L'énergie sous toutes ses formes

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L’énergie baigne notre monde, omniprésente dans notre quotidien et dans le débat public. Sans elle, pas un mouvement, pas de vie. Quelles énergies pour demain ? Quel impact sur le climat ? Quels défis techniques, quels risques ? Voici quelques éléments de réponse.

Nous connaissons 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 maîtriser les enjeux des débats sur la transition énergétique, souvent techniques ou partisans.

L'énergie baigne le monde. FredArt, Flickr, cc by nc nd 2.0

À l’occasion de la sortie de l’ouvrage L’énergie sous toutes ses formes de Jo Hermans, adapté pour la France par Pierre Manil et publié par EDP Sciences en deux tomes, nous avons choisi d’en transcrire les grandes lignes pour Futura-Sciences.

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 baignent notre quotidien.

En parcourant ce dossier, vous verrez quelle est la place de l’énergie dans nos vies quotidiennes, en France et ailleurs. Vous verrez comment on la consomme et son lien avec le réchauffement climatique. Vous vous poserez la question du mode de transport le moins énergivore. Vous découvrirez 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 et réfléchirez au stockage d’énergie de demain.

futura sciences 19mai.2014

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L’énergie est un concept difficile à appréhender. C’est d’abord un mot du langage commun qui revêt de nombreux sens, associés au dynamisme, à la puissance...

Pour les physiciens, c’est une grandeur physique qui s’exprime en joules (J). On la rencontre sous de nombreuses formes : énergie cinétique, potentielle, mécanique, électrique, chimique, chaleur, etc. Toutes ces formes ont le pouvoir de se transformer l’une en l’autre. La loi qui gouverne ces processus est la loi de conservation de l’énergie, qui stipule que la quantité totale d’énergie reste constante au cours de ces transformations. L’énergie n’est donc jamais consommée, mais seulement convertie. Le produit final d’une série de transformations est pratiquement toujours de la chaleur.

On observe ce phénomène un peu partout autour de nous. Au fur et à mesure de ses rebonds, par exemple, une balle rebondissante convertit toute son énergie potentielle en chaleur : sa température augmente légèrement, de même que celle du sol. La chaîne Hi-Fi tire son énergie d’une prise électrique, dont une proportion importante est convertie en chaleur par l’amplificateur. Même l’énergie transportée par les ondes acoustiques atterrit sur les murs, où elle est absorbée et transformée en chaleur.

Le processus inverse — convertir la chaleur en une autre forme d’énergie — est moins facile. Dans une machine à vapeur ou un moteur, seule une partie de la chaleur est effectivement convertie en énergie mécanique. La chaleur résiduelle est perdue. En pratique, un moteur thermique a un rendement de l’ordre de 25 %. Le rendement d’une centrale thermique est du même ordre.

Collision d'ions plomb à très haute énergie dans le détecteur Alice du grand accélérateur de hadrons, le LHC. Collaboration Alice

La conversion entre énergie électrique et énergie mécanique est possible dans les deux sens avec des rendements proches de 100 %. La notion de puissance, exprimée en watts (W), correspond à la vitesse à laquelle on utilise (ou on produit) l’énergie, donc à des joules par seconde.

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Techniquement parlant, les êtres humains sont des moteurs. À ceci près qu’il est impossible de les arrêter. Même au repos, nous consommons un petit peu d’énergie pour maintenir le système en marche. Notre cœur, par exemple, consomme en continu quelques watts de puissance pour faire circuler le sang dans nos veines.

Et notre cerveau ? On s’est rendu compte qu’il consomme plus d’énergie que n’importe quel autre organe humain : jusqu’à 20 % de la consommation totale ! Deux tiers du budget énergétique du cerveau permettent aux neurones d’envoyer et de recevoir des signaux. Le dernier tiers est utilisé pour la « maintenance », c’est-à-dire l’entretien des cellules.

Un perchiste en plein effort physique convertit grâce à ses muscles de l'énergie chimique en énergie mécanique, puis en énergie potentielle (gravitationnelle). Tsutomu Takasu, cc by 2.0

Pendant un effort physique, notre consommation énergétique augmente et est convertie en travail et en chaleur. Même au repos, nous chauffons en permanence. Chez un individu en bonne santé et dont la corpulence est stable, toute la ration quotidienne de nourriture finit en chaleur, ce qui correspond à une puissance d’environ 100 W. Un être humain est donc un radiateur de 100 W. Soit la puissance d’une ampoule ordinaire.

En plein effort physique, cette valeur augmente évidemment. Un être humain normal peut développer en continu 100 W de puissance, pour monter des marches ou faire du vélo par exemple. Nous parlons ici d’énergie purement mécanique. L’énergie totale utilisée par le corps est bien supérieure, car le rendement de nos muscles est loin d’être parfait. En plein effort, bien plus de 100 W sont donc libérés en chaleur.

Mais alors, comment faisons-nous pour maintenir notre corps à une température constante et confortable ? Il existe trois mécanismes pour évacuer la chaleur et refroidir le corps : la conduction thermique avec l’air ambiant, le rayonnement et l’évaporation.

Taux indicatifs de production d’énergie, de production de chaleur et de chaleur évacuée par un adulte en plein effort. Comme le rayonnement et la conduction sont à peu près constants, c’est l’évaporation qui est notre planche de salut. EDP Sciences

La conduction et le rayonnement sont complètement conditionnés par la différence de température entre notre corps et le monde extérieur. Ils sont gouvernés par les lois de la physique : notre corps n’a pas la possibilité de les ajuster. Heureusement, il y a aussi le mécanisme d’évaporation… que notre organisme est capable d’influencer en régulant automatiquement la quantité de sueur produite. La figure suivante indique l’évolution de plusieurs formes d’énergie et de chaleur au cours d’un exercice physique.

Dès que l’effort commence, la production totale d’énergie augmente à peu près quatre fois comme le travail effectué, ce qui s’explique par le rendement musculaire fixé ici à 25 %. La chaleur produite correspond à l’énergie totale produite moins le travail effectué. On voit que l’évaporation joue le rôle clé dans le mécanisme de thermorégulation qui permet de maintenir notre température. Elle est particulièrement efficace, l’évaporation de l’eau étant très gourmande en énergie.

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L’utilisation domestique d’énergie varie énormément d’un endroit de la planète à un autre. Quantitativement, mais aussi par la nature de l’énergie utilisée. Dans les zones rurales des pays en développement, le bois est souvent la principale (voire la seule) source d’énergie. La consommation électrique est basse et principalement destinée à l’éclairage. À l’opposé, l’électricité est la forme d’énergie domestique dominante dans les pays industrialisés. À cette consommation électrique élevée s’ajoute celle d’énergie pour le transport, le chauffage et la climatisation.

Chauffage : Le premier consommateur d’énergie du foyer dans nos pays est le chauffage. C’est assez intuitif : tous nos appareils électriques réunis ne suffiraient pas pour chauffer à eux seuls notre maison, même si toute l’énergie qu’ils consomment finit en chaleur (si on met de côté quelques machines comme le lave-vaisselle et le lave-linge qui relâchent la plus grande partie de leur chaleur dans les égouts sous forme d’eau chaude). Pour économiser de l’énergie, il faut donc s’attaquer en premier lieu au système de chauffage. Règle numéro un : générer efficacement la chaleur. Règle numéro deux : ne pas perdre inutilement la chaleur produite, d’où la nécessité d’isoler convenablement nos habitations.

Schéma des différentes sources géologiques du gaz naturel : gaz associé aux gisements de pétrole (A), gaz conventionnel non associé (B), gaz de houille (C), gaz de réservoir ultracompact (D) et gaz de schiste (E). US Energy Information Administration, DP

Les solutions pour se chauffer sont nombreuses. Le gaz naturel est la technique la plus répandue à ce jour, même si d’autres solutions plus performantes s’imposent progressivement. Les unités modernes de chauffage au gaz à haute performance sont très efficaces.

La France a la particularité d’avoir misé dans les années 1970 sur le chauffage électrique, à une époque où son parc de centrales nucléaires était en pleine expansion. Cette technologie est souvent décriée pour ses effets négatifs sur le réseau et sa contribution importante aux pics de consommation hivernaux qui supposent de recourir aux centrales thermiques. À surface identique, un ménage français consomme 40 % de chauffage de plus qu’un ménage néerlandais malgré un climat en moyenne plus clément.



Les pompes à chaleur, qui déplacent l’énergie plutôt que de la convertir en chaleur, sont très efficaces et ont certainement beaucoup d’avenir. Parmi les technologies en plein essor, on peut citer la cogénération, qui met à profit la chaleur libérée par une centrale électrique au lieu de la déverser bêtement dans une rivière. À une plus petite échelle, la microcogénération est spécifiquement adaptée aux habitations. Son but premier est de fabriquer de la chaleur : l’électricité n’est qu’un produit secondaire. Comme l’électricité est une forme d’énergie bien plus utile que la chaleur, cette approche permet d’améliorer le rendement global et de réaliser des économies.

La maison solaire écologique, située sur l'île Sainte-Hélène au Canada. Benoît Rochon, cc by sa 3.0

Les capteurs solaires, évoqués plus loin, sont en plein développement. Pour le chauffage, ils présentent l’inconvénient d'être principalement actifs en été, quand on en a le moins besoin. Il faut donc les associer à un stockage de chaleur sur le long terme, ce qui est loin d’être simple.

Autre option : le chauffage solaire passif, c’est-à-dire sans composants technologiques, encore très sous-utilisé.

Une fois la chaleur produite, veillons à limiter les pertes ! Ce sont elles qui conditionnent la quantité d’énergie nécessaire pour maintenir notre habitation au chaud. Pour diminuer ces pertes de chaleur, il faut améliorer l’isolation. Le double vitrage, qui met à profit la très mauvaise conductibilité thermique d’une couche d’air comprise entre deux parois de verre, est très efficace. Il permet de diviser par deux les pertes de chaleur tout en améliorant le confort en limitant le bruit et les courants d’air frais par convection le long de la fenêtre. De simples rideaux peuvent déjà faire la différence.

L’eau chaude : L’électricité est bien pratique pour chauffer l’eau. Mais un chauffe-eau électrique reste cher et peu efficace. En termes de consommation d’énergie primaire, une chaudière à gaz fait mieux pour moins cher. Les capteurs solaires peuvent aussi faire l’affaire. Contrairement au chauffage, pas besoin de stockage sur le long terme. Sous nos climats tempérés, ce n’est toutefois pas une solution idéale : un système d’appoint est nécessaire pour les jours nuageux.

Led bleues. Pour obtenir cette couleur, on peut utiliser un semi-conducteur en séléniure de zinc (ZnSe), en nitrure de gallium-indium (InGaN) ou en carbure de silicium (SiC). Alexofdodd, cc by nc 3.0

L’électroménager et l’éclairage : En France, un ménage moyen consomme près de 4.700 kWh par an, soit l’équivalent d’une puissance de 540 W en continu. La consommation moyenne d’électricité d’un foyer français correspond donc à plus de cinq lampes de 100 W allumées jour et nuit. Dans un foyer équipé de lampes à incandescence ordinaires, c’est à peu près ce que consomme l’éclairage quand il est allumé, soit 20 % du temps. L’éclairage n’est donc pas la première source de consommation électrique des ménages. Toutefois, on peut facilement en améliorer le rendement en remplaçant les lampes à incandescence par des tubes fluorescents et des ampoules basse consommation ou par des diodes électroluminescentes (Led). Le rendement de ces sources de lumière est particulièrement élevé.

Quel appareil ménager consomme le plus ? Les principaux consommateurs d’électricité d’une habitation sont ceux qui produisent le plus de chaleur : lave-linge, lave-vaisselle, sèche-linge, aspirateur, télévision, réfrigérateur, congélateur ou chaîne Hi-Fi. Une comparaison honnête entre différents appareils doit se baser sur leur consommation d’énergie primaire, c’est-à-dire sur la quantité de carburant nécessaire pour les alimenter. Le rendement de conversion de la centrale électrique ou le rendement du moteur automobile doit aussi être pris en compte. Le tableau suivant compare la consommation de plusieurs appareils. Il indique leur puissance en watts et leur consommation horaire de pétrole, d'essence ou de gaz naturel. Ces valeurs sont arrondies et supposent un fonctionnement continu à la puissance donnée.

Consommation d’énergie primaire de différents appareils. EDP Sciences

Il manque un chiffre dans le bilan de notre consommation énergétique : l’énergie utilisée pour fabriquer ces objets. La question n’est pas simple. Faut-il comptabiliser l’essence utilisée par les ouvriers pour venir au travail ? Faut-il décompter l’énergie économisée ou récupérée quand on recycle ou qu’on jette le produit ? Une nouvelle science est en train d’émerger pour étudier cette dimension de la consommation d’énergie : l’analyse du cycle de vie.

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Les déplacements sont un poste important de notre facture énergétique. En France, la part des transports dans la consommation énergétique finale s’élève à 32 %, bien au-dessus de celle de l’industrie (21 %). Sur les 25 km de déplacements quotidiens locaux d’un Français moyen, 16 km sont parcourus en voiture, 2 km en transports en commun, 0,7 km à vélo et 5,6 km à pied.

La voiture : Il faut fournir de l’énergie pour accélérer une voiture. L’énergie nécessaire pour atteindre une vitesse donnée est proportionnelle à la masse de la voiture et à sa vitesse au carré. Ainsi, il faut quatre fois plus d’énergie pour atteindre 100 km/h que pour atteindre 50 km/h. Accélérer de 0 à 100 km/h demande autant de carburant que de parcourir 1 km sur autoroute, ou que 15 km en train ! Un train est en effet comparativement lourd mais relativement économe une fois en mouvement.

Lancée à vitesse constante, une voiture doit combattre une certaine résistance. Le rôle du moteur est de fournir à la voiture exactement la force qu’il faut pour vaincre cette résistance. C’est donc précisément cette résistance qui détermine la consommation de carburant. Elle est liée à deux phénomènes : la résistance au roulement, presque entièrement causée par la déformation des pneus sur la route, et la résistance de l’air, ou traînée, qui dépend de l’aérodynamisme du véhicule.

La résistance ressentie par une voiture augmente énormément à grande vitesse, à cause de l’augmentation rapide de la résistance de l’air (courbe de droite). C’est ce qui explique l’augmentation de la consommation à grande vitesse. EDP Sciences

La figure ci-dessus compare ces deux effets dans le cas d’une voiture de taille moyenne. À basse vitesse, la résistance au roulement domine. Dans ce cas, il vaut clairement mieux avoir une voiture légère qui consommera moins d’énergie pendant les nombreux cycles d’arrêt-redémarrage. Sur autoroute, la résistance de l’air prédomine. On préférera une voiture basse et étroite, à faible surface frontale. L’aérodynamisme est alors essentiel. Et comme la résistance de l’air augmente avec le carré de la vitesse, conduire vite augmente sensiblement la consommation.

La voiture hybride utilise deux moteurs pour augmenter le rendement — un moteur thermique ordinaire et un moteur électrique. L’énergie provient exclusivement d’essence ou de diesel : tout ce que fait la technologie hybride, c’est d’utiliser cette énergie plus efficacement que dans une voiture ordinaire. C’est une bonne solution pour les trajets urbains.

La Toyota Prius est un exemple d'automobile hybride essence-électricité. Chris73, cc by sa 3.0

La voiture tout électrique n’est aujourd’hui envisageable que pour les courtes distances, puisque les performances des batteries actuelles ne permettent pas d’embarquer assez d’énergie. Leur autonomie suffit toutefois à la plupart des trajets domicile-bureau. Si la technologie des batteries progresse, on peut penser que les voitures électriques finiront par parcourir des distances comparables à celles couvertes par les voitures thermiques actuelles.

Le bus et le train : Pour les trajets longs, un bus plein est trois fois plus efficace qu’une voiture. En ville, lorsque de nombreux arrêts s’imposent, bus et voitures sont relativement comparables.

Pourvu qu'il soit équipé d'un moteur, un bus plein est trois fois plus efficace qu'une voiture. Pierre Manil, DR

Les trains subissent une résistance de l’air supérieure à celle des voitures, mais ils transportent bien plus de passagers. Du fait de leurs roues métalliques et des rails en acier, les trains ont aussi un coefficient de résistance au roulement bien plus petit et sont donc particulièrement compétitifs.

À grande vitesse toutefois, les trains sont condamnés à être inefficaces énergétiquement : la résistance de l’air augmente avec le carré de la vitesse. Rouler deux fois plus vite demande donc quatre fois plus d’énergie. La résistance au roulement devient négligeable à partir de vitesses autour de 300 km/h. En pratique, un TGV consomme à peu près cinq fois plus d’énergie qu’un train grande ligne ordinaire. Heureusement, le taux d’occupation élevé des TGV améliore leur efficacité par passager. N’oublions pas qu’un TGV fonctionne avec de l’électricité et pas du carburant fossile.

L'avion : L’avion est à peu près aussi efficace qu’une voiture à moitié pleine. Cependant, certains facteurs comme le fret compliquent la comparaison. Beaucoup d’avions transportent bien plus de fret que les simples bagages des passagers. Leur efficacité totale est donc difficile à évaluer avec précision.

Efficacité énergétique en nombre de passagers-kilomètre par litre de carburant, pour un taux de remplissage de 100 % sur une longue distance. Pour les véhicules électriques, on suppose que l’électricité est produite dans une centrale au pétrole. Dans le cas du vélo, c’est l’équivalent énergétique en litres de pétrole de la nourriture qui est indiqué. EDP Sciences

Le vélo : Le vélo est le grand gagnant quand on regarde la quantité d’énergie dépensée par kilogramme de masse transportée et par unité de distance. Contrairement à la marche, le centre de gravité du cycliste reste fixe. Le coefficient de résistance au roulement est très semblable à celui d’une voiture. Le coefficient de résistance de l’air varie beaucoup d’un cas à l’autre, suivant la position du cycliste. L’aérodynamisme est donc essentiel pour atteindre une vitesse élevée.

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La consommation d’énergie varie énormément d’un bout à l’autre de la planète, comme nous allons le voir…

La figure suivante nous montre qu’un grand nombre de pays industrialisés comme le Royaume-Uni, le Japon, l’Allemagne, la France, les Pays-Bas et la Russie consomment 2,5 à 3 fois plus d’énergie par habitant que la moyenne mondiale (il y a même un facteur 5 pour les États-Unis et le Canada). On comprend donc que la consommation énergétique mondiale serait multipliée instantanément par près de trois si chaque personne sur Terre avait accès au même confort énergétique que nous.

Produit intérieur brut et consommation d’énergie par habitant pour différents pays. De nombreux pays en développement (non représentés) se trouvent dans le coin inférieur gauche, entre l’Égypte et l’Inde. (Source : Statistiques clés sur l’énergie dans le monde, 2008, Agence internationale de l’énergie). EDP Sciences

Au-delà d’un certain niveau de consommation énergétique, le PIB augmente en moyenne moins vite, comme d’autres indicateurs de développement. Cela doit nous inciter à revenir à un niveau de consommation raisonnable qui garantit un niveau de confort élevé tout en limitant le gaspillage.

Le cas de la France : La consommation d’énergie en France correspond à environ 5,5 kW par habitant en continu, soit l’équivalent de 15 litres de pétrole par jour. D’où provient toute cette énergie ? Les sources d’énergie de la France sont représentées sur le diagramme suivant pour l’année 2012. Même si la proportion d’énergie nucléaire dans la production d’électricité est très élevée en France (76 %), la part des carburants fossiles reste importante quand on regarde le bilan des approvisionnements en énergie : gaz naturel, pétrole et charbon totalisent 50 % de notre besoin en tonnes d’équivalent pétrole. Contrairement à d’autres pays développés, nous utilisons en revanche peu de carburants fossiles pour produire notre électricité.

Sources d’énergie de la France pour l’année 2012. EDP Sciences

Comment l’énergie est-elle utilisée ? Voici la ventilation approximative par secteur d’activité en France en 2012.

Utilisation de l’énergie par secteur d’activité en France en 2012. EDP Sciences


La plus grande partie de notre consommation sert à chauffer les habitations et les bureaux. L’isolation des habitations et des bureaux doit donc être le premier axe stratégique pour augmenter notre performance énergétique. Après le chauffage, la production d’électricité représente un quart de la consommation totale d’énergie. Pour fixer les ordres de grandeur, les chemins de fer consomment 1,5 % de notre électricité totale, à peu près la même chose que l’éclairage des routes et des lieux publics.

Notre bouquet de carburants, le mix énergétique électrique, a significativement évolué ces dernières décennies. La première source pour la production électrique reste l’énergie nucléaire. De ce fait, la part des combustibles fossiles reste faible par rapport à nos voisins. La place de l’hydroélectricité est importante et relativement stable. L’éolien et le solaire on fait leur apparition dans les années 2000 avec une contribution autour de 4 % seulement, en forte croissance. Parmi les plus petits contributeurs, on trouve les autres énergies renouvelables : usines de traitement des ordures, biomasse, géothermie, biogaz, etc.

Dans le monde : La consommation énergétique mondiale était de 533 x 1018 J en 2010. Pour une population de 6,8 milliards d’habitants, cela correspond à 78 GJ par personne et par an. Un Européen moyen en consomme 2,5 fois plus. La plus grande partie (80 %) provient de carburants fossiles.

La figure qui suit montre l’évolution de la contribution de chaque source d’énergie au cours des deux derniers siècles.

Consommation mondiale d’énergie par source. Sur les dernières décennies, on remarque que 80 % environ proviennent des carburants fossiles. Les contributions de l’énergie nucléaire et de l’hydroélectricité se valent. EDP Sciences

Les réserves de carburants fossiles : Les réserves mondiales de pétrole et de gaz naturel sont comparables. Mais comme on consomme plus rapidement le pétrole que le gaz, il sera épuisé plus tôt : sans doute dans un demi-siècle en supposant que la consommation mondiale d’énergie reste à son niveau actuel. En comparaison, il nous resterait à peu près deux siècles de charbon.

Fraiseuse à charbon. Cette source d’énergie serait encore disponible pour deux siècles si la consommation mondiale reste au niveau actuel. Gregory Tonon, cc by sa 2.0

Il faut probablement ajouter à ces réserves les grands stocks de gaz de schiste. Il s’agit de gaz étroitement piégé dans le schiste à des profondeurs de 1,5 à 5 km et composé principalement de méthane. La technologie d’exploitation des gaz de schiste est encore en développement. Elle repose sur des techniques d’extraction dont les conséquences environnementales sont discutées.

Pendant de nombreux siècles, la population mondiale a survécu sans consommer de carburants fossiles — jusqu’au début de la révolution industrielle.

L’humanité est actuellement en train de consommer en quelques centaines d’années la totalité d’un stock de carburants qu’il a fallu plusieurs centaines de millions d’années à la nature pour constituer. Nous vivons une parenthèse enchantée de l’aventure humaine : l’ère des carburants fossiles, qui restera une période très courte dans l’histoire de l’humanité.

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Il existe un lien étroit entre consommation d’énergie et climat. Ce lien est dû à l’effet de serre, dont on entend beaucoup parler. Mais n’oublions pas qu’il existe un effet de serre naturel. La planète est chauffée par le Soleil ; elle atteint un état d’équilibre entre chaleur absorbée et chaleur émise. En l’absence d’atmosphère, la température moyenne de la Terre serait de -18 °C.

Certaines molécules de l’atmosphère (eau, dioxyde de carbone, méthane, etc.) absorbent une partie du rayonnement réémis par la Terre, portant sa température moyenne réelle à 15 °C. La situation est donc comparable à celle d’une serre qui laisse entrer la lumière solaire et qui retient le rayonnement thermique venant de l’intérieur, d’où le nom d’effet de serre.

Les différents secteurs d’activité n’émettent pas les gaz à effet de serre dans les mêmes proportions. Robert A. Rohde, cc by sa 3.0

De nos jours, cet effet est amplifié par l’activité humaine à cause de l’émission de gaz à effet de serre supplémentaires dans l’atmosphère. La principale source est le dioxyde de carbone (CO2) même si d’autres gaz jouent aussi un rôle. L’augmentation du taux de CO2 s’explique en partie par la déforestation, mais avant tout par la combustion des carburants fossiles. Des mesures réalisées en Antarctique sur des carottes de glace montrent que la concentration en CO2 est inédite depuis au moins 650.000 ans.

La figure suivante permet d’identifier les réservoirs et les flux annuels de carbone (les quantités de carbone sont exprimées en gigatonnes, soit 1012 kg). On voit que les principaux flux s’équilibrent globalement sur la durée. Un petit flux vient perturber cet équilibre naturel : c’est le CO2 issu de la combustion des carburants fossiles, qui intensifie l’effet de serre.

Réservoirs de carbone (sous forme de rectangles sans échelle, en 1012 kg) et flux de carbone (sous forme de flèches, en 1012 kg/an) impliqués dans le réchauffement climatique. EDP Sciences

Les conséquences ne sont que suppositions… mais l’augmentation spectaculaire du taux de CO2 aura forcément des répercussions. Ce qui se passera vraiment est difficile à prédire. Il y a pourtant un niveau de consensus raisonnable au sein de la communauté scientifique, comme en attestent les résultats du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (Giec). Premièrement, on s’attend à une augmentation des températures moyennes mondiales de deux à quatre degrés (voire plus) au cours du siècle à venir, avec de grandes disparités géographiques. Ces différences pourraient avoir un effet sur la position des différentes zones climatiques. Le niveau des mers pourrait monter, conséquence de la fonte des glaces et de la dilatation de l’eau des océans.

Parmi les remèdes envisagés : réduire les émissions de CO2 en réduisant l’utilisation des carburants fossiles. Mais nous pouvons aussi empêcher le CO2 émis de finir dans l’atmosphère. Planter des arbres est une bonne idée, mais cela ne suffira pas. Des méthodes de séquestration se développent, comme le captage et le stockage du carbone. Une fois capturé, le CO2 gaz peut être comprimé et transporté dans des pipelines. Il faut alors trouver des réservoirs de carbone pour le stocker. Le stockage océanique est la solution la plus attirante, vu la taille du réservoir que constituent les océans. L’inconvénient est que les eaux océaniques deviendraient plus acides, avec des conséquences encore inconnues sur la vie marine.

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Le Soleil est notre source d’énergie par excellence. C’est lui qui fournit l’énergie qui rend possible la vie sur Terre. Nous lui devons aussi un héritage bien utile sous la forme de réserves de pétrole, de gaz naturel et de charbon.

Il suffirait de capter une minuscule fraction de l’énergie solaire pour approvisionner en énergie l’humanité tout entière. En l’absence de nuages, quand le soleil et haut dans le ciel, chaque mètre carré reçoit 1 kW, soit l’équivalent d’un chauffage électrique standard.

Pour de nombreuses applications, c’est le flux d’énergie solaire moyen net qui importe. Il prend en compte l’influence des nuages et de la nuit et varie beaucoup au fil des saisons. La moyenne européenne est de 125 W/m2, ce qui est l’équivalent en énergie d’environ 100 litres de pétrole par mètre carré et par an ! Comment capter cette manne d’énergie solaire ?

Irradiation annuelle moyenne en France sur une surface horizontale (données 2004-2010). GeoModel Solar, 2011

La photosynthèse : La nature a développé un système efficace, qui inclut le stockage : la photosynthèse. Serait-ce une solution viable en termes d’approvisionnement énergétique ? Pour satisfaire la consommation actuelle d’énergie de la France en cultivant des plantes de façon renouvelable, il faudrait mettre en culture la totalité du pays ! Il ne faut donc pas trop attendre des agrocarburants. Le problème de la photosynthèse, c’est son faible rendement : seule une petite partie du flux d’énergie solaire est exploitée (moins de 1 % dans nos pays). Les cellules photovoltaïques sont bien plus efficaces, et elles ne concurrencent pas la production alimentaire.

Capteurs solaires et usage passif : La meilleure façon d’utiliser l’énergie solaire est aussi la plus simple : mettre à profit directement la chaleur du soleil. Une fenêtre retient presque 80 % du flux de chaleur incident. Le principe des capteurs solaires thermiques est simple : une plaque noire à température ambiante absorbe presque tout le rayonnement solaire. Si on les utilise pour chauffer de l’eau, ils peuvent tirer parti du flux solaire intense durant les mois d’été. Pour le chauffage, il faut leur associer un stockage sur le long terme. C’est envisageable dans le cas de grandes unités d’habitation, comme un lotissement ou un immeuble de bureaux. Une unité d’appoint s’impose, alimentée par exemple au gaz naturel.

Des systèmes de stockage chimique sont en cours de développement. Ils ne présentent pas de pertes thermiques d’une saison sur l’autre.

Première tour solaire commerciale d'Europe (2007) située près de Séville, en Espagne. La poussière de l'air rend ici la lumière convergente visible. Afloresm, cc by 2.0

Les cellules photovoltaïques : Les cellules photovoltaïques convertissent directement le rayonnement solaire incident en électricité. Le rendement des cellules actuelles (à base de silicium) atteint 25 % en laboratoire et 14 à 20 % pour les modèles commerciaux. Pour améliorer le rendement, on peut combiner différents matériaux dont la sensibilité à la couleur est différente : la lumière transmise par une couche pourra être absorbée par la suivante. On parle de cellules multijonctions. Un rendement record de 44,7 % a été atteint en 2013 par une équipe de recherche franco-allemande comprenant le CEA, avec une nouvelle structure de cellule solaire à quatre jonctions. De nombreux autres développements sont en cours.

Les cellules solaires sont bien plus efficaces que la photosynthèse, mais de grandes surfaces restent nécessaires pour une production substantielle d’électricité. Pour produire l’équivalent d’une centrale conventionnelle (1.000 MW), il faudrait en France une surface nette de 53 km2 de cellules solaires avec un rendement (optimiste) de 15 % !

Le four solaire d’Odeillo, dans les Pyrénées-Orientales, de 54 mètres de haut et 48 m de large comprenant 63 héliostats, est un four fonctionnant à l’énergie solaire, mis en service en 1970. Ian macm, cc by sa 3.0

Concentrer la puissance solaire : Dans les régions les plus ensoleillées de la planète, l’énergie solaire thermodynamique par concentration est une bonne alternative aux panneaux photovoltaïques. Plusieurs centrales pilotes produisant de l’électricité ont déjà été construites aux États-Unis et en Espagne, par exemple. Leur rendement va de 15 à 30 %.

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L’énergie éolienne n’est rien d’autre que de l’énergie solaire déguisée. C’est soleil, en chauffant de manière hétérogène la surface terrestre, qui donne naissance au vent. Conséquence immédiate : le potentiel global de l’énergie éolienne est bien moindre que celui de l’énergie solaire. Malgré tout, le potentiel de l’énergie éolienne est loin d’être négligeable.

Éoliennes dans l’Aude. Zewan, cc by 2.5

Pour choisir le meilleur emplacement pour une éolienne, il faut connaître la vitesse moyenne locale du vent. La figure ci-dessous représente la carte des vents en France à une altitude de 50 m. On constate de grandes disparités : un moulin à vent situé dans le Centre produira jusqu’à huit fois moins de puissance qu’un moulin similaire situé en Languedoc-Roussillon. Vu la grande variabilité de la vitesse du vent, la puissance moyenne délivrée par une éolienne ne représente que 20 à 30 % de sa puissance nominale.

Un grand nombre d’éoliennes installées dans un endroit venteux peuvent rivaliser avec une centrale électrique, pourvu que les éoliennes soient suffisamment espacées. En optimisant la disposition d’une ferme éolienne, on atteint des puissances totales de 1 à 3 MW/km2. C’est bien inférieur au rendement surfacique des cellules photovoltaïques, mais légèrement supérieur à celui des plantes par photosynthèse. Sans oublier que l’énergie éolienne est une énergie mécanique et qu’elle peut donc être convertie en énergie électrique avec très peu de pertes. Il faut environ 1.000 grandes éoliennes de 3 MW de puissance nominale, avec un rotor de 80 à 90 mètres de diamètre, pour remplacer une centrale conventionnelle de 1.000 MW en régime continu.

Répartition des vents en France à une altitude de 50 m. EDP Sciences

Le déploiement de l’énergie éolienne est très variable d’un pays à l’autre, même si les capacités sont en croissance rapide un peu partout en Europe. En 2012, par exemple, la puissance installée cumulée totale était de 31,3 GW en Allemagne, 22,8 GW en Espagne, 8,4 GW au Royaume-Uni et 7,6 GW en France, pour un total européen de 106 GW contre 75 GW en 2009. Rappelons que ces chiffres correspondent à la puissance nominale. La puissance délivrée, en moyenne annuelle, est à peu près trois à cinq fois inférieure et dépend, entre autres, des conditions de vent au cours de l’année. En 2012, l’Union européenne a produit 6 % de son électricité grâce au vent.

Les fluctuations de la puissance éolienne nécessitent l’utilisation de générateurs électriques d’appoint à réponse rapide pour pallier une baisse de production. Une partie des économies de carburants fossiles et d’émissions de CO2 promises par les éoliennes s’en trouve annulée.

L’énergie éolienne a d’autres inconvénients, tels que le bruit et ses effets indésirables sur la faune.

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Comme pour l’énergie éolienne, la plus grande partie des flux d’énergie renouvelable issus de l’eau et du sol est indirectement d’origine solaire. À l’échelle mondiale, ces flux d’énergie sont donc bien plus faibles que ceux qui proviennent directement du rayonnement solaire. Ils jouent pourtant un rôle important, puisqu’ils offrent une énergie solaire sous forme concentrée.

L’énergie hydraulique : La production d’énergie hydraulique a commencé il y a bien longtemps avec le développement des moulins à eau. De nos jours, l’hydroélectricité est produite grâce à de vastes lacs artificiels équipés de gigantesques turbines. Elle s’est hissée au rang de première source d’énergie renouvelable dans le monde… et de loin ! La contribution de l’hydroélectricité à la production totale d’électricité mondiale était de 16 % en 2010, contre 10 % en Europe. Les possibilités de nouveaux développements hydroélectriques en Europe sont toutefois assez modestes.

Schéma en coupe d'un barrage hydroélectrique. A : réservoir, B : centrale électrique, C : turbine, D : générateur, E : vanne, F : conduite forcée, G : lignes haute tension, H : rivière. Tomia, cc by 2.5

L’hydroélectricité présente de nombreux avantages. Elle est bon marché et n’émet pas de CO2. Elle permet une mise en service rapide et inclut son propre système de stockage si la centrale électrique est équipée d’un barrage. Elle peut donc facilement s’ajuster en fonction de la demande d’électricité, contrairement aux énergies éolienne et solaire. Hydroélectricité, énergie solaire et énergie éolienne sont donc des sources d’énergie complémentaires.

Elle a toutefois des inconvénients : l’impact sur l’environnement et sur les populations locales de la construction des barrages et des centrales électriques, mais aussi le risque de rupture du barrage en cas de tremblement de terre.

L’énergie des vagues (ou énergie houlomotrice) : n’est rien d’autre que de l’énergie éolienne concentrée. Avec un potentiel total de 200 GW, elle a des perspectives de développement plus faibles que l’énergie hydraulique. Comme l’indique la carte suivante, les côtes ouest-européennes sont parmi les mieux loties du monde. Malgré de nombreux projets pilotes mettant en œuvre des technologies variées, elle en est toujours aujourd’hui à ses balbutiements.

L’énergie marémotrice a un potentiel bien plus faible que l’énergie des vagues : Elle est surtout intéressante là où la forme du littoral permet d’amplifier le différentiel de hauteur des marées. On peut mettre aussi à profit l’énergie thermique des mers, en utilisant le gradient de température entre les couches marines pour actionner une machine thermique.

L’osmose entre eau douce et eau de mer : (aussi connue sous le nom d’électrodialyse inverse) pourrait permettre de produire des quantités modestes d’énergie. Des problèmes techniques liés à la technologie des membranes semi-perméables doivent encore être résolus.

La centrale électrique géothermique de Nesjavellir, en Islande. Gretar Ívarsson, DP

La géothermie : utilise le flux de chaleur issu du centre de la Terre. Presque partout sur Terre, la température est environ 30 °C plus élevée à un kilomètre de profondeur qu’en surface. La géothermie présente un énorme potentiel. Elle n’est cependant pas réellement renouvelable, puisqu’elle utilise de la chaleur géothermique emmagasinée en profondeur au fil du temps. Les régions (principalement volcaniques) qui abritent des réservoirs à haute température ou des formations rocheuses chaudes et sèches peuvent être mises à profit pour produire de l’électricité. Mais la plupart des régions du monde peuvent exploiter les sources géothermiques pour le chauffage, en utilisant des pompes à chaleur si nécessaire. La technologie de forage peut s’inspirer de celles de l’industrie pétrolière.

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La fission nucléaire et la fusion nucléaire produisent toutes deux de l’énergie. Leur cycle de fonctionnement n'émet pas de CO2. Pour autant, elles posent les questions du risque technologique et d'une possible mauvaise utilisation du combustible, qui méritent d'être regardées avec attention...

L’énergie issue de la fission nucléaire : La technologie nucléaire utilisée actuellement partout sur Terre se base sur la fission. Elle utilise les noyaux les plus massifs, dont les nucléons sont légèrement « trop lourds » par rapport à ceux des atomes de masse intermédiaire. La différence est très petite (moins de 1 % par nucléon) mais elle correspond à une énergie gigantesque, que l’on cherche à exploiter. Les 435 réacteurs nucléaires en service dans le monde en 2014 utilisent ce principe pour produire de l’électricité. Plus précisément, ils ne produisent pas directement de l’électricité mais de la chaleur. Cette chaleur est ensuite utilisée pour entraîner une turbine à vapeur qui, à son tour, alimente un grand générateur. La spécificité du nucléaire réside donc dans la première étape : produire de la chaleur à partir de réactions nucléaires.

L’énergie nucléaire fournit 13 % de la production mondiale d’électricité (données 2011), soit environ 5 % de la consommation totale d’énergie. En France, elle assure 76 % de la production électrique.

Sous sa forme actuelle, l’énergie nucléaire est basée sur la fission de l’uranium, plus précisément de son isotope le plus rare (l’uranium 235). Les réserves actuelles d’uranium permettraient d’alimenter la filière en combustible pendant environ 100 ans, au niveau de prix et de technologie actuel. Cette durée serait sensiblement allongée si on prenait en compte les réserves d’uranium plus coûteux. Si on exploitait également l’isotope d’uranium le plus abondant (l’uranium 238), la durée possible d’exploitation augmenterait au moins d’un facteur 100. Pour autant, ce n’est possible qu’avec les surgénérateurs qui sont capables de convertir l’uranium 238 en plutonium.

Schéma d’un réacteur nucléaire à eau pressurisée. La vapeur d’eau produite fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un générateur. Nuclear Research and Consultancy Group


Le coût d’investissement d’une centrale nucléaire est élevé (plusieurs milliards d’euros), mais les coûts d’exploitation sont bas. Les centrales nucléaires sont principalement adaptées pour fournir la « charge de base » d’électricité, pas pour répondre à des fluctuations rapides de la demande.

Les avantages de la fission nucléaire sont de diminuer la dépendance aux pays producteurs de gaz et de pétrole, d’être intéressante sur le plan économique et de ne pas émettre de CO2. La fission a l’inconvénient de permettre de mauvaises utilisations de l’énergie nucléaire (la prolifération). L’uranium 235 et le plutonium 239 (qui est produit automatiquement en petites quantités quand un réacteur fonctionne) peuvent servir à la confection d’une bombe nucléaire. Ceci dit, cela nécessite de produire de l’uranium nettement plus enrichi que celui qu’on trouve dans un réacteur, ou bien d’extraire le plutonium 239 du combustible nucléaire usagé.

Même si les réacteurs nucléaires modernes obéissent à tous les critères de sécurité, des accidents majeurs peuvent se produire en cas de panne du système de refroidissement. C’est principalement à cause de la chaleur résiduelle qui est produite même après l’arrêt du réacteur, comme l’a montré la catastrophe de Fukushima en 2011. Des réacteurs à sécurité intrinsèque sont en cours de développement, mais ils ne seront pas disponibles avant 2020.

Le traitement des déchets nucléaires reste un problème à résoudre, même si les quantités de déchets restent faibles : ils peuvent être stockés sans danger dans des mines de sel, d’argile ou de granite. Les inconvénients de l’énergie nucléaire doivent être soigneusement mis en balance avec l’effet des carburants fossiles sur le changement climatique.

Fusion nucléaire et énergie : La fusion nucléaire ne pourra pas contribuer à la production mondiale d’énergie avant 2050. Elle est toujours en phase expérimentale. Mais si sa faisabilité technique et économique est démontrée, son potentiel est énorme puisqu’elle utilise un carburant disponible pendant des milliards d’années. Un litre d’eau ordinaire contient suffisamment de deutérium pour produire l’équivalent en énergie de 200 litres de pétrole. Le combustible des réacteurs de fusion est abondant et disponible. Les réacteurs de fusion prendront sans doute la forme de grandes installations, comparables aux réacteurs de fission actuels produisant 1.500 MW d’électricité. Les problèmes liés au traitement des déchets seront probablement bien moindres pour les réacteurs de fusion que pour les réacteurs de fission actuels. Des accidents importants semblent peu probables avec la fusion.

Schéma d’Iter, le réacteur international de fusion en cours de construction près de Cadarache, dans le sud de la France. Notez le personnage en bas à gauche, qui donne une idée de la taille de la machine. CEA

De nombreuses nations sont aujourd’hui impliquées en totale collaboration dans la recherche sur la fusion. Le réacteur expérimental Iter est le fruit de la coopération entre de nombreux pays : Chine, Corée du Sud, États-Unis, Europe, Inde, Japon et Russie.

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Stocker l’énergie est indispensable pour répondre aux fluctuations de la production et de la demande d’énergie. La demande d’électricité, par exemple, peut évoluer très rapidement. Si on veut que la production puisse y répondre en permanence, il faut disposer d’une grande puissance installée en matière de centrales électriques.

La capacité du réseau doit permettre de faire face à n’importe quelle pointe de consommation électrique, même si elle ne se produit qu’une fois par an. Tout cela coûte cher, puisque cette surcapacité reste sous-utilisée le reste de l’année. Il serait plus économique de stocker l’électricité pour répondre à ces pointes.

Il est aussi nécessaire de pouvoir déplacer l’énergie dans l’espace. Dans notre voiture, l’énergie est stockée sous forme d’essence ou de diesel, plus une petite quantité dans la batterie. Avec le développement des énergies solaire ou éolienne, le transport de l’énergie deviendra un enjeu important.

Stocker de la chaleur dans l’eau est relativement efficace et facile pour un stockage à court terme (quelques jours). Le chauffe-eau solaire en est un bon exemple. En revanche, utiliser l’eau pour le stockage d’énergie sur le long terme (par exemple pendant six mois pour le chauffage) n’est possible qu’avec de grandes installations. De nouveaux développements comme le stockage thermochimique de chaleur peuvent permettre de réduire les volumes nécessaires, plus particulièrement pour des usages sur le long terme.

Le stockage d’électricité à grande échelle est plus efficace sous forme d’énergie mécanique, avec des réservoirs ou des lacs d’altitude par exemple.

Prototype de pile à combustible pour l'automobile. P. Stroppa, CEA

Le stockage d’électricité à petite échelle (pour les véhicules électriques ou les ordinateurs portables par exemple) peut se faire grâce aux batteries modernes, comme les batteries métal-hydrure métallique ou les batteries au lithium. Quoique supérieures aux batteries au plomb, elles restent lourdes et encombrantes comparées aux carburants fossiles, ce qui limite leurs applications mobiles.

Les supercondensateurs permettent de stocker et d’utiliser rapidement l’énergie électrique, puisqu’ils peuvent fonctionner à haute puissance. La récupération et la réutilisation de l’énergie de freinage en sont des applications.

L’hydrogène utilisé comme vecteur d’énergie a de beaux jours devant lui, en particulier pour le transport. On peut le produire à partir d’eau et d’énergie électrique. Par la suite, cet hydrogène permet de produire directement de l’électricité grâce aux piles à combustible. La production directe d'hydrogène à partir d’énergie solaire est à l’étude.

L’hydrogène se heurte au problème du stockage pour les applications mobiles. La solution la plus simple consiste à utiliser l’hydrogène sous forme gazeuse à haute pression. Des stations-service à hydrogène sont en cours de construction le long des autoroutes dans plusieurs pays (États-Unis, Norvège, etc.). Malgré tout, pour un véhicule ordinaire, l’essence ou le diesel restent bien plus pratiques. Toutes les autres solutions sont plus lourdes, plus volumineuses et plus encombrantes.

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Pour prolonger la réflexion, nous vous invitons à découvrir l’ouvrage en deux volumes L'énergie sous toutes ses formes, écrit par Jo Hermans et adapté par Pierre Manil, et publié chez EDP Sciences.

Dans L'énergie sous toutes ses formes, vous trouverez la réponse à de nombreuses questions sur l'énergie que vous vous posez sans doute :

Volume 1

- Quel genre de radiateur sommes-nous ? Comment le corps fait-il pour maintenir sa température ?

- Pomper la chaleur, ça veut dire quoi ? Vaut-il mieux utiliser une bouilloire, une casserole ou un four solaire pour préparer le thé ? La douche est-elle vraiment plus écologique qu’un bain ? Combien d’énergie pour fabriquer un kilogramme de chaource ?

- Une voiture hybride, comment ça marche ? L’avion pollue-t-il plus que le TGV ? Quelle quantité de graisse perd-on en pédalant ?

- Vivre mieux, est-ce forcément consommer plus ? Quelle consommation d’énergie en 2050 ?

Volume 2
Cliquez sur les images pour vous rendre sur le site de vente.

- Pourquoi les températures montent-elles ? Peut-on capturer le CO2 ?

- À force de briller, le Soleil finira-t-il par s’épuiser ? Comment choisir l’orientation de mon panneau solaire ? Le monde entier pourrait-il tourner à l’énergie solaire ?

- Quelle quantité d’énergie le vent transporte-t-il ? Vaut-il mieux exploiter le vent sur terre ou en mer ? L’électricité éolienne est-elle bon marché ?

- Faut-il construire de nouveaux barrages ? Comment exploiter la puissance des océans ? Puis-je utiliser le magma pour chauffer mon bain ?

- Le nucléaire est-il dangereux ? Quelle quantité de déchets une centrale produit-elle ? D’où vient la radioactivité ?

- Qu’est-ce qui limite l’utilisation des batteries ? De l’hydrogène pour remplacer l’essence ? Une pile à combustible, c’est quoi ?

Futura sciences 19/5/2014