Energie: malicieuse est la nature (2)

Suite de mon post sur les énergies. Avec ici un certain nombre d'ordres de grandeur.

Les seules vraies énergies renouvelables sont le solaire (thermique ou photovoltaique), l'éolien, l'hydroélectrique et la photosynthèse.

Cette dernière, on l'utilise déjà beaucoup au travers de notre alimentation et du bois de chauffage. En fait c'est probablement la première source d'énergie utilisée par l'humanité et depuis longtemps. Mais ce n'est pas elle qui nous a permis de sortir de l'ère préindustrielle pour rentrer dans notre monde moderne où chacun d'entre nous dispose en permanence de près d'une vingtaine d'esclaves mécaniques. Reste donc les autres...

L'éolien, l'hydroélectrique et le photovoltaique servent à produire de l'électricité qui peut faire tourner nos machines, cuire nos patisseries et aussi chauffer nos batiments. Mais le hic c'est qu'aucune de ces sources n'est vraiment disponible à la demande: la nuit il n'y a pas de soleil, parfois il y a des nuages et pas de vent.Génant si c'est à ce moment là qu'on a besoin de courant...

Y'a qu'à stocker me dit t'on. Sauf que là est le problème: on sait très mal stocker l'énergie!

C'est le principal obstacle à la généralisation des renouvelables et à la décroissance massive de l'usage des hydrocarbures pour le transport... Pour vous fixer une idée, un réservoir de voiture contient environ 40 litres de carburant. La quantité d'énergie contenue là dedans s'exprime en kilowatt heure (kWh): ça fait 400 kWh environ. 

Qu'est ce que cela représente ? Ben un individu en top forme, c'est en puissance utilisable, au mieux 300 Watts sur six heures. Je vous le fait à 2 kWh par jour (très optimiste). Donc même en prenant en comptes des pertes, le réservoir de votre voiture contient autant d'énergie stockée que peuvent en délivrer 100 esclaves humains en top forme au cours d'une journée de travail digne de la construction des pyramides. Si ce petit calcul vous parait un tant soit peu étrange, je vous invite à lire ceux de Jean-Marc Jancovici qui arrivent à la même conclusion:

Dix litres d'essence, qui représente un peu moins de la consommation d'énergie journalière par français toutes sources confondues (hors photosynthèse), c'est l'équivalent du travail de dizaines de travailleurs durant la même journée.

Ce sont ces ordres de grandeur qui donnent la mesure du problème: l'usage des énergies fossiles nous à fait passer de la situation du paysan ou de l'ouvrier à la veille de la révolution française, qui ne pouvait compter que sur sa force de travail et celle d'un animal de ferme ou deux, à un train de vie de nabab qui sans s'en rendre compte dispose de l'équivalent de dizaines d'esclaves à son service en permanence.

Maintenant que faut t'il pour stocker la quantité d'énergie stockée dans 10 litres d'essence ? 

On pourrait penser à des batteries pour stocker l'énergie des éoliennes ou des panneaux photovoltaiques. Avec des batteries au plomb comme celles de nos voitures, c'est 2 tonnes minimum. Pas vraiment pratique. Avec le top du top des batteries Lithium/Ion, on peut faire mieux. Comme je l'ai déjà expliqué, le roadster Tesla stocke 60 kWh soit l'équivalent de 6 litres d'essence dans un bloc de 450 kgs. Donc pour 10 litres, on devrait y arriver en 750 kgs de batteries... Pas vraiment pratique même si un roadster Tesla est plus efficace qu'une Clio Mazout.

Bon, et si on faisait chauffer de l'eau. Après tout notre bon vieux ballon d'eau chaude c'est un stockage d'énergie. Pour stocker l'équivalent de l'énergie contenue dans 10 litres d'essence, il faut élever la température de 1500 kgs de flotte (1,5 mètre cube ou en gros 15 baignoires) de 50 degrés! Bon pas top pratique sauf si l'objectif est de stocker l'eau chaude nécessaire à une famille. Là, le ballon bien isolé à déjà fait ses preuves... ce qui suggère que la pose de capteurs solaires thermiques (et non photovoltaiques) est probablement une bonne manière d'utiliser l'énergie solaire vu que le problème du stockage des calories nécessaires à une maisonnées est résolu.

Quelles autres solutions ? On peut revenir à la bonne vieille méthode de la chute d'eau, plus connue des écoliers des années 50 sous le nom de "houille blanche". Pour stocker l'équivalent énergétique de nos 10 litres de carburant, il faut stocker 300 tonnes de flotte (ou de gnole mais c'est plus difficile à trouver) à 100 mètres de hauteur. Reconnaissez: ce n'est ni facile (il faut la place) ni très pratique et encore moins transportable.

En fait, la nature nous fournit une manière un peu plus pratique de stocker des kWh d'énergie solaire. Ca prend un peu de temps mais moins que pour faire du pétrole. Ce petit miracle de la nature, c'est le bois de chauffage: 20 kgs de bois libèrent en brulant l'équivalent de ce que libèrent nos 10 litres d'essence! C'est moins commode qu'un carburant liquide mais pour le chauffage, ce n'est pas mal et c'est écolo si on gère bien les forêts (pas comme au Brésil ou à Bornéo).

Tout ceci est t'il vraiment suprenant ? 

Ben pour un physicien non... L'énergie des hydrocarbures ou du bois de chauffage, c'est de l'énergie électromagnétique stockée au niveau moléculaire avec la densité maximale que l'on puisse imaginer vu que chaque molécule va contribuer au stockage.

Une batterie, c'est un système conçu par l'homme pour stocker de l'électricité au moyen d'un couple électrochimique. En principe, les ordres de grendeur des énergies par molécule impliquée sont similaires aux hydrocarbures mais dans une batterie, seule une petite fraction participe au stockage de l'énergie d'où un potentiel stockage par unité de masse largement inférieur aux carburants liquides ou au bois! (Voir ici une figure donnant stockage d'énergie des batteries par kg ou litre... Pour comparer rappelez vous que le pétrole c'est 10 000 Wh par kg!)

L'eau chaude (ou n'importe quel composé chauffé) stocke de l'énergie dans le mouvement des molécules. Il peut s'agird'énergie cinétique des molécules elle mêmes (gaz) mais aussi de l'excitation des niveaux de rotation/vibration moléculaires.

Le hic c'est que l'énergie stockée par molécule est alors bien plus basse que celle stockée par une liaison chimique. Là encore c'est mère Nature qui dicte sa loi. Un ordre de grandeur: ramené à une molécule d'eau, la quantité de chaleur correspondant à l'élévation de 50 degrés est d'environ 0.04 eV alors que ramené à une molécule de méthane, la quantité d'énergie libérée par sa combustion est de 8 eV soit plus de 200 fois supérieur. 

Au passage, l'énergie libérée lors de la fission nucléaire correspond aussi à une énergie électromagnétique (séparation du noyau en deux morceaux tous deux chargés positivement) mais comme le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome, on s'attend en toute logique à des quantités d'énergie libérées d'autant plus grandes que par la chimie (l'énergie électrostatique est inversemment proportionnelle à la distance).

Se rajoute un petit facteur 100 ou plus à la louche car le noyau d'Uranium est 192 fois plus chargé qu'un proton. Donc on attend 10 millions de fois l'ordre de grandeur d'une réaction chimique et c'est le cas: 190 millions d'eV par atome d'Uranium fissionné à comparer au 8 eV par molécule de méthane brulée. Là encore ce sont les lois de la Nature qui fixent les chiffres.

Bref, la physique de base nous dit:

1. Qu'en chauffant un corps ou qu'en le montant en hauteur, il faudra des masses (et donc des volumes) considérablement plus importants qu'avec des hydrocarbures, de la gnole ou même du bois de chauffage pour stocker de l'énergie.

Ne pensez pas que c'est parce qu'on n'a pas assez cherché qu'on ne peut pas faire mieux. Ce sont les constantes de la nature qui font que c'est comme ca! 

2. Que si on veut faire aussi bien que mère nature avec un stockage chimique, il va falloir trouver un moyen d'impliquer presque toutes les molécules du dispositif de stockage et que même dans ce cas, on ne gagnera pas plus d'un ordre de grandeur par unité de masse par rapport aux hydrocarbures (et encore, le plus souvent je parie qu'on sera en dessous).

Pour les batteries, cela veut dire combiner nanotechnologie et électrochimie de manière "ultime". Cela n'est pas encore fait... mais il faut continuer à chercher. Ca ne vas pas plaire aux anti-nanotechnos de Grenoble ou d'ailleurs!

2bis. Ou alors qu'il faut trouver une manière de convertir rapidement en hydrocarbures ou en d'autres composés pouvant libérer de l'énergie nos déchets. Ca veut dire speeder radicalement mère nature par exemple par une ingéniérie génétique de bactéries capables de faire ce travail pour nous à très grande échelle.

Dommage pour tous ceux qui ne veulent pas qu'on manipule le génome et encore moins qu'on crée des organismes synthétiques... Entre les religieux de tous bords et ceux qui ne veulent pas qu'on manipule le vivant, ca va faire beaucoup de mécontents.

3. Que le nucléaire est et restera pour longtemps ce qui délivre le plus d'énergie par unité de masse avec un facteur 100000 par rapport à la chimie.

Après, au delà des ordres de grandeur, chaque source peut convenir pour certains usages... c'est ce que je discuterai dans un prochain post. Stay tuned!

Comments

[b_z]

Raison de plus pour s'inquiéter, en cas d'un trou dans TOUTES (ou presque) les productions d'énergie renouvelable (qui pourrait arriver, puisqu'aucune n'est "opposée" à une autre), et bien on serait dans l'obligation de faire tourner à plein régime les centrales à charbon/fuel/bois...

Ce qui n'est pas souhaitable, d'autant plus qu'aujourd'hui nous n'en avons pas la possibilité : "remplacer le nucléaire par du renouvelable", ça voudrait également dire créer beaucoup de centrales thermiques pour compenser leurs rythmes imprévisibles... Des centrales qui, si on veut vraiment faire dans le -presque- "tout renouvelable" ne tourneront quasiment jamais mais seront en alerte permanente pour palier à des trous de production -imprévisibles- du renouvelable.


L'hydroélectrique est sans doute encore une fois la meilleure des énergies renouvelables -actuellement exploitées- pour cela : prévisible, capable de fonctionner en pics/creux comme en production constante au bon vouloir de l'exploitant, réversible en cas de chute de la demande... Ce n'est le cas d'aucune autre renouvelable à ma connaissance ? Sauf les thermiques renouvelables à base de biofuel sans doute.

[tc]

Ok, mais toutes les énergies renouvelables ne sont pas soumis aux mêmes rythmes. Entre l'éolien, le solaire, le marée-moteur, et le géothermique, il y a des cycles qui n'ont rien à voir.

[P.]

Exactement! Et ce n'est pas un petit hic... C'en est même un très très gros.

[Jerome]

EDF stocke un petit peu d'énergie grace aux barrages en pompant de l'eau en amont. Il existe par ailleurs des projets de couplage éolien/barrage afin de stocker le surplus de production et le relacher au besoin (voir l'excellent article de Wikipedia sur l'hydroélectrique : http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_hydro%C3%A9lectrique).
L'hydroélectrique pourrait devenir un bon moyen de lisser la production électrique de sources capricieuses comme l'éolien ou le photovoltaique.
Le petit hic, c'est que les barrages existants ne suffiraient sans doute pas à lisser toute la production si on passait au 100% énergie renouvelable...

[PK]

Oui, on peut liberer l'eau des barrages la nuit, mais si ta maison n'est pas reliee au reseau electrique ca ne va pas te servir a grand chose...