CHAP 3/ Les énergies : défis et solutions

L'Énergie : Un Défi Majeur pour l'Humanité

L'énergie est l'un des trois défis fondamentaux pour l'humanité, aux côtés de l'accès à l'eau potable et à l'air respirable. Bien que ces défis semblent distincts, chacun d'entre eux est intrinsèquement lié à la disponibilité de l'énergie. Que ce soit pour puiser, purifier l'eau ou l'air, la consommation d'énergie est indispensable. La problématique actuelle de l'énergie découle de notre dépendance historique aux ressources fossiles abondantes, sans considération pour leur caractère fini et leur impact environnemental, notamment l'émission de gaz à effet de serre (GES) et le réchauffement climatique.

I. Consommation d'Énergie et Secteurs Clés

La consommation d'énergie provient de diverses sources, incluant les combustibles (liquides, solides, gaz) et l'électricité. En France, l'électricité est principalement d'origine nucléaire, avec une part croissante des énergies renouvelables. Dans d'autres pays, elle peut encore être majoritairement dérivée du charbon ou d'autres fossiles. L'énergie est utilisée pour la mise en mouvement, la production d'électricité, mais aussi massivement pour le chauffage.

A. Secteurs Consommateurs d'Énergie en France (par ordre d'importance décroissant)

1. Résidentiel et Tertiaire: Historiquement les plus gros consommateurs.
2. Transports: Une problématique énergétique majeure, souvent liée au gaspillage. Les moteurs thermiques, par exemple, ont un rendement de conversion énergie-mouvement bien inférieur à celui des moteurs électriques.
3. Industrie
4. Agriculture et Pêche: Bien qu'essentiels pour notre alimentation, ces secteurs sont en bas du tableau en termes de consommation directe d'énergie.

Il est important de noter que si les secteurs résidentiel et tertiaire sont séparés, les transports deviennent le premier poste de consommation.

B. Exemples de Consommation Énergétique

• Ampoule électrique:
  • 60W incandescente: 1 kWh = 16 heures d'éclairage.
  • Halogène: 1 kWh = 24 heures d'éclairage.
  • LED (7W équivalent): 1 kWh = 142 heures d'éclairage. Ceci met en évidence l'énorme gain d'efficacité des technologies modernes.
• Autres usages domestiques (pour 1 kWh):
  • 1 heure de four.
  • 1 cycle de lave-vaisselle.
  • 1 cycle de lessive.
  • 1 semaine de café.
  • 3 à 7 heures de télévision ou de jeux électroniques.
  • 3 jours de Wi-Fi (éteindre la box la nuit peut être une des solutions).
  • 45 minutes de sèche-cheveux.
  • 1 heure d'aspirateur.
  • 3 heures de fer à repasser (qui, malgré une forte puissance, a un bon rendement).
• Mobilité (pour 1 kWh):
  • 100 km de vélo électrique.
  • 15-20 km de scooter électrique.
  • 7 km de voiture électrique. Ceci souligne la nécessité de repenser la mobilité urbaine vers des solutions plus sobres comme le vélo électrique face à la voiture électrique qui demande des recharges fréquentes.

C. Comparaison des Modes de Vie et Consommations Globales

• Un habitant de l'Union européenne consomme en moyenne 37 000 kWh par an.
• Un logement tout électrique peut atteindre 15 000 kWh par an.
• Une voiture électrique parcourant 15 000 km/an consomme environ 2300 kWh.
• Une piscine privée enterrée: environ 1700 kWh par an, soulevant des questions sur la pertinence de certains modes de vie énergivores.

Face à ces chiffres, il est frappant de constater qu'environ milliard d'habitants sur Terre consomment moins de par an. Un réfrigérateur américain consomme à lui seul par an, ce qui représente la quasi-totalité de la consommation annuelle de de la population mondiale.

L'exemple de l'habitant du Niger ( en 2019) est particulièrement révélateur, d'autant plus que le Niger est une source de minerais essentiels à notre production électrique. Leurs ressources pourraient largement couvrir leurs besoins, mais en sont extraites pour les nôtres.

La densité énergétique des combustibles fossiles est aussi une explication de leur succès : 500 Wh, la capacité d'une batterie de vélo électrique, correspond à l'énergie contenue dans seulement centilitres d'essence. Cette capacité à stocker beaucoup d'énergie dans un petit volume a longtemps freiné la recherche d'alternatives.

D. Consommations Institutionnelles et Numériques

• Consommation électrique résidentielle (hors industrie) en France: (TWh = térawatt-heure = Wh).
• Aviation: .
• Secteur numérique (2015): . Depuis, la consommation a doublé, atteignant l'équivalent du trafic aérien, notamment en raison de la pandémie de COVID-19 et la disponibilité H24 des serveurs.
• Un aéroport comme Munich: .
• Une ville comme Bâle (équivalent Reims en population): (d'où l'importance de l'éclairage urbain).
• Compagnies de téléphonie (Orange, SFR): même ordre de grandeur qu'une ville de 200 000 habitants.
• Boxes internet privées: même ordre de grandeur. Une mutualisation du Wi-Fi pourrait générer des gains significatifs.
• Compagnies de streaming (Netflix): (GWh = gigawatt-heure = Wh), due à la disponibilité permanente des contenus.
• ChatGPT: forte consommation lors de la phase d'apprentissage.

Ces données soulignent que l'augmentation de nos besoins en énergie freine la réduction des énergies fossiles. La recherche d'alternatives à la consommation d'énergie est aussi cruciale que la recherche d'énergies alternatives.

II. Unités et Ordres de Grandeur de l'Énergie

Le langage de l'énergie peut être déroutant en raison de la diversité des unités.

A. Unités Officielles et Courantes

• Joule (J): L'unité officielle du Système International. C'est l'unité de référence en physique.
• Kilowatt-heure (kWh): L'unité la plus courante pour la mesure de la consommation électrique domestique.
  • Conversion: (3,6 millions de Joules).
• Tonne Équivalent Pétrole (tep): Souvent utilisée pour comparer des consommations d'énergie à l'échelle des pays ou des productions.
  • Signification: Cette unité est un héritage de notre culture pétrolière. Le passage à des unités comme les Joules ou les kWh est un indicateur de la transition énergétique.
  • Conversion: ou .
• Calorie (cal): Unité ancienne, souvent utilisée pour l'énergie alimentaire, mais maintenant remplacée par les kilojoules (kJ). Basée sur l'échauffement de l'eau.
  • Conversion: .

III. Les Différentes Formes d'Énergie et Leurs Conversions

L'énergie se manifeste sous diverses formes et est constamment sujette à des conversions, souvent avec des pertes inévitables.

A. Formes Principales d'Énergie

1. Énergie Thermique: Liée à la chaleur. Utilisée directement pour le chauffage (ex: combustion de bois) ou indirectement (géothermie).
2. Énergie Mécanique: Associée au mouvement et à la position.
   • Énergie cinétique: pour propulser un véhicule.
   • Énergie potentielle/gravitationnelle: utilisée dans les barrages hydroélectriques.
3. Énergie Radiative/Lumineuse: Rayonnement électromagnétique. Source du solaire (photovoltaïque pour l'électricité, thermique pour la chaleur).
4. Énergie Chimique: Stockée dans les liaisons moléculaires. Libérée par des réactions (combustion de fossiles, batteries) ou stockée (endothermique).
5. Énergie Électrique: Déplacement d'électrons. Souvent le résultat de transformations d'autres formes d'énergie.
6. Énergie Nucléaire: Libérée par des réactions de fission ou de fusion atomique. Peut produire chaleur (centrales) ou directement des électrons (certains types de radioactivité). La base de l'énergie solaire est la fusion nucléaire.

B. Transformations et Lois de la Thermodynamique

La conversion énergétique est rarement directe et implique une cascade de transformations, chacune entraînant des pertes.

Exemple: Allumer une ampoule à incandescence depuis une centrale nucléaire:

1. Énergie nucléaire (fission) Chaleur.
2. Chaleur Vaporisation d'eau Pression.
3. Pression Énergie mécanique (rotation turbine).
4. Énergie mécanique Énergie électrique (alternateur).
5. Énergie électrique Lumière (5%) + Chaleur (95%) dans l'ampoule à filament.

Les lois de la thermodynamique régissent ces transformations:

• Loi Zéro (équilibre thermique): Deux corps à des températures différentes tendent vers l'équilibre. Conséquence: maintenir une différence de température (ex: bière fraîche) nécessite un apport continu d'énergie.
• Première Loi (conservation de l'énergie): Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. La variation d'énergie interne est égale à la somme de la chaleur et du travail mécanique échangés (). Cela signifie qu'il faut toujours un apport pour transformer une forme d'énergie en une autre.
• Deuxième Loi (entropie et irréversibilité): L'entropie (mesure du désordre) d'un système isolé ne peut qu'augmenter. Toute transformation réelle est irréversible et entraîne une dissipation d'énergie non récupérable. Transférer de la chaleur d'un milieu froid à un milieu chaud (ex: réfrigérateur) requiert un apport d'énergie externe.
• Troisième Loi: L'entropie est nulle au zéro absolu. Dès qu'il y a un mouvement ou une activité, l'entropie augmente.

Cette irréversibilité et dissipation d'énergie par l'entropie signifie qu'à chaque étape de conversion, une partie de l'énergie devient indisponible pour le travail utile, soulignant le gaspillage inhérent à la complication des processus.

C. Cascades Énergétiques et Énergie Grise

Nous distinguons plusieurs étapes dans le parcours de l'énergie:

1. Énergie Primaire: Énergie brute, directement disponible dans la nature (charbon, pétrole, gaz, vent, soleil, uranium).
2. Énergie Secondaire: Énergie transformée pour être transportable ou stockable (électricité produite à partir du nucléaire, essence raffinée à partir du pétrole). Le problème du stockage est crucial.
3. Énergie Finale: Énergie qui arrive chez le consommateur (électricité au compteur, essence à la pompe). Elle a déjà subi des pertes lors des transformations et du transport (ex: pertes en ligne haute tension).
4. Énergie Utile: La fraction de l'énergie finale qui sert réellement à l'usage souhaité. Pour une ampoule à filament, de l'électricité finale est utile (lumière), le reste étant dissipé en chaleur.
5. Énergie Grise: L'énergie totale consommée sur l'ensemble du cycle de vie d'un produit, de l'extraction des matières premières à la fabrication, au transport, à l'utilisation, et au démantèlement/recyclage. Elle inclut toutes les pertes et énergies indirectes. Par exemple, une bougie venant de l'autre bout du monde a une "énergie grise" très élevée due à son transport.

Cette notion d'énergie grise est fondamentale pour évaluer l'impact réel d'un produit ou d'une technologie.

IV. Typologies des Énergies

Les énergies primaires peuvent être classées en deux grandes catégories : les énergies de stock (fossiles et fissiles) et les énergies de flux (renouvelables).

A. Énergies de Stock (Fossiles et Fissiles)

Ces énergies proviennent de stocks finis accumulés sur des millions d'années.

1. Combustibles Fossiles:
   • Pétrole, Charbon, Gaz Naturel: Largement utilisés pour la combustion directe (chaleur), la production d'électricité (via turbine), ou le raffinage (carburants comme le kérosène ou le mazout).
   • Cogénération: Permet de récupérer la chaleur produite lors de la génération d'électricité, améliorant le rendement global.
   • Biomasse (entre-deux): Le charbon est fondamentalement de la biomasse fossilisée. La biomasse actuelle est renouvelable si consommée à un rythme durable, mais elle ne doit pas concurrencer l'alimentation et son bilan carbone n'est pas toujours neutre (brûler de la biomasse émet du CO2).

   Le problème n'est pas tant l'utilisation des fossiles que leur rythme de consommation, des millions de fois supérieur à leur rythme de renouvellement naturel.

2. Énergie Nucléaire:
   • Uranium: Combustible fissile, également en quantité limitée. Sa densité énergétique est par contre colossale. Bien que le stock soit fini, on considère avoir un horizon de temps plus lointain que pour les fossiles.
   • Décarboné: Les centrales nucléaires n'émettent pas de en fonctionnement. Les panaches sont de la vapeur d'eau qui se réintègre au cycle hydrologique.
   • Part importante en France: Représentait de l'électricité en 2021.

B. Énergies de Flux (Renouvelables)

Ces énergies sont considérées comme inépuisables à l'échelle humaine et se renouvellent constamment. Cependant, leur disponibilité est souvent intermittente et leur récolte nécessite des infrastructures dont la fabrication et le démantèlement ont une empreinte carbone.

1. Énergie Solaire: Issue du rayonnement solaire.
   • Photovoltaïque: Convertit le rayonnement solaire en électricité (découvert en 1839). Les limites sont le recyclage et la disponibilité des matériaux de fabrication.
   • Thermique: Utilise l'énergie solaire pour produire de la chaleur (chauffe-eau solaires, séchage). Méthode ancestrale.
2. Énergie Éolienne: Provient de la force des vents. C'est une dérivation de l'énergie solaire (différences de température de l'air créant le vent).
   • Principe: Énergie cinétique du vent mouvement des pales électricité (alternateur).
   • Deuxième source ENR en France (hors biomasse).
3. Énergie Hydraulique: Force de l'eau (rivières, fleuves, barrages).
   • Principe: Énergie mécanique de l'eau électricité.
   • Première source ENR en France. Les capacités d'installation sont presque épuisées.
4. Énergies Hydroliennes et Marines: Utilisation des mouvements marins.
   • Marémotrice: Exploite les marées (mouvement d'eau dû aux différences de niveaux).
   • Houlomotrice: Exploite la houle (mouvement des vagues).
   • Maréthermique/OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion): Utilise la différence de température entre les eaux de surface et de profondeur.
   • Thalassothermie: Pompes à chaleur utilisant la température de l'eau de mer.
   • Osmotique: Basée sur des réactions chimiques liées à l'osmose. Encore au stade expérimental et à faible rendement énergétique.
5. Géothermie: Exploite la chaleur interne de la Terre.
   • Source: Combinaison de la chaleur résiduelle du noyau terrestre (non renouvelable à l'échelle humaine) et de la chaleur captée par la croûte terrestre (renouvelée par le soleil et les vents pour la géothermie de surface).
   • Gradient thermique: Environ tous les mètres en zones non volcaniques.
   • Types de Géothermie:
     • Très Basse Énergie: Pour le chauffage local (pompes à chaleur).
     • Basse Énergie: Sources d'eau chaude () pour le chauffage urbain (ex: Massif Central).
     • Moyenne et Haute Énergie: Sources d'eau très chaude et de vapeur (, parfois ) dans les zones volcaniques. Permet la production d'électricité mais soulève des questions sur l'impact (libération de vapeur d'eau piégée) et la stabilité des forages.
   • Avantages: Fiable et continue (peu d'intermittence, contrairement au solaire et à l'éolien).
   • Inconvénients: Coût élevé des forages (), nécessite des conditions géologiques spécifiques, grande surface de captage pour la "géothermie de surface". Le forage profond a un bilan carbone non négligeable.
6. Hydrogène: Considéré comme un vecteur énergétique prometteur, mais sa classification dépend de sa méthode de production.
   • Hydrogène Rouge/Rose/Violet: Produit par électrolyse de l'eau en utilisant de l'électricité. Si l'électricité est décarbonée (nucléaire), on parle de violet. Le défi est la source d'électricité.
   • Hydrogène Blanc: Naturellement présent dans certains gisements (ex: Moselle). Potentiellement renouvelable si le prélèvement est contrôlé pour ne pas épuiser la source. C'est du stock qui peut devenir du flux.
   • Hydrogène Gris: Produit par vaporeformage du méthane (méthane + vapeur d'eau), processus émettant du .
   • Hydrogène Bleu: Similaire à l'hydrogène gris, mais le est capté et stocké, ce qui complexifie le processus et n'élimine pas l'empreinte carbone liée à la capture.
   • Hydrogène Turquoise: Version de l'hydrogène bleu où le est solidifié en carbone.
   • Hydrogène Brun: Produit par gazéification du lignite (charbon de faible qualité). Très polluant.

   Plus la couleur est foncée, moins l'hydrogène est "propre". L'hydrogène, bien que prometteur, cache des complexités en fonction de sa production.

V. Stockage de l'Énergie

Le stockage est le talon d'Achille des énergies renouvelables intermittentes, et une problématique générale dans la gestion de l'énergie. Les combustibles fossiles sont naturellement de bons stocks.

A. Capacités de Stockage (en kWh)

Pour des volumes ou masses comparables:

Matériau/Support	Capacité	Notes
1 litre de mazout	11 kWh	Très haute densité énergétique
1 litre de diesel	environ 11 kWh
1 mètre cube de gaz naturel	environ 11 kWh	Volumineux, souvent liquéfié
1 kg de charbon	environ 11 kWh
1 litre d'essence	environ 11 kWh
1 tonne de granulés de bois	environ 5.5 kWh	Moins dense, stockage encombrant
1 kWh dans batterie plomb (30 kg)	1 kWh	Lourde, faible densité énergétique
1 kWh dans batterie lithium (5 kg)	1 kWh	Plus légère, matériaux moins abondants
Batterie vélo standard	0.5 kWh (500 Wh)
Batterie ordinateur portable	0.04-0.06 kWh (40-60 Wh)

Cette comparaison met en évidence l'avantage phénoménal des énergies fossiles en termes de densité de stockage par volume ou poids, ce qui explique leur utilisation massive jusqu'à présent.

B. Méthodes de Stockage de l'Électricité

Le stockage de l'électricité est un enjeu majeur pour compenser l'intermittence des renouvelables.

1. Stockage Électrochimique (Batteries): Les batteries classiques (plomb, lithium-ion, sodium, redox, etc.) transforment l'énergie électrique en énergie chimique réversible. C'est la technologie la plus répandue pour l'électronique portable et les véhicules électriques.
2. Stockage Chimique: Convertir l'électricité en une autre forme d'énergie chimique stockable.
   • Hydrogène: Électrolyse de l'eau avec l'électricité excédentaire pour produire de l'hydrogène, qui peut être re-converti en électricité plus tard (via pile à combustible) ou utilisé comme carburant. Des micro-stations de production d'hydrogène s'installent à proximité des éoliennes.
   • Synthèse de Gaz Naturel: Utiliser l'électricité pour synthétiser des carburants gazeux, piégeant ainsi l'énergie dans ces molécules.
3. Stockage Thermique: Stocker la chaleur pour une utilisation ultérieure.
   • Chaleur Sensible: Chauffer un matériau (roches, eau) et récupérer la chaleur.
   • Chaleur Latente: Utiliser un changement de phase (solide-liquide, liquide-vapeur) d'un matériau. L'énergie est absorbée lors du changement de phase direct et libérée lors du changement inverse. Les radiateurs à changement de phase ont été envisagés, mais les défis techniques (changement de volume, étanchéité) sont importants.
   • Thermochimique: Utiliser des réactions chimiques réversibles pour stocker et libérer de la chaleur.
4. Stockage Mécanique:
   • Volant d'Inertie: Faites tourner une masse à haute vitesse. L'énergie cinétique est stockée et peut être récupérée. Des pertes par frottement existent.
   • Air Comprimé (CAES - Compressed Air Energy Storage): Compresser de l'air dans des réservoirs souterrains ou des cavernes, puis le décompresser pour entraîner une turbine et produire de l'électricité.
   • Stations de Transfert d'Énergie par Pompage (STEP): Utiliser l'électricité excédentaire pour pomper de l'eau d'un bassin inférieur vers un bassin supérieur (énergie potentielle). Lorsque l'énergie est nécessaire, l'eau est relâchée pour faire tourner des turbines et générer de l'électricité. C'est une technologie mature et largement utilisée pour le stockage à grande échelle. Chaque pompage/turbinage entraîne des pertes.
5. Stockage Électrique Direct:
   • Supercondensateurs: Stockent l'énergie dans un champ électrique. Recharge et décharge très rapides mais capacité limitée.
   • Supraconducteurs: Permettent de stocker l'énergie sans pertes ohmiques, mais nécessitent des températures très basses (coûteux).

VI. Bilan Carbone et Impacts Environnementaux

La disponibilité et les émissions de GES sont les questions centrales de l'énergie. Le bilan carbone ne doit pas seulement prendre en compte le fonctionnement, mais l'ensemble du cycle de vie.

A. Émissions de par kWh Produit (selon l'ADEME)

Les chiffres sont en grammes de par kWh produit, incluant la fabrication et le démantèlement des infrastructures (pour le nucléaire et les renouvelables).

Source d'Énergie	Émissions de (g/kWh)	Notes et Explications
Nucléaire	6	Très faible en fonctionnement. L'empreinte provient de la construction et du démantèlement.
Hydraulique	6	Très faible en fonctionnement. L'empreinte provient de la construction des barrages.
Éolien	14	Faible en fonctionnement. Empreinte significative due à la fabrication (socle en béton de tonnes, tonnes d'acier) et au démantèlement.
Biogaz (biométhane)	60	Combustion relativement propre, mais dépend de la source du biogaz.
Photovoltaïque	90	L'extraction des matériaux (lithium), la fabrication et le recyclage des panneaux sont des processus énergivores et polluants.
Géothermie (profonde)	environ 90	Le forage profond impacte le bilan carbone.
Gaz naturel	400-500	Plus propre que le fioul/charbon, mais reste fossile.
Fioul (pétrole)	800-900	Très émetteur.
Charbon	1000+	Le plus émetteur, très forte empreinte carbone.

B. Conséquences et Priorités

• Les pays ayant délaissé le nucléaire au profit de centrales à fioul ou charbon ont vu leur bilan carbone exploser.
• L'enjeu est la quantité de par énergie utile produite, et non uniquement la "propreté" de la combustion.
• Les difficultés d'approvisionnement (éloignement des gisements, difficultés d'extraction) augmentent l'énergie grise et donc l'empreinte carbone globale des fossiles.

VII. Économiser l'Énergie : La Vraie Solution

La "meilleure énergie" est celle que l'on ne consomme pas. Cette approche est souvent appelée la "technologie du panda", en référence à l'animal qui économise son énergie en ne faisant rien, car son régime alimentaire (bambou) est peu nutritif.

A. Principes de l'Économie d'Énergie

1. Réduire les Transformations: Moins de conversions énergétiques signifie moins de pertes par entropie. Il faut se rapprocher de la source de l'énergie.
   • Exemple: Utiliser directement l'énergie solaire (pour le chauffage de l'eau) est plus efficace que de la convertir en électricité, la transporter, puis la reconvertir en chaleur.
   • Autoconsommation locale de l'énergie (ex: panneaux photovoltaïques sur le toit) réduit les pertes liées au transport.
2. Optimiser le Mode de Vie: Repenser nos habitudes de consommation.
   • Sobriété numérique: Ne pas consulter ses e-mails ou les réseaux sociaux constamment. La disponibilité permanente de l'information a un coût énergétique élevé.
   • Mobilité: Privilégier le covoiturage, regrouper les déplacements, marcher ou utiliser le vélo plutôt que la voiture.
   • Chauffage/Climatisation: Adapter les températures intérieures à la saison et aux besoins réels. La climatisation est une hérésie dans le contexte du réchauffement climatique.
   • Éteindre les appareils: Ne pas laisser les appareils en veille, éteindre sa box internet la nuit.

   Cela relève d'une réflexion de mode de vie plutôt que de la seule technologie.

3. Fiabilité: La géothermie est une des rares énergies renouvelables fiables "jour et nuit, été et hiver", mais même elle a ses limites d'application. L'intermittence des autres renouvelables (solaire, éolien) impose des arbitrages: soit consommer quand l'énergie est disponible, soit investir massivement dans le stockage.

B. Avantages de l'Économie d'Énergie

• Coût: Très faible, voire nul. Ne rien faire coûte rarement cher.
• Pérennité: C'est une source d'énergie inépuisable.
• Environnemental: Aucune émission de , aucune pollution.

En conclusion, le véritable défi énergétique ne réside pas seulement dans la découverte de nouvelles sources, mais fondamentalement dans notre capacité à réduire nos besoins et à consommer de manière plus rationnelle et sobre.