Quelles énergies pour demain ?

Robert Dautray

• Éditeur: Odile Jacob
• Année: 2004
• Imprimer l'ISBN: 9782738113559
• ISBN de l'eBook: 9782738187116
• Sujet: Sciences physiques
• Sujet: Énergie

Jamais l'histoire de l'humanité n'a été minée par autant d'incertitudes d'une telle ampleur.- Incertitude sur les conditions du changement climatique, sur ses conséquences régionales et sur les possibilités d'adaptation des sociétés humaines.- Incertitude sur les économies d'énergie vraisemblables à des coûts économiques acceptables.- Incertitude sur les ressources exploitables de pétrole et de gaz naturel.- Incertitude sur la maîtrise de la pollution par le charbon.- Incertitude sur l'avenir du nucléaire.- Incertitude sur la place que pourront prendre les énergies renouvelables. Robert Dautray propose dans ce livre un programme de recherches et d'actions pour lever ces incertitudes. Il présente un large éventail de solutions afin de permettre, pour la première fois, au citoyen consommateur de choisir quelles énergies il veut pour quelle Terre des hommes. Robert Dautray a été professeur à l'École polytechnique et directeur scientifique du CEA puis haut-commissaire à l'énergie atomique. Il est membre de l'Académie des sciences et de l'Académie des technologies.

Annexe 1

Quelques chiffres relatifs
 aux puissances et rendements

1 petawatt = 10¹⁵ watts ; 1 térawatt = 10¹² watts ; 1 gigawatt = 10⁹ watts ; 1 mégawatt = 10⁶ watts ; 1 kilowatt = 10³ watts.

Le four d’une cuisinière consomme environ 2 kW ; le compteur électrique de notre domicile nous fournit entre 3 et 12 kW. L’éclairage d’une maison utilise une puissance d’environ 0,5 kW, la cuisine de 1 à 3 kW, le chauffage ou la climatisation 2 à 4 kW, le réfrigérateur 0,2 à 0,4 kW (si le congélateur est incorporé).

Rayonnement solaire incident sur toute la Terre : 174 PW1.

Énergie du Soleil. Nous avons déjà dit dans le texte et nous répétons pour le lecteur voulant utiliser les annexes comme références, que cette puissance émise par le Soleil provient quasi intégralement des réactions thermonucléaires entre noyaux atomiques de faible masse, et d’abord du deutérium*, dans sa région centrale (température de 15 à 20 × 10⁶ K, soit 1,3 à 1,7 kiloélectronvolt, noté keV ; densité massique au centre du Soleil : environ 160 g/cm³)2. Ces noyaux de deutérium proviennent, en premier lieu, de la réaction dite d’« interaction faible » : proton + proton → deutéron + électron + neutrino. Étant une réaction d’« interaction faible », ce que signe la présence du neutrino, cette réaction est lente : elle a une constante de temps de l’ordre de huit milliards d’années3. C’est elle qui fixe le rythme d’évolution du Soleil pendant sa phase de fusion des éléments légers du centre. Une fois les deutons (noyaux du deutérium) formés, les réactions de fusion sont relativement rapides et sont commandées par la durée de vol d’un élément léger avant qu’il ne rencontre un autre élément léger susceptible d’une haute probabilité de fusion en interaction forte ou faible (cette valeur probable est dite « section efficace » en cm²). Les temps de cette réaction s’étagent de 10^– 8 an à 10⁵ ans. Cette puissance thermonucléaire de la région centrale du Soleil est principalement émise vers sa surface limite sous forme de photons-rayons X d’énergie de l’ordre du keV. Dans cette région centrale du Soleil, le libre parcours d’un photon X, qui porte la plus grande part de l’énergie, est une fraction de cm. Le cœur thermonucléaire du Soleil est donc optiquement épais et en équilibre thermodynamique local (ETL). C’est une physique sans analogie quelle qu’elle soit avec ce que les humains veulent créer avec leur fusion thermonucléaire contrôlée. Par chocs, absorptions, réémissions (réactions dites « liées-liées », « libres-liées », « libres-libres », en pensant aux électrons des atomes), ces photons se refroidissent en chemin vers la surface. Leur périple aléatoire dure de l’ordre de 10⁶ ans. Ce flux radiatif devenu trop faible vers les 2/3 du rayon solaire, les photons n’arrivent plus à évacuer seuls la chaleur du centre du Soleil. Une convection de la matière du Soleil les y aide. Ils arrivent dans la région superficielle à l’état de photons de lumière jaune, soit de l’ordre de 2,7 électronvolts (eV) ou 0,45 à 0,46 µm de longueur d’onde dans la région du maximum d’intensité lumineuse4. Ces photons de 2,7 eV vont jusqu’à la Terre sans choc nouveau en huit minutes.

Toutefois, c’est le rapport entre la quantité d’hélium divisée par les éléments lourds produits dans les étoiles dY/dZ (Y est traditionnellement la proportion massique d’hélium et Z celle d’éléments lourds) appelé « métallicité » qui gouverne l’horloge stellaire et donc la durée de vie d’une étoile5. Pour le soleil, Y = 0,275 et Z = 0,017.

Rayonnement solaire absorbé par la Terre (continents et océans) : 86 PW6, soit 14 100 kW par habitant humain de la Terre.

Rayonnement solaire visible (par les yeux humains, soit de longueur d’onde de 0,4 à 0,7 µm), utilisable pour la photosynthèse*, dit aussi PAR (photosynthetic active radiation) : 48 PW7 soit 7 900 kW par humain. À distinguer de l’absorbed photosynthetic radiation.

Énergie lumineuse dite « visible ». C’est dans cet intervalle de longueur d’onde λ = 0,4 µm – 0,7 µm du rayonnement solaire incident que sont situés les spectres d’absorption de la photosynthèse oxygénique (c’est-à-dire produisant l’oxygène). Ces sources d’oxygène sont à l’origine de tout celui qui a été rejeté dans l’atmosphère au cours des âges. Une grande partie en a oxydé les corps comme les composés du fer, du carbone, de l’aluminium, etc. Cette photosynthèse met en œuvre les chlorophylles (dites a et b), les caroténoïdes, et des phycobilines (dites PE et PC). Ces dernières permettent aux cyanobactéries (« parmi les plus anciens et les plus simples des organismes qui pratiquent la photosynthèse8 » ; « cyano » = « bleu » en grec, les cyanobactéries sont aussi appelées « algues bleues ») et à quelques types d’algues d’absorber la lumière entre 0,5 µm et 0,65 µm. Dans la partie du spectre de la lumière autour de 0,55 µm (couleur verte du visible), il n’y a pas d’absorption des chlorophylles (a et b) et des caroténoïdes, d’où la couleur verte des végétaux. Il n’y a pas d’absorption du rayonnement solaire incident au-delà de 0,7 µm par les organismes pratiquant la photosynthèse oxygénique. De 0,7 µm à 1 µm, il y a absorption de la lumière (non visible, dite « proche infrarouge ») pour une photosynthèse par des bactéries non oxygéniques.

Écart de flux radiatif net TOA (top of atmosphere) entre les régions équatoriales et polaires de la Terre : max = 50 W/m² par rapport à la moyenne d’ensoleillement (342 W/m²). Cela conduit à un transport d’énergie des régions chaudes vers les régions froides dont la puissance est, en moyenne, d’environ 6 PW (1,5 PW pour chacun des océans9.

Ce transport d’énergie « méridional » horizontal d’environ 6 PW se fait par la circulation atmosphérique et les courants océaniques, les transports de chaleur latente et spécifique, etc. En tout 5 à 6 PW (soit un peu moins de 6.10¹⁵ W/6,3.10⁹ humains ≈ 10⁶ W/humain) est son maximum, atteint dans l’hémisphère nord pour une latitude d’environ 30-50 °N. En un mot, ce transport d’énergie est la machine thermique terrestre mettant en œuvre le phénomène dit « climat ». La partie relative au transport marin et celle relative au transport atmosphérique sont du même ordre de grandeur, mais n’atteignent pas leur valeur maximale à la même latitude. Le rendement de la machine thermique climatique terrestre – puissance des transports d’énergie marins et atmosphérique (climat) divisée par la puissance solaire incidente – est donc de 6 PW/176 PW = 3,4 %. Cela a été longtemps l’ordre de grandeur des rendements des machines à vapeur fabriquées par les humains. Ramenée à un humain, la puissance du climat atmosphérique est de l’ordre de 500 kW/humain et de même pour la puissance de la circulation marine.

Ressource et consommation de puissance (électricité + pétrole + gaz naturel +…) d’un Français ≈ 7,5 à 4,8 kW, soit pour la France entière au plus 0,3 TW, le quarantième de la puissance mondiale pour le centième de la population mondiale.

Consommation mondiale d’énergie par seconde, donc puissance, aujourd’hui : 12 TW, soit en moyenne un peu moins de 2 kW par habitant de la Terre (dont 85 % en combustibles fossiles). Prévisions de consommation du monde pour 2020 : 17 à 20 TW.

Formation mondiale d’énergie chimique (énergie des liaisons chimiques) en biomasse ≈ 130 TW (2,7/1000 du PAR et d’une autre manière, 0,7 millième du rayonnement solaire incident10). Cela fait 21 kW de liaisons chimiques créées, ramenées à un humain.

Source de chaleur terrestre totale 40 à 50 TW11 pour la partie noyau, croûte et manteau de la Terre. L’origine en est pour une grande part la radioactivité de l’uranium, du thorium et de leurs descendants radioactifs, ainsi que la radioactivité du potassium 40.

Le noyau terrestre nécessite de l’ordre de 1 TW pour maintenir la fluidité qui engendre son champ magnétique, lequel permet de protéger la Terre du vent solaire et donc de rendre possible le développement du vivant tel que nous le connaissons. Cette puissance pourrait être maintenue avec une puissance quittant le cœur pour le manteau terrestre de l’ordre de 5 à 6 TW12.

En d’autres termes, on constate que l’ordre de grandeur de puissance énergétique créée par l’activité des humains est :

– du même ordre de grandeur dès aujourd’hui de la puissance issue des profondeurs de toute la Terre ;

– d’un ordre de grandeur comparable à celui de la puissance solaire absorbée par la photosynthèse végétale (un facteur 4) ;

– et que les humains s’approprient en moyenne 20 à 30 % (suivant le mode d’évaluation) de la NPP (net primary production) végétale, donc à la source de tout le Vivant terrestre, mais le redistribuent entre eux de telle sorte que certaines régions consomment 600 % de la NPP.

Rappels : 1 térawatt, noté TW = 10¹² W représente en moyenne 0,164 KW par humain ;

– 1 petawatt, noté PW = 10¹⁵ W représente en moyenne 164 kW par humain.

1- [Houghton J.T. et al., p. 90].

2- [Allen C.W.].

3- [Bowers, Deeming].

4- [Allen C.W.].

5- [Jimenez R. et al.].

6- [Houghton J.T. et al., p. 90].

7- [Brack A., Mathis P., p. 70].

8- [Lender T. et al.].

9- [Tranberth K.E.], [Houghton J., p. 60].

10- [Brack A., Mathis P., p. 70].

11- [Poirier J.-P., p. 65].

12- [Buffett B.], [Birch F.].

Annexe 2

Quelques ordres de grandeur
de l’augmentation de l’effet de serre
et de ses conséquences climatiques

Flux radiatif

Variations de la puissance du flux radiatif, moyennée sur toute la Terre, sur plusieurs années1. Quelques repères pour situer les variations de l’effet de serre comme flux radiatif (W/m²) piégé dans la troposphère.

Irradiation2 moyenne sur Terre, en haut de l’atmosphère, soit sur une surface de 4πR², R étant le rayon de la Terre : 342 W/m² ; c’est le quart du flux radiatif qui arrive directement du Soleil, donc sur une surface de πR², soit 1 368 W/m². Celui-ci est en effet distribué sur la surface de la Terre, 4πR², par l’atmosphère et les grandes capacité...

Table des matières

• Couverture
• Titre
• Copyright
• Préface
• Introduction
• Première partie - Les enjeux énergétiques
• Deuxième partie - Quelques aspects scientifiques de l’énergie
• Troisième partie - Énergie et société
• Quatrième partie - Un dessein pour la France : la maîtrise des changements climatiques
• Conclusion
• Annexe 1
• Annexe 2
• Glossaire
• Bibliographie