Chroniques énergétiques par Greg de Temmerman

CLEFS POUR COMPRENDRE L’IMPORTANCE DE L’ÉNERGIE

Greg De Temmerman

Chroniques énergétiques

Clefs pour comprendre l’importance de l’énergie

Introduction

Appuyer sur un interrupteur pour allumer une lumière, ou un appareil électrique, prendre sa voiture pour se déplacer, utiliser son téléphone pour surfer sur internet. Autant de gestes de notre quotidien que l’on fait sans nécessairement réaliser la quantité d’énergie qu’ils mobilisent. Nous nous sommes habitués à être entourés d’objets et de machines fabriqués et alimentés par de l’énergie abondante et relativement bon marché.

Mais qui sait ce que représente 1 J (joule) ou 25 kWh (kilowattheures) ? Consomme-t-on plus d’énergie pour la fabrication d’un téléphone portable ou pendant son utilisation ? Que sont les énergies fossiles ? Pourquoi le charbon, qui a permis l’émergence de notre société industrielle, est encore une des sources d’énergie dominante ? Peut-on se passer de ces énergies qui émettent près de 40 milliards de tonnes de CO₂ par an et contribuent au changement climatique ?

Telles sont les questions que ce livre prétend éclairer. Sous un format de chroniques indépendantes, il se propose de donner les clefs pour comprendre notre dépendance à l’énergie, son importance dans notre société, et les difficultés à venir pour la transition énergétique. Cette dernière désigne l’effort sans précédent qui nous fait face pour remplacer en une trentaine d’années une infrastructure énergétique construite progressivement pendant 200 ans.

Pour comprendre l’énergie, il est nécessaire d’avoir en tête les ordres de grandeur et les principaux chiffres. Une approche seulement qualitative de la question ne permet pas d’appréhender les dynamiques en jeu. Par exemple, savoir que la part du charbon dans l’énergie primaire était de 25 % en 1973

et de 26 % en 2019 masque le fait que la quantité de charbon utilisée dans le monde a été multipliée par presque trois sur cette période. Il n’est évidemment pas question pour l’auteur légèrement sadique d’inonder le lecteur de chiffres pour le plaisir (quoique…), mais de mettre en lumière les chiffres et ordres de grandeur pertinents.

Le format de ce livre concis ne permet pas d’approfondir toutes les dimensions d’un sujet aussi complexe, mais il se veut une introduction factuelle et suffisante aux enjeux énergétiques présents et à venir.

L’énergie fut, est et sera toujours fondamentale pour l’humanité. Pour paraphraser Albert Einstein :

« Si vous ne pouvez expliquer un concept à un enfant de six ans, c’est que vous ne le comprenez pas complètement. »

Chronique Un

Énergie : quésaco ?

Se sentir plein d’énergie. Énergie renouvelable, propre ou verte. Énergie nucléaire, fossile, éolienne, solaire. Énergie noire. Boisson énergisante. Politique et transition énergétique. Autant de variations ou qualificatifs autour d’un même concept, qui paraît souvent abstrait : l’énergie.

D’ailleurs, savez-vous quelle quantité d’énergie vous avez utilisé depuis votre réveil ? Combien consomme votre machine à café ? Votre télévision ? Combien d’énergie thermique votre corps a-t-il dissipé pendant vos sept heures de sommeil ? Si vous avez une voiture thermique, vous savez en général, grâce à l’ordinateur de bord, combien de carburant elle consomme en litres pour 100 km – ou combien de kWh pour une voiture électrique. Quelle quantité d’énergie cela représente est plus difficile à juger.

Si nous avons une bonne idée du prix des choses qui nous entourent, le coût énergétique de leur fabrication est beaucoup plus difficile à appréhender. Et cela vaut pour tout le monde ou presque, bien peu de gens même experts savent combien d’énergie il faut pour fabriquer un téléphone portable ou même plus simplement une tonne d’acier. Commençons donc par définir de quoi on parle.

Qu’est-ce que l’énergie ?

Il est assez étonnant de voir que ce terme est utilisé très souvent sans bien savoir ce qu’il signifie ou désigne. C’est d’autant plus étonnant que l’énergie

est un concept fondamental qui sous-tend l’évolution du vivant dans sa globalité, et de la société humaine moderne en particulier.

En physique la définition courante de l’énergie est la « capacité d’un corps ou d’un système à produire du travail ». La quantité d’énergie que possède un système représente donc la quantité de travail qu’il peut réaliser. À l’échelle humaine, l’énergie est une mesure de notre capacité à transformer notre environnement. Construire une maison, extraire du pétrole, installer une antenne 5G ou une éolienne, toutes ces activités nécessitent de mobiliser une certaine quantité d’énergie. L’accès à des sources d’énergie abondantes a permis le développement de la société moderne telle que nous la connaissons. Nous sommes habitués à ce qu’une pression sur un interrupteur déclenche une action de façon quasi-instantanée.

Certes, me direz-vous, mais cela ne clarifie pas vraiment les choses. Même l’un des plus brillants physiciens du XXe siècle, Richard Feynman prix Nobel de physique en 1965, disait dans un de ses célèbres cours :

« Il est important de réaliser que dans la physique d’aujourd’hui, nous n’avons aucune connaissance de ce qu’est l’énergie. Nous n’avons pas de représentation comme quoi l’énergie viendrait en petits paquets d’une certaine quantité. Ce n’est pas ainsi. Cependant des formules permettent de calculer une certaine quantité numérique (…) »

Si l’énergie est si difficile à définir c’est qu’elle se manifeste principalement à travers ses variations et ses conversions. Un litre d’essence contient une énergie chimique de 32 MJ (mégajoules). Mais cette énergie ne se manifeste que lors de la combustion de ce litre d’essence – l’énergie chimique se convertit alors en chaleur, que l’on peut ressentir et utiliser de différentes façons.

Puissance et énergie

Il faut distinguer ces deux concepts qui sont souvent mélangés. L’énergie désigne une quantité disponible pour effectuer un travail. Elle se mesure en joules (J), en référence au physicien anglais James Prescott Joule, un des pionniers de la thermodynamique, ou en kilowattheure (kWh). Cette dernière est la plus familière car elle apparaît sur les factures d’électricité.

La puissance, quant à elle, quantifie la vitesse à laquelle ce travail est fourni. Elle désigne le débit d’énergie par seconde et s’exprime en watts.

Considérons deux exemples pour clarifier ce qui peut paraître abstrait.

La quantité d’eau dans un barrage représente une quantité d’énergie stockée. Le débit d’eau à la sortie du barrage représente la puissance, c’est-à-dire la vitesse à laquelle on utilise cette énergie. Si la capacité de stockage est de 1 000 Wh (wattheures), elle sera utilisée en une heure avec une puissance de 1 000 W (watts) et en 1 000 heures avec une puissance d’un watt.

De même savez-vous que, à poids égal, le gagnant du Tour de France et vous dépenserez la même quantité d’énergie pour monter l’Alpe d’Huez ?

Le recordman de la montée Marco Pantani a effectué les 13,8 km en 36 min et 50 sec développant une puissance de 461 W. Un cycliste occasionnel pourra fournir une puissance de 140 à 180 W et mettra donc environ 2,8 fois plus de temps.

Les unités d’énergie étant relativement petites, et notre consommation énergétique étant elle très élevée, il est nécessaire d’utiliser des préfixes permettant de désigner des multiples de 1 000. Ils sont rappelés ici :

Unité

Symbole

1 000 Kilo k

1 million

1 milliard

1 billion

1 billiard

1 trillion

Méga M

Téra

Péta P

Exa

La consommation d’énergie primaire mondiale en 2019 était d’environ 600 EJ (exajoules) soit 600 trillions de joules (1 suivi de 18 zéros).

Pour les unités, les équivalences utilisées dans ce livre sont :

1 000 Wh (wattheure) =1 kWh (kilowattheure) = 3,6 MJ.

Quelques ordres de grandeur à garder en tête quand on parle de puissance et qui permettent de se représenter les choses :

Puissance

Métabolisme humain

Four à micro-ondes

100 W

1 kW=1 000 W

Voiture (moyenne en France) 84 kW

TGV

Ville moyenne (Bordeaux, Nantes)

Réacteur nucléaire

Capacité électrique des États-Unis

10 MW= 10 000 kW

100 MW

1 GW=1 000 MW

1 TW= 1 000 GW

L’énergie existe sous différentes formes (chimique, cinétique, potentielle, nucléaire, et cetera ) et peut-être convertie d’une forme à l’autre, moyennant des pertes inévitables. C’est cette conversion qui est justement à la base même de la vie et de l’évolution de tous les systèmes naturels : les plantes transforment l’énergie du rayonnement solaire en énergie chimique par la photosynthèse, le corps humain transforme cette énergie chimique – ingérée sous forme d’aliments – en énergie de mouvement, mais surtout en chaleur.

L’énergie c’est compliqué…

Il existe deux principes fondamentaux à connaître pour appréhender l’énergie. Tout d’abord l’énergie se conserve. Toute action n’est qu’une conversion d’une forme d’énergie vers une autre.

Prenons quelques exemples pour fixer les choses. Un moteur à combustion interne, comme celui qui équipe les voitures, convertit l’énergie chimique contenue dans de l’essence en mouvement – l’énergie est dite cinétique. Un moteur diesel moderne a une efficacité d’environ 42 %, ce qui correspond à la proportion d’énergie chimique du carburant convertie en mouvement. Un moteur électrique a un rendement de 90 % et une centrale nucléaire de 35 %. Une centrale d’une puissance thermique de 3 GW a donc une capacité de production d’environ 1 GW d’électricité. Le reste est dissipé sous forme de chaleur mais au total, la quantité d’énergie se conserve.

On pourrait se poser la question de savoir quel impact toute cette chaleur rejetée dans l’atmosphère peut avoir sur le climat. L’effet de cette chaleur dite anthropique – causée par l’homme – est 100 fois plus faible que l’effet de serre du CO2 donc on peut la considérer comme globalement négligeable. Cependant au niveau des villes, la densité de population et d’installations implique une forte dissipation de chaleur concentrée sur un espace restreint, ce qui contribue localement à la formation d’îlots de chaleur urbains.

Dans tous les cas, chaque conversion d’énergie amène des pertes. Au total, l’énergie est conservée au cours du processus, mais le type d’énergie change. Si on mesure la quantité d’énergie avant et après conversion, on trouve rigoureusement la même quantité.

Cela nous amène au deuxième point important. Un morceau de charbon est une forme d’énergie dense et ordonnée ; le fait de le brûler crée de la chaleur, qui est une forme d’énergie dispersée. Cette chaleur peut être utilisée pour augmenter la température d’une pièce ou d’un fluide, mais elle ne peut pas être retransformée en charbon. Une partie de la conversion est irréversible, et la quantité d’énergie utile diminue au fur et à mesure des conversions. La quantité d’énergie présente dans l’Univers étant fixe, il existe une limite à la quantité d’énergie exploitable. L’Univers est donc destiné à connaître une mort thermique ; mais rassurez-vous, au vu de sa taille il y a de quoi faire. Notre Soleil, par exemple, a encore quelques