Quelques idées sur l’énergie - 1e partie

par  M. BERGER
Publication : janvier 2017
Mise en ligne : 9 mars 2017

La consommation de l’énergie, sous ses diverses formes, pose de sérieux problèmes, que le réchauffement climatique oblige à résoudre au plus vite et au mieux. À cette évolution s’opposent ceux qui ne veulent rien changer d’un système qui les favorise. Pour être en mesure de juger leurs affirmations, il importe de bien comprendre ce dont il s’agit. Pour aider aux réflexions nécessaires, Michel Berger entreprend ici d’aborder ce sujet le plus simplement et le plus clairement possible, quitte à rappeler certaines vérités ou définitions élémentaires :

Donald Trump restera-t-il dans l’histoire comme le plus grand fossoyeur de l’humanité ? Niant avec éclat les conséquences de l’effet de serre, il prévoit d’accentuer l’exploitation des gaz de schiste, de remettre en cause les accords de la COP 22. De telles mesures anéantiront tous les efforts accomplis par les responsables politiques du monde pour limiter d’ici 2050 l’élévation de la température moyenne de la terre à 2° C, considéré par beaucoup comme la limite acceptable pour la survie de nos sociétés.

Mais, plus inquiétant, il a pu trouver une petite majorité de citoyens américains pour soutenir une politique aussi irresponsable ! Signe évident que les questions énergétiques sont très mal connues du public, malgré les innombrables ouvrages, article de journaux, discours répandus sans mesure, mais qui, de toute évidence, n’atteignent que très partiellement les consciences. Cependant, si les pratiques des trente prochaines années n’évoluent pas de manière drastique, les conséquences négatives sur l’avenir de l’humanité seront irréversibles... Mais elles sont difficiles à évaluer et personne ne voit clairement comment passer de notre régime consumériste effréné à un autre dont on sait, à coup sûr, qu’il remettra en cause tous nos modes d’organisation sociale et de vie quotidienne.

 Aucune solution ne deviendra possible sans un minimum d’assentiment collectif

Les “climatosceptiques” ont beau jeu de voir dans les préoccupations écologiques une condamnation à une austérité punitive, conséquence inévitable, à les entendre, d’une transition énergétique efficace.

Pourtant, il n’en est rien.

La frugalité et la simplicité ne sont pas une pénitence, mais une libération. Et la condition nécessaire pour un futur prometteur.

Encore faut-il connaître un minimum de données sur l’énergie si l’on veut éviter d’être désorienté dans des débats plus passionnés qu’objectifs. Considérée par beaucoup comme un sujet trop complexe pour être compris, l’énergie est abandonnée aux mains de “spécialistes” dont les intérêts sont rarement neutres. Les lobbys y trouvent leur compte, au prix d’informations partielles et orientées, largement diffusées partout.

Je me suis pris au jeu de tenter de clarifier les idées en les présentant de manière aussi simple que possible, les connaissances sur ce sujet me semblant en effet assez peu partagées. Aussi m’a-t-il semblé qu’en l’exposant dans plusieurs articles successifs, je permettrai aux lecteurs non familiers avec lui de mieux en comprendre les enjeux.

Je réclame l’indulgence de nos lecteurs pour ces propos un peu arides, qu’ils n’hésitent pas à corriger mes dires s’ils étaient à leurs yeux mal expliqués ou mal avérés. Le courrier des lecteurs est fait pour cela.

 Une question essentielle pour l’évolution du monde

Une courte exploration dans le temps montre que l’énergie est une question dominante dans l’évolution du monde. Elle a été essentielle dans sa formation et en particulier dans les origines de la vie. Car la vie elle-même est un processus énergétique, (ce n’est pas bien sûr son seul aspect), et nous sommes aussi des moteurs thermiques.

Les progrès techniques les plus spectaculaires dans le domaine de l’énergie datent du XIXème siècle, avec la possibilité de transformer en mouvement l’énergie calorifique provenant des réserves fossiles. Jusqu’alors l’homme ne disposait pour se mouvoir, travailler, se nourrir que d’une puissance individuelle faible, au maximum 0,5 kilowatt. En comparaison une simple voiture en développe entre 100 et 200 fois plus. Sans compter toute l’énergie dont nous avons maintenant besoin pour exploiter les terres agricoles, les ressources minières, les fabrications industrielles et toute notre vie quotidienne.

Nos besoins énergétiques extrahumains sont restés pendant longtemps limités à la force animale, à celle du vent et de l’eau, et à la combustion du bois. Avec le charbon et le pétrole, tout s’est accéléré au cours du 20ème siècle, à une telle cadence que nous avons utilisé en moins de 3 siècles une bonne moitié de l’éner­gie emmagasinée pendant l’ère carbonifère (environ 70 millions d’années, entre -350 millions et -280 millions). Les ressources fossiles qui nous restent sont encore abondantes, mais de plus en plus difficiles à extraire. Et de toute manière, si on continuait de les exploiter et de les brûler au rythme actuel, le réchauffement de la planète qui s’ensuivrait la rendrait en grande partie inhabitable, à une échéance qui ne dépasserait pas quelques siècles, voire beaucoup moins.

Bien des avancées des civilisations humaines ont eu pour origine des facteurs énergétiques. La domestication des animaux, l’utilisation du feu (-500.000 ans), celle du charbon de bois (environ -7.000 ans), la métallurgie du fer (-3.000ans), les énergies renouvelables, le vent et les chutes d’eau. Notre façon d’appréhender l’énergie dans les prochaines années transformera aussi de fond en comble notre future civilisation, du moins si nous voulons qu’elle existe encore !

 Histoire des unités utilisées

De quoi parlons-nous en évoquant ce thème ?

Une simple incursion dans son histoire suffira à en faire comprendre l’importance. J’ai choisi de l’aborder à partir des unités utilisées, éclairantes sur son évolution. Certaines ont été définies à une époque où on ignorait encore la correspondance entre chaleur et énergie. Une des premières fut la calorie, unité de chaleur dont on ne connaissait pas encore l’équivalence avec l’énergie mécanique.

On connaissait pourtant depuis longtemps l’inverse : la transformation de l’énergie en chaleur. Par exemple en allumant du feu par friction entre deux pièces de bois, artifice connu même dans la préhistoire.

La combustion est restée longtemps mystérieuse. Pourquoi certains corps brûlaient-ils alors que d’autres, non  ? Comme les questions sans réponse sont inconfortables, nos ancêtres ont imaginé naïvement qu’en les nommant ils feraient avancer les connaissances. On se souvient du “phlogistique” corps éthéré soi-disant contenu dans les combustibles pour leur permettre de brûler. Il y en avait dans le bois ou la paille, alors que le fer et, a fortiori l’eau, en étaient dépourvus. La chimie ayant fait quelques progrès à la fin du 18ème siècle, on sait depuis longtemps qu’il existe des réactions chimiques exothermiques (produisant de la chaleur) et endothermiques (ayant besoin de chaleur). Les exothermiques sont nombreuses, mais les plus utilisées pour produire de l’éner­gie proviennent de l’oxydation du carbone ou de l’hydrogène et, bien sûr, de tous les composés de ces deux corps, parmi lesquels on trouve des gaz, (méthane, propane, etc.) et des liquides (pétrole, essence, alcool, etc.). Plus le combustible comprend d’atomes d’hydrogène, plus il produit de vapeur d’eau. Au contraire, les atomes de carbone se transforment en gaz carbonique. Les deux sont dangereux pour le réchauffement de la terre dû à l’effet de serre.

L’énergie a été théorisée au départ par référence au travail. Au sens physique du terme, ce dernier a été défini comme le produit d’une force par un déplacement. On pense au laboureur qui tire sa charrue, au maçon qui soulève sa pierre, au menuisier qui pousse son rabot. L’unité qui s’en est suivie était alors le kilogrammemètre. Avec l’ambiguïté qui a torturé des générations de bacheliers : la confusion entre le kilogramme-force et le kilogramme-masse. On a donc fini par retenir comme unité officielle de l’énergie le Joule, unité construite en utilisant celles du système international (SI = kilogramme, mètre, se­conde). L’unité de force n’étant plus le kilogramme-force, mais le Newton. Il faudrait aussi mentionner l’erg, unité ancien­ne définie dans le système CGS (centimètre, gramme, seconde). Unité encore plus petite que le Joule et maintenant abandonnée.

À partir du travail, ou plutôt de l’énergie, on a construit une autre grandeur : la puissance, quantité d’énergie dispensée par unité de temps. Elle se mesure en watt, avec ses déclinaisons kilowatt, gigawatt. À l’origine, cependant, pour se rapprocher de l’usage ancestral de l’énergie animale, on a utilisé le cheval-vapeur (CV), unité de puissance censée se rapprocher de celle d’un cheval (en fait plutôt de 3 chevaux). Il n’y a guère que le fisc pour en conserver le souvenir, le « cheval fiscal » de nos automobiles n’ayant d’ailleurs plus aucune réalité physique.

On s’est vite rendu compte que le Joule était une unité d’énergie trop petite pour être commode à utiliser. On est alors reparti du watt, unité de puissance, pour inventer le watt-heure correspondant à une puissance d’un watt utilisée pendant une heure, donc une unité d’énergie. Le watt-heure a été décliné en kilowattheure, mégawatt-heure, etc. On a ainsi tout fait pour entretenir une confusion entre deux grandeurs, la puissance et l’énergie.

Mais on n’a pas encore exploré la totalité du maquis des unités. En physique de l’infiniment petit on utilise de préférence l’électronvolt (eV), toute petite unité d’énergie corres­pondant aux mouvements des particules, mais qui a une relation précise avec les autres.

On se sert aussi de la “tonne d’équivalent pé­trole” (TEP), énergie potentielle contenue dans une tonne de pétrole. Elle est commode pour comparer grossièrement des productions d’éner­gies en provenance de sources très diverses, ou des usages d’énergie. Mais elle est source d’un imbroglio fréquent que j’essaierai plus loin d’éclaircir en évoquant le terme d’éner­gie “primaire”.

Car pour tout simplifier, on trouve dans le vocabulaire énergétique des mots tels que « énergie potentielle, énergie cinétique, énergie interne, énergie primaire »… sans parler de « l’enthalpie » qui se mesure aussi en unités d’énergie.

 Que signifie « consommer de l’énergie » ?

Inutile d’aller plus loin, je n’évoque tous ces concepts que pour montrer la difficulté de savoir de quoi on parle :

Qu’entend-t-on, par exemple par « consommation » d’énergie ? Ce terme, en fait, ne corres­pond pas à la réalité, car l’énergie est une grandeur invariante qui ne disparaît jamais et se retrouve toujours en même quantité, mais sous une autre forme. Comme la masse totale des corps transformés dans des réactions chimiques demeure toujours égale. Car « rien ne se perd, rien ne se crée ».

En revanche, l’énergie se dégrade. L’énergie mécanique peut être considérée comme noble par rapport à la chaleur. En particulier celle-ci se transforme mal en énergie mécanique lorsque la température des échanges devient trop basse.

Tous les usages de l’énergie se transforment donc à la fin en chaleur. Une voiture qui “consomme” 8 litres d’essence pour faire 100 km (je devrais dire qui les “dégrade”, a réchauffé l’air environnant exactement de la même manière que si l’on avait brûlé à l’air libre ces 8 litres d’essence.

Éliminons tout de suite un possible malentendu : ce n’est pas ce réchauffement de l’air par nos énergies calorifiques dégradées qui entraîne celui de la terre. L’effet de serre qui en est la cause est d’une tout autre ampleur. Je reviendrai sur ce point.

Cette chaleur pourrait théoriquement être retransformée en énergie mécanique, mais avec un rendement de plus en plus faible au fur et à mesure que la température mise en jeu est plus faible. L’entropie, rapport entre la quantité de chaleur échangée et la température de l’échange, qualifie la qualité des transferts thermiques et mesure le degré de dégradation de l’énergie. L’entropie du monde s’accroît inexorablement car ,au fur et à mesure des échanges, la température des fluides en jeu diminue, ce qui heureusement est sans conséquence pour nous, à l’échelle de la durée d’existence de l’humanité (même en étant optimiste sur sa longueur).

Pour rester dans la thermodynamique simple, nul n’ignore depuis Sadi Carnot que la transformation de la chaleur en énergie mécanique ne peut jamais être totale. Dans toute transformation il y a toujours deux sources de chaleur à des températures différentes. On empreinte de la chaleur à la source chaude et on en restitue à la sourde froide, la différence entre les deux étant convertie en énergie mécanique. Celle-ci ne dépasse pas 30 à 40% de l’énergie totale mise en jeu, dite énergie primaire.

La chaleur ainsi perdue dans les fleuves ou les aérocondenseurs des grandes centrales électriques (thermiques ou nucléaires) couvrirait à peu près tous les usages domestiques. Gaspillage évitable si on pouvait utiliser dans nos logements le refroidissement des centrales électriques. Malheureusement elles sont en général loin des zones urbaines, et la chaleur se transporte avec difficulté.

De même, on pourrait utiliser la cogénération pour chauffer les logements. Le chauffage serait alors un sous-produit d’une énergie mécanique transformée en électricité. Certaines chaudières sont conçues pour cela, mais elles ne fonctionnent encore que dans des immeubles collectifs importants, les petites chaudières domestiques à cogénération étant encore très chères et peu performantes. Elles commencent cependant à se multiplier, mais avec un certain retard en France.

 Comparer les modes de production et les usages de l’énergie

On sera amené à comparer les modes de production et les différents usages de l’énergie. On a vu que pour les comparer on a coutume d’utiliser les TEP (tonne d’équivalent pétrole).

Mais lorsqu’on veut comparer les productions électriques, doit-on considérer l’énergie utile, l’énergie électrique fabriquée, ou l’énergie de départ, dite énergie primaire, celle qui est contenue dans les carburants ? Cette énergie utile ne représente, pour les centrales thermiques ou nucléaires, que le tiers de l’énergie primaire mise en œuvre. En revanche pour les centrales hydroélectriques, c’est presque la totalité de l’énergie contenue dans les barrages qui est transformée en énergie électrique utile. On a donc des coefficients de transformation entre énergie primaire et utile qui dépend de la source initiale. Ce n’est pas fait pour simplifier la compréhension des statistiques.

Je n’insiste pas sur cette difficulté, disons seulement qu’elle existe et qu’il faut donc prendre certains chiffres avec précaution.

Il est difficile d’évoquer les questions d’énergie sans dire un mot de l’énergie nucléaire. D’abord parce que toutes nos formes d’énergie sont d’origine nucléaire, puisqu’elles proviennent toutes du soleil. Les combustibles fossiles sont issus de matières vivantes développées et fossilisées avec l’aide du soleil. Ce sont des formes d’énergie solaire stockée dans le sol au cours des millions d’années d’existence de la terre. Le vent, les courants marins sont aussi produits par la chaleur solaire, les océans et l’atmosphère ne sont que d’immenses moteurs thermiques. La géothermie ne doit rien au soleil, mais elle est aussi d’origine nucléaire, la chaleur au centre de la terre étant en grande partie due à des réactions de ce type.

 L’énergie nucléaire

Le débat sur le nucléaire est trop prégnant pour que l’on puisse s’y soustraire. Cette énergie est récente puisqu’elle ne fut connue qu’au début du 20ème siècle, grâce à Einstein qui proposa cette formule célèbre et d’une merveilleuse simplicité : E = mc2

On comprit alors que la masse de tous les corps connus pouvait se transformer en énergie. La conservation de la masse, dogme absolu de toute la chimie classique, était transgressée. On dispose pour ce faire de deux possibilités, la fission nucléaire et la fusion.

La fission consiste à diviser un atome lourd en deux, de telle manière que la masse totale des deux atomes résultant de la fission soit moins élevée que celle de l’atome d’origine. La fusion au contraire consiste à partir de deux atomes légers pour les faire fusionner en un seul, la encore avec une perte de masse, donc un apport d’énergie.

La fission est utilisée dans toutes les centrales électriques existantes, car c’est la seule mé­thode actuellement maîtrisée.

La fusion est encore impraticable en raison des températures et des pressions qu’elle exige. On espère depuis des années y parvenir, mais les résultats se font attendre, et les avancées sont lentes.

 Pour aller plus loin

Ce tableau de l’histoire de l’énergie étant grossièrement brossé, je me propose de le compléter ultérieurement dans les numéros prochains de La Grande Relève par une série d’articles dont les contenus pourraient être les suivants :

• Le prochain serait consacré à un bilan des modes de production énergétiques en France et dans le monde, ainsi que des usages qui en sont faits. Usages dont la répartition injuste multiplie les tensions sociales.

• Un suivant ferait état des questions environnementales liées à l’énergie, et qui menacent nos civilisations. L’effet de serre en particu­lier et, bien sûr, les risques entraînés par une éventuelle prolifération des centrales nucléaires, dangereuses en cas de dysfonctionnement et productrices de résidus radioactifs de longue période que l’on ignore comment traiter. Sans compter le coût de leur démantèlement, indispensable après quelques décennies de fonctionnement.

• Enfin le dernier serait consacré aux solutions diverses déjà connues et mises en œuvre. En particulier celles préconisées par des conférences internationales (COP 21 et 22) aussi bien que par certaines dispositions législatives propres à chaque pays. Avec un aperçu sur les techniques les plus prometteuses, leur intérêt et leurs inconvénients éventuels.


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