Quelles énergies pour l'humanité aujourd'hui et demain ? - Thema - Museum

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QUELLES ÉNERGIES POUR L'HUMANITÉ AUJOURD'HUI ET DEMAIN ? - THEMA

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QUELLES ÉNERGIES POUR L'HUMANITÉ AUJOURD'HUI ET DEMAIN ? énergie, énergies renouvelables, énergies fossiles, effet de serre, transition énergétique

Depuis l'avènement de l'ère industrielle au milieu du XIXe siècle, l'humanité ne cesse d'accroître sa consommation d'énergie sous des formes multiples pour répondre à la complexification des sociétés (industrie, transports, chauffage, électricité, etc...). Ce développement n'a pu se produire que grâce à l'utilisation massive des combustibles dits  fossiles, essentiellement le charbon et le pétrole. Or nous savons maintenant que la combustion de ceux-ci « nous détraque le climat » alors que les besoins énergétiques continuent d'augmenter toujours et toujours ! Y-a-t'il d'autres sources d'énergie, d'autres voies possibles ? Cet article se veut être un bref mais exhaustif tour d'horizon de toutes les énergies envisageables maintenant et dans l'avenir… Copyright Maksim Samasiuk - Fotolia

UNE ACCÉLÉRATION FOUDROYANTE DE NOTRE DEMANDE ÉNERGÉTIQUE AU COURS DES SIÈCLES ! L'histoire de l'humanité et celle de la conquête de l'énergie sont inséparables. Dans un premier temps, les besoins étaient modestes : se chauffer, cuire les aliments et sans doute s'éclairer -l'énergie étant essentiellement liée à la maîtrise du feu-. Puis, les sociétés en développement ont rapidement été conduites à utiliser d'autres formes d'énergie. D'abord la force humaine et la force animale pour la construction, le transport de matériaux divers, les déplacements, l'agriculture... La navigation est aussi une étape importante puisque, outre l'énergie humaine des rameurs, l'utilisation de celle du vent devient essentielle et ce pendant des siècles. Les moulins font appel également à cette énergie ou à celle de l'eau. Le milieu du XIX e siècle voit l'avénement et le développement de la civilisation industrielle grâce à l'utilisation de machines et à l'exploitation de nouvelles énergies, d'abord celle de la vapeur (liée au feu) puis celle de l'électricité et enfin celle apportée par les combustibles dits fossiles c'est-à- dire essentiellement le charbon et le pétrole (plus tardivement le gaz). Ces derniers permettent de concevoir des véhicules autonomes transportant leur propre source d'énergie (locomotives puis voitures automobiles et avions). Au cours du XXe siècle jusqu'à notre époque, les besoins d'énergie de l'humanité sont en croissance quasiment exponentielle. L'électricité s'est imposée comme une énergie incontournable pour l'industrie et nos usages domestiques. Les combustibles fossiles sont utilisés massivement avec les conséquences que l'on sait maintenant sur le réchauffement climatique (1) dues à l'émission de gaz carbonique (le fameux CO2 …) lors de leur combustion.    

L'ÉNERGIE C'EST QUOI ???

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Dans le langage courant la notion d'énergie désigne tout ce qui peut produire une action, un effet, un mouvement… Par exemple ne dit-on pas de quelqu'un de peu dynamique qu'il manque d'énergie ? Pour les physiciens, l'énergie est une grandeur bien identifiée et quantifiée (qui se mesure en joules ou en calories) mais qui ne doit pas se confondre avec la puissance bien qu'elle lui soit directement reliée. Pour donner un exemple de la vie courante : un radiateur électrique de 1 kilowatt (1000 watts) qui chauffe pendant 1 heure fournit une énergie sous forme de chaleur de 1 kilowattheure (kWh).  L'énergie peut se présenter sous diverses formes : énergie électrique, mécanique, cinétique, chimique, etc… Nous allons voir dans cet article que les sources en sont également très diverses (énergie solaire, éolienne, hydraulique, nucléaire, etc…). Dans les processus de transformation, l'énergie se conserve si on comptabilise aussi les pertes, sous forme de chaleur, dues à des causes diverses. Notons au passage que la chaleur est une forme dégradée de l'énergie car elle ne peut pas se retransformer intégralement en une autre énergie.   

UNE HUMANITÉ BOULIMIQUE D'ÉNERGIE !!! En préambule, il faut savoir que la consommation mondiale actuelle d'énergie est de l'ordre de 400 tonnes d'équivalent pétrole (2) par seconde ! C'est une énergie absolument considérable qui n'arrête pas de croître. La figure suivante montre de manière très claire l'évolution de la consommation mondiale en milliards de tep (Gtep) sur un siècle et demi depuis le début de l'ère industrielle jusqu'à l'an 2000. Des étapes technologiques importantes jalonnent cette courbe (moteur électrique, voiture, électronique, etc…).  Cette figure est intéressante car elle montre aussi la part des principales sources d'énergie que nous détaillerons plus loin.

Evolution de la consommation mondiale d'énergie, copyright Infoenergie69  

L'IMPORTANCE DE L'ÉLECTRICITÉ Notons également que presque 20% de l'énergie consommée dans le monde l'est sous forme électrique et une part importante des énergies primaires est convertie en électricité.

  Celle-ci est considérée comme une énergie « noble » car la possibilité de la transporter à longue distance et la multiplicité de ses utilisations la rendent  indispensable à nos sociétés modernes dans tous les secteurs de leurs activités. Dans tous les pays du monde l'électricité est distribuée sous forme de tensions alternatives (230 volts en

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France), seules permettant l'élévation ou l'abaissement de tension par l'intermédiaire de transformateurs. En particulier le transport de l'électricité à grande distance ne peut se faire qu'en élevant la tension à des centaines de milliers de volts, ceci afin de diminuer l'intensité du courant dans les lignes et donc les pertes.   Par contre l'électricité souffre d'un grave inconvénient : elle n'est pas facilement stockable en grande quantité ce qui, entre autres, freine le développement des voitures électriques obligées d'embarquer de volumineuses et lourdes batteries malgré des progrès certains depuis les « historiques » batteries au plomb toujours utilisées dans nos véhicules mais pas pour la traction… Nous verrons que le stockage de l'électricité pose ainsi un véritable problème lorsque celle-ci est issue d'énergies renouvelables ni constantes ni continues (solaire, éolien, courants marins, etc…)  

LES SOURCES D'ÉNERGIE On a l'habitude de les classer en deux grandes catégories : les énergies renouvelables et les nonrenouvelables.  

I-  ENERGIES RENOUVELABLES On désigne couramment sous le vocable de renouvelables les énergies qui se reconstituent rapidement ou semblent inépuisables à l'échelle humaine. Ce sont essentiellement celles qui sont issues du rayonnement solaire soit directement soit indirectement par le déplacement ou le mouvement des fluides, air ou eau, sous l'influence d'inhomogénéités de température. De même sont considérées comme renouvelables l'énergie qui a pour origine la chaleur de la Terre (géothermie) et celle qui provient des marées (usines marémotrices) sous l'influence de l'attraction lunaire (et solaire). Enfin entrent dans cette catégorie les combustibles provenant de la matière organique vivante, la biomasse, (bois des forêts, agrocarburants, biogaz) dont la croissance est activée par la lumière et la chaleur du soleil.  

Energie solaire L'énergie primaire reçue en permanence par la Terre est l'énergie solaire. Celle-ci, après filtrage par l'atmosphère, nous parvient sous forme de rayonnements, essentiellement dans le domaine des longueurs d'onde allant de l'infra-rouge à l'ultra-violet en passant bien sûr par le visible. La quantité globale d'énergie reçue est énorme et correspond à une puissance journalière de l'ordre de 170 millions de gigawatts (1 gigawatt = 1 milliard de watts) dont environ 120 millions sont absorbés, le reste étant réfléchi. Cependant cette énergie n'est pas disponible en permanence en un lieu donné. Elle dépend de la latitude, de la saison, de la météo locale et bien sûr du cycle de 24 heures (alternance jour-nuit). Retenons un ordre de grandeur : sous un bon ensoleillement la puissance reçue sur terre est de l'ordre de 1 kilowatt par m2 (1kW/m2).   L'énergie solaire peut avoir deux usages bien différents :  soit le solaire thermique pour chauffer de l'eau, essentiellement à usage domestique (eau chaude sanitaire, chauffage des maisons, chauffage de l'eau des piscines). Les capteurs ont une surface noire afin de capter un maximum d'énergie. Ils sont parcourus par des serpentins dans lesquels circule un fluide caloporteur. Du fait qu'elles captent une grande partie du spectre solaire, ces installations ont un bon rendement et tendent à se développer dans de nombreux pays. C'est historiquement le premier usage de l'énergie solaire avant que le photovoltaïque n'apparaisse.        Pour une utilisation industrielle sur une plus grande échelle, mais encore marginale, il est possible de transformer de l'eau en vapeur pour faire tourner des turbines et produire de l'électricité.

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             Chauffe-eau solaire cc by-sa Ra Boe, wikimedia   soit la filière dite photovoltaïque qui réalise la conversion directe d'une partie du rayonnement solaire en électricité. Elle est en plein développement dans le monde malgré un rendement plutôt faible ne dépassant guère 15% et n'a pu voir le jour qu'avec la généralisation des techniques de fabrication des composants à semi-conducteur (microélectronique), essentiellement le silicium. En 2010 pratiquement la moitié des cellules solaires a été produite par la Chine. Cette énergie est bien sûr idéale pour les pays à fort ensoleillement mais n'est pas permanente et l'électricité produite doit être injectée dans un réseau général ou être stockée (batteries) pour des petites installations individuelles.

Maison à colombages avec panneaux solaires photovoltaïques, Buschhoven, Allemagne cc by-sa Túrelio   La part du photovoltaïque dans le monde est encore très modeste avec 0,5 % de l'électricité produite mais les capacités de production s'accroissent d'environ 35 % chaque année depuis 2000 si bien que l'on prévoit une part du photovoltaïque de l'ordre de 14 % à l'horizon de 2030. Notons qu'aujourd'hui c'est l'Allemagne qui est le premier pays au monde pour la production d'électricité photovoltaïque. Par contre, l'électricité issue du photovoltaïque est beaucoup plus chère que celle issue du charbon ce qui va freiner son expansion dans des pays en voie de développement encore relativement pauvres.    L'impact des cellules solaires sur l'environnement est faible au moins au niveau de leur exploitation car aucun polluant ni CO2 n'est émis mais ce n'est pas vrai lors de leur production comme d'ailleurs beaucoup d'autres dispositifs de conversion de l'énergie. En fin de vie les cellules sont en grande partie recyclables mais là aussi avec dépense d'énergie.  

Energie éolienne C'est l'énergie que l'on peut extraire du déplacement des masses d'air (Eole = dieu du vent chez les Grecs). Connue et utilisée depuis longtemps pour la propulsion de navires (navigation à voile : peut-être un millénaire avant notre ère !) et pour actionner des moulins. Au cours du XXe siècle, le vent a été utilisé pour faire tourner des petites éoliennes, essentiellement pour des installations locales (pompage ou production d'électricité).

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Vers les années 90, les technologies évoluant et les besoins en électricité augmentant, de grosses éoliennes (maintenant on dit souvent aérogénérateurs) sont apparues permettant d'envisager un apport non négligeable au réseau électrique général. Des aérogénérateurs de plusieurs mégawatts sont maintenant courants et des champs de ces machines s'installent un peu partout dans le monde soit sur terre soit de plus en plus en pleine mer (installations off-shore) car bénéficiant alors de vents plus réguliers et plus forts. L'éolien ne représente encore que 1,3 % de l'électricité produite mais il est en forte croissance, en moyenne 30 % par an depuis une dizaine d'années, et constitue la deuxième des énergies renouvelables. (6) Comme pour le solaire ce n'est pas une énergie régulière. Elle pose donc aussi des problèmes de stockage si elle n'est pas injectée en totalité dans les réseaux électriques. Elle n'est pas polluante à l'instar du solaire sauf lors de la fabrication des aérogénérateurs. Des études récentes, en effet, ne leur attribuent pas un très bon bilan carbone…

Eoliennes offshore cc by-nc-sa Danny Rimpl   

Energie hydraulique  Utilisée sous forme mécanique depuis longtemps (moulin à eau) elle prend un essor particulier au cours du XXe siècle pour la production d'électricité. De très nombreux barrages sont construits un peu partout dans le monde dans des sites favorables au stockage d'un important volume d'eau avec une grande hauteur de chute car c'est précisément l'énergie cinétique de l'eau arrivant avec force sur des turbines couplées à des alternateurs qui entraine ceux-ci pour produire de l'électricité. C'est un bon exemple des transformations successives de l'énergie : énergie cinétique de l'eau->énergie mécanique pour la rotation des turbines->énergie électrique délivrée par les alternateurs   Par exemple citons en France les 5 barrages de la Dordogne mettant à profit la vallée en V de la rivière et son dénivelé important. Construits entre les années 30 pour le plus ancien et les années 50 pour le plus récent, leur puissance est de l'ordre de 300 mégawatts chacun. En cas de pointe de consommation, les barrages constituent un apport très précieux car ils peuvent fournir de l'électricité très rapidement en quelques minutes (pas de temps de chauffe, juste le temps d'ouvrir les vannes et de lancer les turbines).  

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Barrage de Bort les Orgues cc by-sa akial    Les besoins mondiaux en électricité augmentant, de très grands barrages sont construits dans le monde (par exemple barrage des Trois Gorges en Chine) et certains pays comme le Brésil ou le Canada produisent majoritairement leur électricité à partir de l'hydraulique (60% au Canada, 96% rien qu'au Québec !). Il existe aussi des barrages au fil de l'eau utilisant le fort débit d'une rivière (barrages sur le Rhin en Alsace) pour faire tourner les turbines.    On a également fait quelques tentatives pour utiliser l'énergie des marées (usine marémotrice de la Rance) mais l'exploitation de ce type d'énergie reste assez marginale car faisant appel à des installations bien spécifiques. Cette énergie est considérée comme renouvelable car issue de l'interaction gravitationnelle de la Terre avec la Lune et donc inépuisable à nos échelles de temps.   Par contre, on se tourne de plus en plus vers des dispositifs pouvant utiliser l'énergie des courants marins (hydroliennes dont le fonctionnement est analogue à celui des éoliennes avec un flux d'eau au lieu d'un flux d'air) ou même l'énergie des vagues (qui est liée à celle de la houle et donc des vents). Elle représente un potentiel énorme dans le monde vu l'immense surface occupée par les océans et des machines expérimentales sont à l'essai. Cependant le fonctionnement de tous ces dispositifs en milieu marin pose un certain nombre de problèmes liés entre autres à la corrosion. photo d'hydrolienne cc by-nc-nd Ben Deck   Actuellement, dans le monde, l'électricité d'origine hydraulique représente environ 15% de l'électricité produite.  

Combustibles issus de la matière organique vivante  Le bois constitue un combustible renouvelable, sous réserve d'une gestion correcte de la ressource, c'est-à-dire des forêts. Bien que sa combustion dégage du CO2 il n'augmente pas la concentration de ce gaz dans l'atmosphère car une même quantité est susceptible d'être réabsorbée par la végétation. Dans de nombreux pays, il constitue encore une source d'énergie importante pour les usages domestiques (cuisson des aliments, chauffage…). Un appareil de chauffage moderne   au bois, tel qu'un insert ou une chaudière, peut avoir un rendement de l'ordre de 70% alors qu'un foyer classique ouvert ne permet guère d'obtenir plus de 10 à 15%. Mais des études récentes montrent que le bois émet des polluants divers et variés (nombreux composés chimiques dont certains dangereux pour la santé, particules fines, etc…) et ce d'autant plus que la combustion se fait à basse température  (>>>> RETOUR AU SOMMAIRE PARLONS SCIENCES Jean Pierre Ulmet - Volontaire du Muséum - Mis en ligne 1 octobre 2014        (1)- voir l'article de « Parlons sciences » sur l'effet de serre : 400 ppm de CO2 dans l'atmosphère… C'est grave docteur ???    (2) - La tonne d'équivalent pétrole (tep) est une unité commode d'énergie qui correspond à l'énergie ou chaleur libérée par la combustion d'une tonne de pétrole « moyenne ». Cette tep correspond à environ 42 milliards de joules ou 11 630 kilowatts heures    (3) voir l'article de « Parlons sciences » sur la radioactivité : La Radioactivité : de la Torbernite à Fukushima    (4) le neutron est l'une des particules élémentaires qui constituent, avec les protons chargés positivement, les noyaux des atomes. Comme son nom l'indique le neutron est électriquement neutre et de masse voisine de celle du proton.    (5) le GIEC- Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Évolution du Climat. C'est un groupe de scientifiques appartenant à de nombreuses disciplines qui a été constitué en 1988 sous l'impulsion du G7, réunion des pays les plus riches. Son rôle est d'expertiser tout ce qui est publié concernant le changement climatique provoqué par l'Homme. Le GIEC publie des rapports réguliers (2001, 2007, 2013). Ils sont de plus en plus alarmants sur l'évolution du climat et une action planétaire rapide et de grande envergure serait indispensable pour garder une élévation de température « tolérable » à la fin du siècle… Aura-t-elle lieu ?   (6) Article « Parlons Sciences »: Le vent, une énergie à transformer, pour allier les besoins électriques au respect de l'environnement        

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