Utilisateur:François-Dominique/Énergie planétaire : les ordres de grandeur

Cette page vise à regrouper quelques repères quantitatifs liés à l'énergie. Tout ajout factuel, et en particulier chiffré, est le bienvenu. Veillez quand même à bien l'insérer à la bonne place dans le plan général.

Historique

Le chiffrage des besoins nécessaire aux hommes pour survivre dans un milieu donné a commencé avec le commerce international : que l'on soit à bord d'une caravane traversant le désert ou, plus tard, d'un navire traversant l'Atlantique, il était important de savoir quelles quantités de quels produits seraient nécessaires pour mener le projet à bien, sans s'encombrer pour autant d'un fardeau inutile.

Par la suite, Richard Buckminster Fuller, dans Operating manual for liferaft Earth, fit remarquer que la Terre se comportait comme une sorte de grand vaisseau spatial (à ceci près qu'il n'allait nulle part) et que le même calcul pourrait être réalisé à l'échelle planétaire. Le professeur Richard Bellmann, inventeur de la programmmation dynamique fit à Bordeaux dans les années 1960 le constat que nous avions en ressources brutes de quoi assurer la survie de tous les habitants de la planète (qui ne comptait alors qu'entre trois et quatre milliards d'habitants), mais qu'il nous restait des carences en matière d' organisation pour mettre en œuvre ce programme. Nous nous attachons ici de toute façon à la seule question du chiffrage brut des énergies, qu'il s'agisse de ressources ou de besoins.

considérations générales possibles

• énergie totale disponible : majorants et minorants.
• limitations de puissance crête
• rendement des transformations énergétiques
• effet de serre et, plus généralement, problème de la dissipation thermique

• capital, travail, et consommables

• formes d'énergie (lumière, électricité, énergie cinétique, chaleur, etc.) vs. sources d'énergie (gaz, pétrole, etc.)

• énergie « noble » (multiusage, capable de fournir du travail) et énergie « dégradée » (monusage, capable seulement de diffuser). En terme savant : énergie, enthalpie (libre).

• Conversion en travail : limites imposées par le Second principe. Liaison avec les questions climatologiques.

• Différents types de stockage
  • macro-physique (e.g. : chute d'eau),
  • micro-physique (e.g. condensateur),
  • chimique (batterie au plomb, carburant).

• transport

besoins et consommation

consommation naturelle physique

évaporation, rayonnement terrestre vers l'espace

usage par la biosphère, homme exclu

(compte tenu de son importance pour lui-même il est utile et légitime de tenir compte séparément de l'activité humaine, ce qui ne préjuge pas de son rattachement ou non à l'ordre naturel, ce qui relève d'autres considérations théologico-philosophiques)

Besoins liés à la survie

Eau potable

Les besoins humains varient beaucoup selon les latitudes, mais 1,5 l par jour et par personne donnent un premier ordre de grandeur des besoins.

Cela correspond à 0,55 m^3 par an et par personne, soit un besoin mondial de 3,3 10^9 m^3. Cette eau peut en régime permanent provenir

• d'une évaporation naturelle
• d'une distillation (par exemple dessalement)
• de procédés osmotiques

La quantité d'énergie nécessaire par an peut être calculée dans les deux premiers cas (calcul à faire)

Agriculture

L'agriculture est une importante consommatrice d' eau douce. Cette eau douce arrive

• soit directement sous forme de pluie,
• soit indirectement (fleuves, canalisations, nappe phréatique)

mais quel que soit le cas envisagé, chaque mètre cube a dû au préalable être évaporé depuis la surface de la planète (essentiellement la mer), ce qui est autant qui correspond à de l' énergie solaire déjà utilisée, et qui ne sera donc plus disponible pour autre chose.

La quantité d'eau évaporée par an sur la planète correspond, d'après le livre How many people can the Earth support ? à un cube de 17 km de côté // note de rédaction - vérification des 17km en cours, avant de se lancer dans le calcul de l'énergie solaire immobilisée correspondante.

Un chiffre qui revient plusieurs endroit du Net est le rapport de 1000 tonnes d'eau à fournir pour chaque tonne de blé (calculer le coût énergétique d'évaporation...).

Autre façon de chiffrer (peut permettre de recouper) : une ration alimentaire de 2500 (kilo-)calories par jour correspond à 120 W par être humain.

• Pour nourrir toute la planère correctement, il faut 6x1E9 x 120 W, soit 720 GW efficaces. L'équivalent de 720 centrales nucléaires si le rendement de l'agriculture était de 100%, ce qu'il n'est pas.
• Ou, en admettant provisoirement le chiffre de 100W/m² pour l'énergie solaire, 7200 km² de section de rayonnement solaire consacrés à la question, chiffre faible, mais à déduire tout de même de ce qui est utilisable pour l'usage de l'énergie solaire. Et là encore, il s'agit d'un minorant considérant un rendement de 100%. (Quelqu'un se dévoue pour la suite du calcul ?)

Elevage

Le calcul se greffe sur le précédent, sachant que les protéines animales se constituent au moyen d'une consommation de protéines végétales par les animaux d'élevage, et que par ailleurs ces animaux eux aussi doivent boire pendant la durée de leur croissance.

Besoins liés à la qualité de la vie : domestiques et industriels

Domestique pur : électricité

• La puissance dont a besoin un foyer dépend de son équipement électrique. En France, la puissance convenant à un logement standard non chauffé à l'électricité est de 6kW. Une puissance de 3kW peut être suffisante pour un foyer économe en électricité ou une résidence secondaire.
• La consommation d'énergie électrique d'un foyer français est d'environ 2500 à 4000 kWh/an, soit environ 7 à 11 kWh/jour (hors chauffage). Un foyer peut réduire sa consommation de plus de 50% en achetant des appareils économes et en modifiant ses habitudes (éteindre les veilles, bon usage des appareils de froid et du four électrique, séchage manuel du linge, ...)

Production industrielle

La production d’aluminium consomme de l’ordre de 15 kWh électrique, pour 1 kg d’aluminium primaire produit (sans même parler de la transformation en produit fini), soit 15 MWh/tonne d'aluminium primaire

Transport

Camions, transports aériens, trafic ferroviaire, véhicules individuels

Autre approche : consommation globale d'électricité

Si on ne sépare pas artificiellement la « vie domestique » des besoins « industrie », le calcul est bien plus simple. À la louche, 50 centrales de 1 GW pour 60 millions d'habitants font du 833 W par habitant en moyenne (24h/24 et 7j/7, car on n'arrête pas une centrale nucléaire : le temps mise en chauffe des turbines est à lui seul supérieur à 5 heures), industrie et consommation domestique confondues.

Pour la planète, il faudrait donc 833 x 6E9 W = 4,99 TW pour une consommation énergétique par habitant comparable.

(voir page de discussion en cliquant sur l'onglet approprié)

Limites intrinsèques des énergies propres

(Celles-ci s'entendent dans l'état actuel de la science (en 2004). Pour prendre un exemple limite, si demain il devenait possible de matérialiser et d'exploiter ce qu'on soupçonne être l'énergie du vide, tout ce qui suit serait à reconsidérer. Nous n'en sommes pas là)

Energie solaire

C'est in fine la seule énergie dont l'exploitation ou la non-exploitation n'ait aucun effet sur les réserves disponibles. Elle n'est donc pas consomptible, et on peut à bon droit la qualifier de renouvelable.

Limite théorique absolue sur la planète

C'est le flux d'énergie solaire capté par la Terre qui en constitue la limite théorique absolue. Si nous admettons le chiffre théorique de 1000 W/m², cette énergie représente en permanence et sous réserve qu'on sache la capter, puisque le globe fait 6370 km de rayon :

1,27 x 10^14 fois 1000 W, soit 127 10^12 kW

ce qui correspond pour 10 milliards (10^10) d'habitants à : 12700 kW par personne, à comparer aux 6 à 12 kW d'une installation domestique pour une famille.

Attention toutefois aux points suivants :

• L'annexion par l'homme de la totalité de la puissance solaire implique la disparition des autres espèces vivantes.

• Les effets amosphériques (nuages, absorption et diffusion par les gaz, etc.) limitent la puissance disponible au sol.

• L'alternance des jours et des nuits suggère que pour avoir en permanence la bonne surface de capteurs utiles du côté ensoleillé, il faudra multiplier par un facteur de 6 la surface de capteurs de la planète par rapport à la valeur théorique (chiffre obtenu en prenant un hexagone comme approximation en première approche du cercle)

Les limites pratiques sont plus serrées

Il ne faut pas oublier toutefois qu'une grande partie de cette énergie solaire est déjà utilisée, et ne peut l'être à nouveau sans suppression d'une de ses actions existantes :

• évaporation de l'eau (et donc irrigation des cultures, production hydroélectrique, distillation de l'eau pour la boisson des hommes et du bétail
• vie sauvage
• photosynthèse (et donc nourriture des hommes et du bétail)

On observe que pour le moment l'augmentation de la biomasse humaine s'est effectuée au détriment de la biomasse des autres espèces, ce qui ne peut guère surprendre puisque l'énergie reçue du soleil n'a guère changé.

Si l'on admet par exemple qu'en moyenne seulement 10% de la puissance solaire est disponible au sol, que le rendement de la récupération est 30% (environ 10% pour les panneaux solaires, près de 50% pour les systèmes thermiques) et 10 % de la surface terrestre couverte (terre et mer ensemble), l'homme arrive à récupérer 40 kW par personne, ce qui commence à s'approcher de la consommation moyenne actuelle des particuliers + empreinte industrielle (à titre indicatif, retrouver la consommation française totale, particuliers + industrie; ça doit pouvoir se trouver sur le site EDF)

Appel de capital nécessaire dans le cas des panneaux

Toujours avec les panneaux solaires, le capital à investir par personne pour 21 kW au coût de 100 euros le panneau de 100 W (1 m²) serait de 21 000 euros par personne, qu'il faut trouver quelque part. Le chiffre est en particulier à rapprocher du revenu de 1 euro par jour pour un bon quart, si ce n'est plus, des habitants de la planète.

Energie solaire éolienne

Il s'agit d'une forme facile à récupérer de l'énergie solaire. Elle était déjà utilisée par les moulins d'autrefois.

M. Darrieus, de la société Eiffel, explique que la Terre se comporte comme une vaste machine thermique utilisant chaque jour son fluide de travail, l’air atmosphérique, pour évacuer les calories de sa source chaude (l’hémisphère éclairé) à sa source froide (l’hémisphère obscur). Ce cycle produit une énergie mécanique : l’énergie cinétique du vent. L'écart de température se limitant souvent à une dizaine de degrés, le rendement est minime, mais sur un débit calorifique important : 1,8 x 1011 MW thermiques).

Cela conduit aux ordres de grandeur suivants :

• Energie annuelle sur le globe entier  : 5.10^15 kWh
• Fraction industriellement récupérable (hypothèse de 1 pour mille)  : 5.10^12 kWh (dont 10^11 kWh pour la France métropolitaine, par exemple)

On ne doit pas considérer le rapport des surfaces, mais la fraction de méridien interceptée par le territoire, car le vent tourne autour du monde et l’énergie prélevée à une longitude est autant qui ne pourra plus l’être à une autre.

Le chiffre pour la France, par exemple, correspond à 100 TWh/an, soit 10^11 kWh. Il est sans doute plus parlant de l'exprimer sous forme d'énergie théoriquement récupérable par an et par habitant, ce qui ne représente hélas que 1666 kWh/an, soit 1/2 h de fonctionnement d'un compteur bleu par jour.

L'investissement à consentir est d'environ environ 1000 euros par kW installé. Des études financières prenant en compte les coûts d'investissement et d'exploitation sur 20 ans font état de 4 centimes d'euro par kWh en production pure (le coût de production pure représente environ 30% à 40% du coût de l'électricité, le reste concernant les frais de transport et de facturation).

• http://www.espace-eolien.fr/Eolien/50twh.htm

Energie solaire hydraulique

Ordre de grandeur : hauteur de précipitations x surface du sol x hauteur moyenne du sol. Varie grandement suivant les pays.

Energie géothermique

On ne sait pas encore avec certitude si elle est consomptible (ce qui est le cas si la planète dispose d'un capital de chaleur qui ne se renouvelle pas) ou renouvelable (ce qui est le cas si des réactions nucléaires en entretiennent la chaleur interne).

Le chauffage urbain de plusieurs villes utilise cette énergie géothermique. On peut combiner cette technique avec celle de la pompe à chaleur pour un meilleur rendement s'il s'agit simplement de chauffer des immeubles.

Energie des marées

Elle est consomptible, bien que vaste. Voici un ordre de grandeur :

D'après http://www.geocities.com/Athens/Agora/2631/rotation.htm l'énergie cinétique de rotation de la Terre = 2,8E+29 J.

L'usine marémotrice de la Rance a 24 unités de production 10 MW, ce qui fait 2,4E+8 J/s de pris.

Mettons mille usines mille ans, 1000*2,4E+8*60*60*24*365*1000 = 7,5E21. 8 ordres de grandeur. Il faut y ajouter ce qui est pris par les déformations dues aux marées, qui ralentissent la Terre d'environ 2 millièmes de seconde par siècle.

Ce risque n'est que théorique :

• L'installation d'une centrale marémotrice suppose un environnement favorable.
• Il lui faut un lieu favorable :
  • Soit grand volume malgré une faible dénivellation de marées
  • Soit forte dénivellation de marées.

Les lieux favorables (typiquement estuaire de rivière)sont rares.

(Rappel pour la suite de l'exposé : 1 MWh = 3,6 GJ = 0,222 TEP)

La France, pour donner un exemple, possède 57 centrales nucléaires, c'est une approximation ronde, à 1000 MW chacune en moyenne, c'est une approximation ronde aussi. Nous consommons donc en gros 1000 MW x 31,5 x 10^6 (le second chiffre ne sort pas d'un chapeau, c'est 365 x 24 x 60 x 60), soit 31,5 PJ (31,5 x 10^15 J) par an.

Produisons pour 1000 ans sur la France avec l'énergie marémotrice : nous montons à 31,5 10^18 J à emprunter à la rotation terrestre.

La France représente quelque chose comme 1% de la population mondiale. Etendons au monde entier, puisqu'aucun réglement ne vient réserver l'usage de l'énergie des marées aux seuls Français : nous voici à 3,15 10^21 J.

La vitesse de rotation de la Terre est liée à la racine carrée de son énergie cinétique. Si nous acceptons le principe qu'on peut perdre 2% de cette vitesse sans dommage (cela allonge tout de même l'année de sept de nos jours actuels, ce qui n'est pas rien!) il faut nous limiter à ponctionner 1% de l'énergie cinétique, soit 2,8E+27 J. Différentiel d'ordre de grandeur : 10^6, soit un milliard d'années (puisque nous avons considéré une période de 1000 ans.

A ce terme, le soleil n'aura heureusement, lui, pas fini de brûler. Il n'aura pas même fait 20% du temps qui lui reste à vivre.