vendredi 11 janvier 2013

Mais au fait, c'est quoi l'énergie ?

Premier billet de 2013, alors il faut faire ça bien. Ça parle pas mal d'énergie sur ce blog (notamment , ou ), mais jamais on a parlé de ce que l'on met sous ce terme, nous allons donc remédier à ça.

Définitions


Quand on parle d'énergie, deux notions reviennent le plus souvent, et on a tendance à les confondre, ce sont la puissance et l'énergie.

Nous allons tout d'abord voir deux définitions de la puissance :
  • Mécanique : Ensemble de forces motrices, de tout ce qui imprime ou peut imprimer un mouvement. 
  • Quantité de travail fourni, ou susceptible d’être fourni ou consommé par une machine, en un temps déterminé.

Il faut donc comprendre ici que la puissance n'est en rien l'énergie, mais une force instantanée, c'est la notion de mise en oeuvre de cette force, pendant un temps déterminé, qui va donner la notion d'énergie. L'unité communément utilisée pour exprimer la puissance est le watt (W).

La définition de l'énergie sera alors :

L'énergie au sens de la science physique est une mesure de la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. 

Autrement dit, toute action qui amène à la transformation de n'importe quoi entraîne la mise en œuvre d'énergie. Prenons un objet quelconque et changeons sa position, sa vitesse, sa masse, sa température, la pression à laquelle il est soumis, etc, tout cela entraîne la mise en œuvre d'énergie. Notez que mise en œuvre ne signifie pas obligatoirement consommation, cela peut être aussi une production, par exemple une voiture en freinant produit de l'énergie thermique.

Simplifions encore la façon de définir l'énergie, et là, normalement, tout devrait devenir très clair :

L'énergie n'est rien d'autre que l'indicateur principal de la société humaine qui repose sur la production et la consommation de biens manufacturés.

Ne nous y trompons pas, cette phrase n'est pas la lubie d'un militant écolo, elle repose sur une réalité physique, RIEN ne peut être fabriqué ou manipulé sans mise en œuvre d'énergie, fin de l'histoire ! Cette phrase est essentielle car prise dans l'autre sens, cela veut dire : à partir du moment où il y a une contrainte sur la disponibilité de l'énergie, alors la poursuite d'une société basée sur la production et la consommation de biens transformés est forcément remise en question.

L'unité scientifique officielle de l'énergie est le Joule (J), mais on utilisera ici bien plus souvent le watt-heure (Wh) et ses multiples (kWh, MWh, GWh,...).

1 Wh est alors la mobilisation d'une puissance de 1 W pendant 1 h, ce qui équivaut à 3600 Joules.

Quelques chiffres


Nous allons maintenant mentionner quelques chiffres. L'idée n'est pas de vous noyer, mais de donner quelques idées de grandeurs diverses.

Premier exemple : pour élever la température d'un litre d'eau de 1°C, il faut 4180 Joules, soit 1.16 Wh.

Deuxième exemple : un être humain adulte en bonne santé rayonne environ 100 W de puissance thermique, il va donc émettre 2.4 kWh d'énergie thermique sur une journée de 24 heures. Vous savez maintenant pourquoi il faut chaud dans les soirées bondées, la charmante personne à côté de vous n'y est malheureusement pour rien ! Voilà comment certains croient encore que le sang du Christ peut redevenir liquide, mais c'est un autre sujet.

Concernant votre corps, on passe sans problème de 100 W à 2.4 kWh car...vous fonctionnez 7/24 et heureusement, sinon vous seriez mort CQFD !

On perçoit mieux la différence entre puissance et énergie quand on cause de moyens de production. Par exemple, une éolienne classique a une puissance de 2 MW, mais elle est tributaire de la disponibilité du vent, ce qui fait que son facteur de charge (le taux auquel elle produit sa puissance nominale) n'est que de 20%. C'est ainsi que l'on passe d'une puissance de 2 MW à une énergie annuellement produite de 2 * 365 * 24 * .2 = 3500 MWh.

A contrario, un réacteur nucléaire classique développe une puissance de 1.3 GW. Et comme son facteur de charge est de 75 %, il fournit sur une année : 1300 * 365 * 24 * 0.75 = 8541000 MWh.

Pour remplacer ce réacteur par des éoliennes, il faut donc environ 2500 éoliennes. Attention, ce chiffre n'est pas à prendre au pied de la lettre (d'autres paramètres sont aussi à considérer), mais ça donne un ordre de grandeur. Et il montre pourquoi la priorité des priorités doit être de faire baisser la demande énergétique, c'est à dire notre consommation à tous, si nous voulons faire baisser la part du nucléaire dans notre mix énergétique.

Ok, mais dans la vraie vie, on fait quoi avec ça ?


Prenons le cas de Bob et disons que Bob pèse 72 kg et qu'il doit transporter une charge de 20 kg sur un dénivelé de 4000 m. Selon la formule E = m.g.h (produit de la masse par l'accélération terrestre par la hauteur), Bob produira avec ses petites gambettes une énergie mécanique de :
92 * 9.81 * 4000  = 3.61 MJ soit grosso modo 1 kWh.

Si vous êtes très bons, alors vous mettrez environ 10 h pour faire cette ascension et donc pour produire ce kWh d'énergie mécanique.

Faisons un petit calcul de coût tout bête. Le Smic horaire brut était de 9.4 € en 2012. Si vous employez quelqu'un, au Smic, pour faire cette ascension, alors votre coût en tant qu'employeur (ajoutez 50% au coût brut) sera d'environ : 9.4 * 1.5 * 10 =  141 € et bien entendu plus si votre grimpeur ne joue pas dans la bonne catégorie !

Pourquoi parle-t-on de prix ? Juste pour remettre en perspective la décorrélation totale entre les services que l'énergie nous rend aujourd'hui et son coût.

Par exemple, savez-vous combien vous coûte le kWh d'électricité d'EDF en heures pleines ?...11 cts. Si nous utilisons ce kWh dans un moteur électrique au rendement de 90%, alors vous faites cette ascension, électrique, pour 10 cts. Il y a donc, en terme de coût, un rapport de 1400 entre notre grimpeur et un moteur électrique .

Dans le même ordre d'idée, un litre d'essence vous fournit environ 10 kWh d'énergie thermique. Sachant que le rendement global d'une voiture est de 10%, alors vous prenez conscience que pour 1.5 €, vous obtenez de quoi faire votre ascension, on est sur un rapport 100 environ.

Une fois que vous avez ingurgité tout cela, vous comprenez pourquoi l'être humain est remplacé par la machine (et je ne parle même pas des grèves, arrêts maladie,...) partout où c'est possible. Une autre façon de voir la chose est de se dire que si on regarde les services rendus par l'énergie, son coût est marginal, l'énergie est quasi gratuite aujourd'hui. Or s'il y a dès aujourd'hui un problème sur la disponibilité du pétrole, et que l'économie n'est plus en corrélation avec cette réalité physique, il va y avoir comme un problème.


On en reparlera dans un prochain billet.


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