Énergie, économie et environnement Johann Collot professeur à l'université Grenoble Alpes et chercheur au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) université Grenoble Alpes, CNRS/IN2P3
Définition de l'énergie Un système physique possède de l'énergie s'il peut fournir du mouvement (du travail), du rayonnement ou de la chaleur. mouvement (travail) legaluchat.free.fr rayonnement L'énergie s'exprime en joules, symbole J. 1 J est environ l'énergie qu'il faut fournir pour élever d'un mètre une pomme audessus du sol terrestre. chaleur
Échange d'énergie et puissance La puissance d'un système est l'énergie qu'il échange avec l'extérieur par unité de temps. La puissance s'exprime en watts, symbole W. 1 W correspond à l'échange d'une énergie d'un joule par seconde. Puissance P = ΔE/Δt en W (watts) ΔE r > 0 et donc P > 0 énergie reçue de l'extérieur pendant Δt système ΔE p < 0 et donc P < 0 énergie perdue vers l'extérieur pendant Δt Un système peut également stocker de l'énergie sous la forme d'énergie interne. Cette énergie est exprimée par le symbole U.
Puissance et énergie Il est très important de bien saisir la différence entre puissance et énergie. Un système peut posséder une très grande énergie (exemple : voiture dont le réservoir d'essence est plein), mais s'il ne l'échange pas (si la voiture ne roule pas), sa puissance est nulle. Inversement, un système peut échanger une toute petite énergie, mais s'il le fait sur un temps très très court, cela correspond à une puissance importante. Puissance des automobiles dans l'usage courant. Lorsque l'on lit qu'un modèle de voiture possède une puissance de 120 chevaux (chevaux-vapeur), cela signifie que son moteur au maximum de sa puissance développera : 120 x 736 = 88,32 kw sachant qu'un cheval-vapeur (symbole ch) vaut 736 W et représente approximativement la puissance maximale développée par un cheval (l'animal).
Les différentes formes de l'énergie L'énergie est en apparence multiforme, mais fondamentalement il n'existe que deux types d'énergie : - l'énergie cinétique qui est liée au mouvement des corps (laquelle varie en fonction du référentiel d'étude utilisé) ; E c = 1/2 m V 2 où m est la masse du système en kg et V sa vitesse en m/s - l'énergie potentielle qui résulte de l'interaction entre les corps. Par exemple l'énergie potentielle de pesanteur : E p = m g z où m est la masse du système en kg, z la différence d'altitude et g, l'accélération de la pesanteur g = 9,81 m/s 2
Quelques exemples d'énergie Énergie mécanique : somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle d'un système. Par exemple E m = 1/2 m V 2 + m g z pour un système de masse m dans la pesanteur terrestre. Énergie thermique ou chaleur : somme des énergies cinétiques (de mouvement) des constituants microscopiques (atomes, molécules...) d'un fluide ou d'un solide observées dans un référentiel au repos par rapport au système. C'est une énergie désordonnée qui correspond à l'agitation thermique des atomes, des molécules et des électrons libres de la matière. Énergie chimique : chaleur libérée lorsque des molécules se forment : exemple de la combustion du carbone : C + O 2 -> CO 2 + environ 240 kj/mole Énergie fossile : chaleur dégagée par la combustion de carburants fossiles : charbon, pétrole et gaz. La combustion d'une tonne de pétrole produit 10 milliards de calories. Une calorie est la chaleur nécessaire pour élever d'un degré un gramme (ou un cm 3 ) d'eau. 1 cal = 4,18 J, par définition 1 tep (tonne équivalente pétrole) = 10 10 cal = 41,8 GJ.
Quelques exemples d'énergie Énergie de rayonnement : somme des énergies cinétiques portées par des radiations (rayonnement solaire, émissions radioactives, ondes électromagnétiques... ) sachant que les radiations sont constituées de particules en mouvement (photons, électrons, noyaux d'hélium... ). Énergie solaire : énergie du rayonnement émis par le Soleil, reçue sur la planète Terre. Énergie éolienne : énergie cinétique des vents qui circulent. Leur circulation est induite par des différences de températures à la surface de la Terre : effet indirect du rayonnement solaire. Énergie nucléaire : chaleur dégagée par la fission des noyaux d'uranium 235. La fission d'un kilogramme d'uranium 235 produit une chaleur équivalente à la combustion d'environ 1950 tonnes de pétrole.
Consommation énergétique Pour se maintenir en vie, un humain consomme en moyenne 100 joules par seconde soit 100 W. C'est le métabolisme de base. Pour gravir le Tourmalet, un champion cycliste produit environ 400 W. Pour son confort de vie actuel, un français consomme en moyenne 5250 W (J/s). Et un américain le double! En 2012, la consommation mondiale d'énergie primaire s est élevée à 13,3 milliards de tep (tonne équivalent pétrole) par an (sachant que 1 tep = 42 milliards de joules), et elle augmente de 2 à 3% par an. 20 % 28 % 6 % 14 % Américain = 8 tep/an Européen = 4,3 tep/an Moyenne mondiale = 2 tep/an 32 % combustibles fossiles = 80 %
Principe de conservation de l'énergie Dans un référentiel donné, l'énergie totale détenue par un système (somme de toutes les formes d'énergie que possède ce système) ne peut ni s'accroître ni diminuer spontanément (sans action extérieure). Toute variation de cette énergie totale ne peut résulter que d'un échange avec l'extérieur. Il en découle que l'énergie totale d'un système isolé (sans échange avec l'extérieur) se conserve au cours du temps. Si le système n'est pas isolé, la somme de son énergie totale et de l'énergie perdue moins l'énergie reçue est constante au cours du temps. Conversion énergétique Nous sommes fréquemment amenés à convertir une quantité d'énergie d'un type donné en un autre : par exemple de l'énergie chimique en travail (action d'une force) dans le moteur à combustion interne d'une voiture. Or toute conversion donne lieu à la production d'une quantité de chaleur inutilisable. Puisque l'énergie totale se conserve, le rendement de conversion r est toujours inférieur à 1. r = E utile / E fournie < 1 Énergie fournie Convertisseur Énergie utile chaleur inutilisable
Solaire photovoltaïque Un panneau photovoltaïque convertit l'énergie de rayonnement solaire en énergie électrique rendement r = 10-20 % Puissance maximale produite : 100 à 200 W par m 2 de panneau. Il faudrait couvrir un département français de panneaux photovoltaïques pour assurer l'approvisionnement énergétique de la France. Énergie très intermittente. Stockage difficile.
Turbine à vapeur : conversion de chaleur en électricité 1 source de chaleur 2 vaporisation de l'eau 3 turbine à vapeur et production d'électricité par l'alternateur 4 condensation de la vapeur centrales à charbon rendement de 30 à 50 % 200 à 600 MW e par unité centrales nucléaires rendement de 30 à 35 % Jusqu'à 1600 MW e par unité
Énergie éolienne Une éolienne convertit l'énergie transportée par le vent (énergie cinétique) en électricité. Le diamètre d'une éolienne peut atteindre 126 m pour une hauteur de tour de 198 m et une puissance maximale de 6 MW (mais 2 MW en moyenne). C'est une énergie très intermittente. Stockage difficile.
Énergie et économie CEM = CEM / PIB x PIB / Population x Population PIB (richesse) mondial(e) CEM = Consommation Énergétique Mondiale Population mondiale CEM/PIB = intensité énergétique (quantité moyenne d'énergie pour produire 1 de PIB dans le monde) PIB/Population = revenu moyen en /habitant dans le monde CEM en 2050? - intensité énergétique divisée par 2 suite à des économies d'énergie - PIB/Population multipliée par 2,7, taux de croissance/an de 2,5% - Population mondiale multipliée par 1,4 Bilan : la consommation mondiale d'énergie devrait presque doubler dans les 40 prochaines années.
Énergie, économie et environnement La combustion des énergies fossiles donne lieu à l'émission de 36,1 milliards de tonnes de CO2 par an, soit une augmentation de la concentration en CO2 de l'atmosphère de 2 parties par million (2 ppm) par an. La concentration de gaz carbonique actuelle est de 390 ppm. La terre n'a jamais connu cela depuis plus de 800 000 ans. Il n'y donc aucune expérience directe humaine d'un tel niveau de concentration de CO 2 dans notre atmosphère.
Les trois dernières décennies ont été - tour à tour - les plus chaudes depuis le début du relevé des températures
Développement des centrales solaires Centrale solaire de Topaz en Californie, en construction puissance maximale 550 MW surface 25 km 2 La plus grande au monde
Développement de fermes d'éoliennes London Array 175 éoliennes puissance maximale 630 MW
Conclusion L'énergie est un produit de la révolution industrielle L'énergie est l'un des moteurs essentiels de notre économie : il faut environ 2 barils de pétrole pour produire 1000. Sans bouleversement, on peut s'attendre à un doublement de la consommation mondiale dans les 50 prochaines années. La surconsommation d'énergie fossile (80% du total) fait porter un risque grave sur le climat de la Terre. Pour limiter ce risque, il faudrait «décarboner» notre production d'énergie afin de réduire la part des énergies fossiles à moins de 20 % : solaire? éolien? hydroélectrique? biomasse? nucléaire : fission et/ou fusion?