Rappels de physique et ordres de grandeur
Dans ce premier article on va rappeler quelques bases de la physique. Le but est simplement d'avoir des ordres de grandeur pour comparer la production d'une éolienne et d'une centrale nucléaire, d'un litre d'huile pour le cycliste ou pour une voiture. De comprendre pourquoi le chauffage électrique est plus énergivore que le chauffage au charbon chez soi, etc.
Énergie
L'énergie est la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, de la lumière ou de la chaleur. Elle se mesure en joules (J), kilowatt-heure (kWh), calories (cal), tonnes équivalent pétrole (tep), etc... autant d’unités qui trouvent leur utilité dans les divers domaines traitant d’énergie (thermodynamique, production d’énergie, diététique, physique moderne…). Quelques exemples de grandeurs énergétiques :
· Un gramme de sucre : 4 kcal = 16,7 kJ = 4,6 Wh,
· Un kilo de sucre : 16,7 MJ = 4,6 kWh,
· Un litre d'huile 10 kWh,
· Une tonne de pétrole : 11628 kWh = 11,628 MWh [1],
· Consommation annuelle d'énergie en France: 259 Mtep = 2990 TWh [2],
· Consommation annuelle d'électricité en France : 37 Mtep = 432 TWh [2].
Puissance
Si je veux faire monter une tonne d'eau à 10 m de hauteur, il faut que je fournisse 28 Wh d'énergie. Si je mets une heure à faire monter l'eau, alors je fournis une puissance de 28 W pendant cette heure. Si je mets 10h, alors la puissance sera de 2,8 W pendant ces 10h. De même si je fais fonctionner une ampoule de 100 W pendant 1h, ma facture électrique sera de 100 Wh, ou 0,1 kWh. Si je la laisse allumée pendant 10h, ma facture sera de 1000 Wh, ou 1 kWh.
Une erreur commune dans les médias est de parler de kW/h, certainement due à une autre erreur très commune : les km/h prononcés « kilomètre-heure » au lieu de « kilomètre par heure » (merci Roland Garros…). Dans la majeure partie des cas l’unité kW/h ne veut pas dire grand-chose : elle permet de mesurer une variation de puissance dans le temps, alors que nous voulons le plus souvent mesurer une variation d’énergie
La distinction entre puissance et énergie est indispensable :
· une voiture avec une puissance 100 chevaux (73 kW) qui roule à 100 km/h pendant une heure, aura en moyenne consommé 4 L d'essence (environ 40 kWh),
· une éolienne qui peut produire 4 MW quand le vent est favorable, va produire annuellement 30 GWh, soit en moyenne 1 MW durant cette année.
Transformation, rendement, énergie primaire et finale
Pour être utile à l’homme l’énergie contenue dans 1 L d’essence, 1 m3 de gaz, 1 stère de bois ou 1 t d’uranium doit être « extraite » pour fournir un service. Ce service peut être de la chaleur, un déplacement, de l’électricité, de la lumière,… Il faut alors transformer la matière première (fioul, gaz, etc…).
Quelques exemples de transformation :
- - on va opérer une combustion avec du gaz et de l’air pour générer de la chaleur,
- - on va opérer une combustion avec de l’air et de l’essence pour déplacer des pistons qui vont actionner un arbre qui va à son tour faire tourner les roues d’un véhicule terrestre,
- - on va opérer la fission d’atomes d’uranium pour générer de la chaleur qui va produire de la vapeur, qui va actionner une turbine et un alternateur pour générer de l’électricité.
Ces diverses transformations ont un rendement : le rapport entre l’énergie fournie avant transformation et l’énergie récupérée après transformation. Ainsi selon la transformation choisie, il y a plus ou moins d’énergie « gâchée ». L’énergie « gâchée » ne disparaît pas lors de la transformation mais n’est pas utilisée car ne rend pas le service attendu. Par exemple, une ampoule à incandescence génère 5% de lumière et 95% de chaleur.
Pour comparer les transformations, le chauffage est un bon exemple : un litre de fioul directement brûlé dans une chaudière qui a un rendement de 90% apportera autant de chaleur qu'un radiateur électrique de 1000 W qui fonctionne sans arrêt pendant 9h. Ce dernier cependant nécessite une transformation préalable pour générer l’électricité qui le fait fonctionner. La production d’électricité, soumises aux lois de la thermodynamique [3], à un rendement d’environ 33%
Si notre chauffage électrique est alimenté par une centrale électrique au fioul, il lui faut donc 3 litres de fioul pour avoir la même chaleur obtenue avec 1 L dans une chaudière domestique.
On parle donc d'énergie primaire et d'énergie finale pour faire la part des choses. C'est pour cela que le nucléaire représente 40% de l'énergie primaire en France mais seulement 17% de l'énergie finale. Le reste de l'énergie est perdue comme chaleur (lors de la transformation dans la centrale électrique, et lors du transport de l’électricité).
Il existe deux manières de contourner cette limitation (fortement utilisées dans certains pays, très peu en France) :
· la cogénération [5]: on utilise la chaleur restante pour... chauffer. Cela permet de récupérer pratiquement toute l'énergie.
· le cycle combiné [4] : on utilise la chaleur restante pour faire fonctionner une autre machine thermique. On peut donc récupérer le tiers des deux tiers perdus. Le rendement global peut atteindre les 60%.
Par contre si on regarde les deux grandes causes actuelles de l'écologie : la lutte contre le réchauffement climatique et l'épuisement des ressources fossiles, là les choses se gâtent, et il va falloir comparer les ordres de grandeur.