un travail qui peut être à l’origine d’un mouvement, d’un dégagement de chaleur ou de lumière : ainsi, avec la seule énergie musculaire, si l’on déplace une pierre sur une plaque de métal, on produira, par frottement, un dégagement de chaleur, voire quelques étincelles lumineuses.

Mais l’énergie n’est pas seulement liée à des phénomènes mécaniques : elle peut être impliquée dans des transformations de la matière d’origine physique ou chimique. Les changements d’état de la matière mettent en jeu de l’énergie : il faut fournir de l’énergie thermique (de la chaleur) pour vaporiser un liquide ou faire fondre un solide. De même, les réactions chimiques dégagent de la chaleur et, parfois, de la lumière.

L’énergie est donc dans une large mesure un acteur omniprésent, un deus ex machina intervenant dans une multitude d’opérations et de transformations. Elle n’est pas confinée dans le monde des machines ni dans l’univers classique de la thermodynamique, où l’on envisage essentiellement ses dimensions thermiques et mécaniques ainsi que les transformations physiques qui sont à la base de cette science. Avec la physique moderne, le concept d’énergie intervient dans le monde de l’atome et des particules élémentaires constitutives de la matière et du rayonnement : dans les accélérateurs de particules tels que la nouvelle machine du CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), le LHC (Large Hadron Collider), on provoque la collision à très grande énergie de protons qui donnent ainsi naissance à d’autres particules. L’interaction entre la lumière et la matière (par exemple un semi-conducteur comme le silicium) permet de transformer l’énergie lumineuse en électricité dans les cellules photovoltaïques des panneaux solaires. Enfin, l’énergie est aussi un acteur clé de la chimie et de la biologie, car toute réaction chimique implique l’absorption ou l’émission d’énergie, notamment sous forme de chaleur. Ainsi la combustion du charbon et du méthane en présence d’oxygène de l’air est-elle une réaction chimique qui dégage de l’énergie calorifique.

L’énergie est donc, en quelque sorte, une monnaie d’échange universelle dans la nature, la technique et l’économie. On convertit cette monnaie sous différentes formes (chaleur, mouvement dans une machine, lumière, électricité, etc.) grâce à des mécanismes physiques, chimiques ou biologiques, et on la stocke (dans le réservoir d’un barrage, sous forme d’essence, dans la graisse animale, dans une batterie électrique, etc.). Cette monnaie universelle est quantifiable avec des unités de mesure. L’unité de base de l’énergie a été définie en physique dans un système dit international : c’est le joule (représenté par le symbole J), qui est aussi l’unité de travail et de chaleur. 1 J est, par définition, le travail effectué par une force de 1 N (le symbole N représente le newton, unité internationale de la force) dont le point d’application se déplace de 1 m dans la direction de la force. Un exemple simple permet d’avoir une idée de l’ordre de grandeur de l’énergie que représente le joule : la pomme qui tomba sur la tête de Newton, alors qu’il méditait assis sous un pommier, avait sans doute une masse d’environ 100 g ; en tombant d’une hauteur de 1 m de l’arbre sur la tête du savant, elle a fourni un travail, dans le champ de pesanteur terrestre, d’environ 1 J, ce qui est, certes, une énergie faible, mais suffisante pour que Newton en ressente l’effet… On notera aussi que l’on utilise souvent la calorie comme unité de chaleur (en abrégé cal), dont l’énergie correspond à 4,1855 J. Ajoutons enfin que l’importance prise par l’énergie fournie par le pétrole dans les sociétés industrielles a conduit à utiliser très fréquemment une unité d’énergie qui est la tonne d’équivalent pétrole, notée tep. 1 tep est l’énergie calorifique fournie par la combustion de 1 t de pétrole, ce qui correspond à 42 milliards de joules (42 GJ, voir en annexe les notations des multiples des unités de mesure), ou à 10 milliards de calories (10 Gcal), ou à 11 666 kWh (voir le tableau A des annexes, à la fin de l’ouvrage). On convertit en tonnes d’équivalent pétrole l’énergie provenant de différentes sources ; par exemple, 1 t de charbon (anthracite) est équivalente à 0,7 tep.

Énergie et puissance

Dans tout processus, l’énergie n’est pas dépensée (ou mise en œuvre) instantanément. Un moteur thermique, par exemple, qui puise son énergie dans de l’essence, est capable de délivrer cette énergie pendant des heures, mais il peut aussi fonctionner par à-coups, car on peut avoir besoin d’utiliser une plus grande quantité d’énergie pendant un court laps de temps. L’énergie qui est délivrée par un système pendant une seconde (l’unité de temps) est, par définition, la puissance. Cette grandeur physique s’exprime avec une unité qui est le watt (représenté par le symbole W) : 1 W correspond à une énergie de 1 J/s (joule par seconde). Le corps humain nous donne un point de repère : en l’absence d’exercice, les fonctions vitales d’un adulte éveillé requièrent la dépense d’une puissance d’environ 80 W, qui correspond à son métabolisme de base. Pour les moteurs, on utilise encore une unité de puissance dont l’origine est ancienne, le cheval-vapeur (CV). 1 CV est équivalent à 735,5 W. Une puissance de 1 CV correspond à celle fournie par un cheval élevant une charge de 75 kg de 1 m en 1 s.

Il est important de ne pas confondre les deux concepts d’énergie et de puissance, car ils correspondent à des stades différents d’un processus ou à des modes différents d’utilisation de l’énergie, la puissance impliquant toujours le temps, par définition. Ainsi, une automobile peut avoir besoin de mobiliser une certaine quantité d’énergie pendant un très court intervalle de temps (au démarrage par exemple) et donc de mettre en œuvre plus de puissance que durant son fonctionnement en régime de croisière. Un second exemple est également parlant : si vous voulez monter au troisième étage de votre maison en portant une valise de 20 kg et en empruntant un escalier, vous pouvez le faire en une minute ou en trente secondes ; dans les deux cas vous dépenserez la même énergie, mais, dans le second, il vous faudra fournir deux fois plus de puissance, ce que tout le monde n’est pas capable de faire…

Pour schématiser les choses, on peut dire que, dans tout processus, il faut être capable de mobiliser beaucoup de puissance pour faire face à des à-coups (donner « un coup de collier ») ou délivrer rapidement de l’énergie. Les lasers qui seront utilisés pour tenter de réaliser la fusion thermonucléaire doivent être capables de délivrer une énergie colossale pendant une fraction de seconde ; ils doivent donc être très puissants. Signalons au passage que, lorsqu’on compare des systèmes énergétiques, il peut y avoir risque de confusion en raison de l’utilisation fréquente du kilowatt heure (kWh) comme unité d’énergie : 1 kWh est l’énergie produite par une machine d’une puissance de 1 kW (kilowatt ; 1 kW = 1 000 W) pendant une heure (soit 3,6 millions de joules). Il s’agit donc bien d’une énergie et non d’une puissance.

 

La plupart des processus utilisant de l’énergie mettent en œuvre des transformations de l’énergie. Dans un moteur thermique, par exemple, l’énergie thermique qui provient de la combustion d’un carburant (de l’essence dans un moteur à explosion) est transformée en travail ; le moteur a donc transformé une énergie chimique en énergie thermique dans un premier temps, et cette énergie thermique en énergie mécanique dans un second temps. Cependant, seule une fraction de l’énergie initiale est transformée en énergie « utile », c’est-à-dire en travail pour faire avancer un véhicule.

Dans un processus, c’est le « rendement » énergétique, c’est-à-dire le rapport entre l’énergie utile et l’énergie totale dépensée, qui est le paramètre physique important. Le rendement d’un moteur thermique est donc toujours inférieur à l’unité et il est limité par les lois de la thermodynamique (le principe de Carnot en particulier ; voir en annexe où il est explicité) : il dépend de la différence de température entre les sources chaude et froide. On parle aussi souvent d’« efficacité énergétique » d’une transformation : il s’agit d’utiliser au maximum l’énergie qui est produite en évitant d’abord les pertes, mais aussi en valorisant l’énergie qui n’est pas transformée en travail – par exemple, dans un moteur, la chaleur qui n’est pas transformée en travail et qui, en général, est dissipée dans l’atmosphère.

On améliore l’efficacité en utilisant mieux la chaîne de transformation de l’énergie. Les centrales électriques en offrent une bonne illustration. Si une centrale fonctionnant au gaz fournit une puissance électrique nominale (c’est-à-dire la puissance maximum qu’elle peut délivrer) de 1 000 MW (mégawatt ; 1 MW = 106 W) envoyée dans le réseau à la sortie des alternateurs, et si elle a un rendement de 33 %, le combustible aura dû fournir 3 000 MW de puissance thermique en amont ; l’énergie thermique qui n’est pas transformée en travail puis en énergie électrique est en général dissipée dans l’atmosphère ou dans l’eau d’une rivière. On peut aussi, éventuellement, faire de la cogénération, c’est-à-dire utiliser cette chaleur « perdue », par exemple pour alimenter un réseau de chauffage urbain.

Enfin, en économie, on utilise la notion d’« intensité énergétique » : c’est le rapport entre la consommation d’énergie d’un pays et son PIB (produit intérieur brut) ou, plus précisément, la quantité d’énergie nécessaire à la production d’une unité supplémentaire de PIB. C’est une donnée importante pour les politiques énergétiques.

Donnez-nous aujourd’hui notre énergie quotidienne

Avant d’être utilisée pour fournir la force motrice dans une machine ou un éclairage électrique, l’énergie est convertie pour faire fonctionner la machine humaine, comme aurait dit Descartes. Elle est indispensable, en effet, à nos fonctions vitales et tous les êtres vivants sont des transformateurs d’énergie, les hommes prélevant la leur dans leur alimentation. L’homme transforme l’énergie pour assurer les fonctions physiologiques indispensables à la vie (respiration, circulation sanguine, activité cérébrale, etc.), qui correspondent à son métabolisme de base. Pour ce faire, il doit mobiliser une puissance énergétique d’environ 80 W (pour un adulte d’un poids moyen de 65 kg), soit la consommation d’une ampoule électrique. On observera que le métabolisme d’un bébé est beaucoup plus élevé (2,7 W/kg au lieu de 1,3 W/kg pour un adulte) : il doit s’alimenter beaucoup pour assurer sa croissance – comme le constate sa mère !

À cette dépense énergétique de base s’ajoute celle que requiert tout effort musculaire intensif. Ainsi, pour un adulte, une marche à la vitesse de 7 km/h en terrain plat nécessite une dépense d’énergie correspondant à une puissance de 400 W ; l’effort du lecteur pour lire ce livre ne lui demande que les quelques watts nécessaires à ses muscles oculaires et à son cerveau, l’activité cérébrale représentant 20 % du métabolisme de base d’un adulte (alors que le poids du cerveau n’est que 2 % de celui du corps).

L’énergie nécessaire aux fonctions vitales et à l’activité physique est puisée dans les aliments. Un adulte doit s’assurer une alimentation quotidienne ayant un pouvoir énergétique de 2 500 à 3 000 kcal (kilocalorie), soit de 2,8 à 3,6 kWh. On doit rappeler, à ce propos, qu’une fraction importante de la population mondiale a le plus grand mal à assurer l’approvisionnement énergétique nécessaire à ses fonctions vitales, et souffre donc de malnutrition. Bien entendu, les rendements de conversion des différentes étapes de la chaîne alimentaire sont très faibles (les graisses animales sont les aliments les plus énergétiques : elles fournissent 39 kJ/kg, une énergie qui est dégradée avant d’être métabolisée dans le corps humain).

L’énergie quotidiennement nécessaire aux hommes est fournie par des processus biologiques et chimiques qui transforment l’énergie solaire en une énergie stockée sous forme chimique dans les plantes dont vont se nourrir les animaux ; les hommes en bénéficieront en se nourrissant de ces plantes et de ces animaux. C’est la photosynthèse qui constitue le mécanisme de base permettant la conversion de l’énergie solaire en énergie chimique stockée dans les molécules des plantes. Le soleil fournit généreusement à la planète, sous forme de lumière, environ 8 000 fois l’énergie annuelle dont elle a besoin (énergie utilisée par les activités humaines, fixée dans les plantes, etc.).

Mais le rendement de la photosynthèse est malheureusement très faible (environ 0,3 %). En tenant compte de l’énergie nécessaire à la culture et à la transformation des produits agricoles, le rendement énergétique global de la chaîne alimentaire (du pré à l’assiette) est donc également faible : le taux de conversion est de 5 % pour la viande de bœuf (autrement dit, il faut dépenser 100 J en amont pour récupérer 5 J dans un beefsteak). Dans un produit alimentaire acheté dans un supermarché, une tablette de chocolat par exemple, l’énergie fournie par l’aliment ne représente que le quart de l’énergie totale qui a été dépensée dans la chaîne de transformation (élaboration à partir du produit agricole, empaquetage, livraison, stockage en magasin et à la maison). On observera enfin que, alors que l’Europe traverse une « crise laitière » grave, le lait est l’aliment d’origine animale dont le taux de conversion énergétique (de la vache tondeuse de prairies au lait du biberon) est le meilleur (5 fois celui de la viande de bœuf)…

L’énergie est aussi consommée en abondance dans toutes les machines que nous utilisons dans la vie domestique, pour le transport et le travail (dans les activités de transformation et les bureaux). Ainsi, dans un appartement ou une maison d’une famille de quatre personnes, la puissance électrique installée, limitée par le disjoncteur, est de 6 kW. On peut utiliser une plaque électrique de trois feux avec un four dont la puissance totale est de 5 kW, un réfrigérateur de 0,2 kW, un four à micro-ondes de 1 kW, un fer à repasser de 1,5 kW, des lampes et tubes fluorescents de 50 à 100 W, un aspirateur de 1 kW, un chauffage d’appoint de 2 kW, une pendule électrique de 5 W (tableau 1)… Fort heureusement, tous ces appareils ne fonctionnent pas en même temps. Le réfrigérateur consommera 400 kWh par an ; son moteur ne tournera donc que 2 000 h/an, soit 23 % du temps (il y a 8 760 heures dans une année).

Puissance

Bougie

5 W

Tube fluorescent

50 W

Métabolisme de base (adulte)

80 W

Réfrigérateur

200 W

Four à micro-ondes

1 kW

Automobile (moyenne)

75 kW

Moteur TGV (atlantique)

1,1 MW

Réacteur Airbus A 380 (puissance maximum)

50 MW

Centrale électrique (puissance électrique)

1 GW

Cyclone majeur (pendant quelques minutes)

2 GW

Tableau 1 : Quelques exemples de puissance.

Les ordres de grandeurs des puissances sont indiqués en watts (W).

1 kW (kilowatt) = 1 000 W ; 1 MW (mégawatt) = 1 000 kW = 106 W ; 1 GW

(gigawatt) = 1 000 MW = 109 W.