L’énergie est un concept important. La quête de l’énergie est étroitement corrélée aux progrès de nos sociétés et a conduit l’humanité à s’organiser sans cesse du travail humain ou animal, du charbon aux hydrocarbures. C’est l’énergie qui a permis de garantir nos besoins alimentaires, de chauffage, de santé, a développé nos mobilités et notre économie.

Le XX^e siècle a vu la fin de cette ère, le XXI^e siècle est le premier siècle en monde fini où il n’est plus possible de maintenir et encore moins d’accroître notre utilisation d’énergies en particulier fossiles et préserver le climat auquel nous sommes dépendants.

Dans la vidéo De quoi l’énergie est-elle le nom ? Etienne Kein développe l’apparition du concept en science et ses contraintes physiques.

Sommaire de l’intervention et retranscription

0:57 Introduction, les termes du problème

Aujourd’hui 80% des besoins mondiaux en énergie sont couverts par des combustibles fossiles : pétrole (31%), gaz naturel (22%), charbon (27%). Les 20% restants sont satisfaits par la biomasse (bois de chauffage et déchets organiques soit 8%), le nucléaire (5%), l’hydraulique (6%). Bien qu’elles progressent, la contribution de l’éolien et du solaire reste marginale (1%). [NB : ces valeurs datent de 2014 et ne correspondent plus aux valeurs actuelles].

La consommation mondiale d’énergie de l’humanité augmente toujours : estimée au début du XVIII^e siècle à 0,25 GTEP, elle a été multipliée par 4 à la fin du XIX^e soit 1 GTEP, elle monte à 2 GTEP au milieu du XX^e et dépasse aujourd’hui 13 GTEP.

Quelques notions utiles

La puissance se mesure en Watt (W). L’énergie se mesure en Joule (J) Le kilowattheure (kWh) correspond à l’énergie consommée par un appareil de 1 000 watts (soit 1 kW) de puissance pendant une durée d’une heure. Exemple, une ampoule de 100 W allumée pendant 24 h consomme 2 400 Wh (100 × 24) soit 2,4 kWh

Tonne d’équivalent pétrole (TEP) = énergie chimique contenue dans une tonne de pétrole. Selon l’Agence internationale de l’énergie, 1 TEP équivaut à 41,868 GJ ou 11 630 kWh

Giga (G) =1 Milliard

8:29 La conscience collective face à la transition énergétique

En dépit des efforts de sobriété que nous serons capable d’accomplir, nous besoins d’énergie seront grandissants d’ici 2050 :

• La population de la planète devrait augmenter de 30% d’ici 2050 ;
• 1,3 milliard de personnes vivent aujourd’hui sans électricité et aspirent à accroitre leur consommation énergétique. 2,7 milliards ont des difficultés d’approvisionnement ;
• Il a été démontré une corrélation entre la consommation d’énergie et l’indice de développement humain (IDH). L’IDH est une moyenne de 3 indicateurs : santé (l’espérance de vie), éducation et économique (à savoir le PNB par habitant). Le fait de disposer d’énergie a des effets bénéfiques sur l’accès à d’autres ressources comme l’eau, l’éducation, la santé. On observe ainsi une variation linéaire de l’espérance de vie et de la qualité de vie en fonction de la consommation d’énergie, du moins au début de la courbe. Ainsi, le Canada, la Norvège consomment environ 5 fois plus par habitant que l’Espagne. L’IDH est identique pour ces 3 pays. En revanche, le Bengladesh a une consommation par habitant 20 fois inférieure à celle du Canada ;
• Le modèle actuel se heurte a deux contraintes majeures : la raréfaction des ressources conventionnelles de pétrole et de gaz naturel (ressources les plus faciles à exploiter au meilleur coût )et le changement climatique provoqué par les émissions de GES (Gaz à Effet de Serre) liées à la consommation de ces ressources.

Un sentiment de crise est apparu puisque les climato-sceptiques ne peuvent plus nier la réalité des faits. Nous savons aujourd’hui que la situation est et va devenir critique, du point de vue des ressources et du point de vue du climat. Et nous avons pris conscience de la terrible difficulté à résoudre ce problème.

Dans de nombreux documents officiels, il est demandé aujourd’hui une aide aux chercheurs pour nous permettre de nous adapter au changement climatique. Il y a encore 4 ans, on leur demandait de lutter contre le changement climatique. En ce sens, les climato-sceptiques ont gagné la bataille en retardant les décisions avec de faux doutes. Aujourd’hui il s’agit de s’adapter au changement et non de l’éviter. Ce qui veut dire que la conscience collective, bien que largement convaincue de la nécessité d’inventer de nouveaux comportements en matière de consommation d’énergie est à la fois paralysée et irrésolue, tétanisée par l’obstacle, hésitante quant à la nature et l’ampleur de la transition à opérer. Elle en vient à douter de ses propres capacités à agir.

Ainsi se trouve-t-on exactement dans la situation que décrivait Hegel dans la Phénoménologie de l’esprit, sous le terme de conscience malheureuse, c’est à dire que nous avons pris conscience du problème et nous avons pris conscience de la difficulté qu’il y a à le résoudre.

Après ces constats d’introduction, en tant que physicien, je vais essayer de définir l’énergie et les contraintes physiques qui pèsent sur elle.

9:45 Polysémie du mot « énergie » et premières définitions

Le mot énergie est un mot grec ancien, mais il n’a pas fait partie du vocabulaire scientifique. Pour les grecs, ce terme energeïa désignait la force en en action.

Aristote voyait dans la notion d’énergie « le passage de ce qui est en puissance en acte » (au sens de potentialité). En langage moderne on dirait que l’énergie « jauge la capacité à effectuer des transformations » par exemple à fournir du travail, à donner du mouvement, à modifier la température ou à changer l’état de la matière.

Dans le langage courant le mot énergie est victime d’une polysémie et désigne la force mais aussi la puissance, la vigueur, l’élan, le dynamisme, la volonté etc. La question est de savoir si ces mots ont un rapport avec l’énergie telle qu’elle est définie scientifiquement.

La première occurrence scientifique du terme apparaît il y a seulement 3 siècles en 1717, dans une lettre écrite par Jean Bernoulli mathématicien et physicien suisse.

« L’énergie est le produit de la force appliquée à un corps par le déplacement infinitésimal subi par ce corps sous l’effet de cette force. » Jean Bernouilli, lettre à Pierre Varignon, 26 janvier 1717

Cette première conception était trop limitée pour s’étendre à toute la physique, donc le mot apparaît mais est peu utilisé.

L’énergie se transforme en passant d’une forme à une autre
Une machine est utilisée par James Prescott Joule en 1843 pour démontrer la possibilité de conversion de l’énergie mécanique en énergie thermique. En descendant, un poids met en rotation des pales qui sont freinées dans l’eau par friction. En mesurant l’élévation de température de l’eau, Joule en déduisit l’équivalence entre énergie potentielle du poids et chaleur. « L’expérience a montré que chaque fois que de la force vive est apparemment détruite, un équivalent de cette force vive est produit. Cet équivalent est la chaleur. » (J.-P. Joule, Scientific Papers, p. 269)

12:55 La loi de conservation de l’énergie, Max Planck

Dans l’ouvrage publié en 1887 intitulé Le principe de conservation de l’énergie Max Planck démontre la loi de conservation de l’énergie. : « au-delà de ses diverses manifestations empiriques, l’énergie doit d’abord et surtout être abstraitement considérée comme une grandeur qui se conserve … et c’est même cette caractéristique essentielle qui la dit le mieux ». L’énergie trouvait là sa définition formelle moderne : elle se définie par le fait qu’elle se conserve, qu’elle peut être associée à tout système, elle dépend en particulier des positions et vitesses des parties du système et de leurs interactions mutuelles, et sa propriété la plus fondamentale est de rester constante au cours du temps lorsque le système est isolé.

Cette découverte est le résultat d’une longue clarification conceptuelle, de plus de quarante ans, avec l’apport de plusieurs chercheurs ( Farradey, Carnot, Joule, Mayer, Helmholtz, Thomson, Rankine…), au cours de laquelle le débat sémantique ponctué d’essais théoriques, aura permis de définir précisément les mots force, puissance et énergie.

18:38 Ne pas confondre puissance et énergie !

Dans le langage courant, puissance et énergie ne sont pas toujours distinguées. C’est pourquoi lorsqu’on demande aux gens quel est d’après eux le symbole de l’énergie, une majorité de français répondent le TNT. Or 1 kilo de TNT contient dix fois moins d’énergie qu’1 kilo de pétrole. Le TNT au contact de l’air il explose, c’est à dire qu’il délivre toute son énergie en peu de temps, ce qui fait qu’il libère beaucoup de puissance même s’il contient en définitive peu d’énergie. Le pétrole est une énergie miraculeuse puisque dans 1 kilo de pétrole vous avez beaucoup plus d’énergie que dans d’autres substances chimiques. Donc il ne faut pas confondre la puissance et l’énergie.

La puissance c’est le débit de l’énergie c’est à dire le rythme auquel l’énergie est délivrée, plus précisément, la puissance c’est la quantité d’énergie par unité de temps fournie par un système à un autre système. Deux puissances différentes pourront fournir le même travail avec la même énergie, mais le système le plus puissant le fera plus rapidement que l’autre. Si vous avez une cafetière d’1,5 KW, elle chauffera votre café plus rapidement que la cafetière de 500W, l’énergie libérée est la même, la température de la tasse est la même mais le temps pour faire monter la température sera différent.

D’un point de vue mathématique, la puissance est toujours égale au produit d’une grandeur d’effort par une grandeur de flux. La puissance c’est un effort multiplié par un flux. Un effort peut être une force, une pression, une tension (électrique par exemple). Une grandeur de flux cela peut être une vitesse, une vitesse angulaire, un débit, une intensité. Dans une puissance électrique c’est le produit d’une tension par l’intensité. La puissance se mesure en Watt (W) tandis que l’énergie se mesure en Joule (J), 1W valant 1J par seconde.

21:42 Le théorème d’Emmy Noether (1918), dont la conservation de l’énergie est un corollaire

Le principe de conservation de l’énergie de Max Planck est la conséquence directe de l’invariance des lois physiques.

Quand Planck énonce cette loi de conservation de l’énergie, il ne sait pas encore qu’elle est encore plus importante qu’il ne l’avait imaginé. Parce qu’une mathématicienne en 1918, Emmy Noether (1882 – 1935), démontre un théorème, que Einstein va saluer comme un monument de la pensée mathématique.

Théorème de Noether (Emmy) : La conservation de l’énergie est une conséquence de l’invariance des lois physiques par translation du temps, autrement dit, c’est parce que les lois physiques n’évoluent pas au cours du temps, que l’énergie se conserve.

L’invariance des lois physiques a pour conséquence la conservation de l’énergie, et le langage ordinaire ne rend pas justice à ces découvertes puisque dès lors que l’énergie d’un système isolé demeure constante, il est impropre de parler de production ou de consommation d’énergie. En fait personne n’a jamais produit d’énergie et personne n’en a jamais consommé.

Parce que produire de l’énergie cela suppose que l’on pourrait en créer à partir de rien et en consommer cela veut dire qu’on pourrait la détruire et la renvoyer dans le néant. C’est impossible de détruire de l’énergie, c’est impossible d’en créer.

Dans tous les cas, il ne s’agit jamais que d’un changement de forme d’énergie ou de transfert d’énergie d’un système à un autre.

Alors pour mieux comprendre comment les choses se passe, il faut faire appel à une autre notion, l’entropie.

25:08 L’entropie d’un système

L’entropie est une grandeur qui caractérise la capacité d’un système physique à subir des transformations spontanées. Autrement dit l’entropie d’un système mesure sa capacité à changer spontanément. Plus grande est la valeur de l’entropie, plus faible est la capacité du système à se transformer. Plus l’entropie d’un corps est grande, moins il a tendance à changer spontanément. Elle mesure aussi la qualité et non la quantité de l’énergie disponible au sein d’un système. Au cours de ses transformations, l’énergie se dégrade non pas au sens où elle diminuerait en quantité, mais elle se dégrade en qualité, c’est à dire qu’elle devient de moins en moins utilisable. Une énergie de bonne qualité est une énergie ordonnée de faible entropie, une énergie de mauvaise qualité est une énergie désordonnée de forte entropie.

Et donc lorsque vous consommez de l’énergie, en fait vous ne consommez pas du tout de l’énergie, vous créez de l’entropie, c’est à dire vous dégradez la qualité de l’énergie.

Par exemple, prenez une chute d’eau, un système où toutes les molécules d’eau ont la même direction par la gravité qui les fait tomber verticalement, il s’agit d’un système ordonné, pris dans un mouvement d’ensemble descendant et qui une fois en bas va entrainer la rotation d’une turbine. Au bas de la chute, les molécules d’eau ont perdu l’ordonnancement vertical dû à l’apesanteur qu’elles avaient lors de la chute, leur énergie a perdu de ses qualités, les molécules partent dans tous les sens, elles se désordonnent et elle n’est donc plus aussi facilement utilisable. En fait il y a une partie de l’énergie qui s’est transformée en chaleur, mais la chaleur c’est de l’énergie. Donc ce n’est pas de l’énergie qui a disparue mais elle a changé de forme. D’ailleurs, la notion de chaleur est une notion ambiguë, la chaleur est une partie désordonnée de l’énergie mécanique totale.

Et donc consommer la totalité d’1 KJ d’énergie c’est prendre 1 KJ d’énergie sous une forme de faible entropie par exemple de l’électricité et le convertir en une quantité exactement égale d’énergie sous une autre forme possédant en général une entropie beaucoup plus élevée par exemple de l’air chaud ou de l’eau chaude. C’est tout, vous avez créé de l’entropie sans changer la quantité d’énergie du système.

29:05 Il n’y a pas d’énergie renouvelable, à proprement parler

De la même façon, on ne devrait plus dire qu’il existe des énergies renouvelables, car ce n’est jamais l’énergie elle même qui se renouvelle, seulement le processus physique dont on l’extrait. C’est le vent qui est renouvelable, c’est la lumière du soleil qui est renouvelable, mais ce n’est pas l’énergie éolienne qui est renouvelable, ce n’est pas non plus l’énergie solaire, c’est le vent ou la lumière, ce n’est pas la même chose. Une énergie renouvelable dès lors que vous l’avez consommée, au sens que je viens de la définir, vous allez augmenter son entropie sans changer sa quantité, le travail associé à cette consommation est irréversible, ce n’est pas du tout renouvelable, vous avez dégradé de l’énergie par un acte irréversible. Prétendre que les énergies renouvelables existent, ce serait prétendre que « en les consommant » on ne les dégrade pas.

30:21 On ne peut que transformer ou transférer de l’énergie

Autrement dit seules 2 opérations sont possibles !

• transformer l’énergie, par exemple de l’énergie électrique en énergie cinématique ou en chaleur ;
• transférer de l’énergie d’un système à un autre système. Par exemple produire de l’énergie électrique dans une centrale hydroélectrique ça signifie transformer l’énergie potentielle de l’eau du barrage en énergie cinétique de cette eau dans les conduits puis transférer cette énergie cinétique aux turbines et aux retors des alternateurs qui en définitive la transforme en énergie électrique. La viscosité de l’eau, les frottements divers et l’effet joule soustraient de ce flux une faible partie qui est transformée en chaleur mais là encore à la fin, lorsque vous prenez toutes les formes d’énergies récupérées, c’est la même quantité qu’au départ, ni perte ni gain.

De la même façon, consommer de l’énergie électrique pour faire fonctionner un poste de télévision par exemple ça n’est jamais que la transformer en énergie lumineuse émise par l’écran en passant par l’énergie cinétique des électrons issus de la cathode en énergie acoustique diffusée dans l’air ambiant par les hauts parleurs et surtout en chaleur inutile principalement par effet joule, un téléviseur c’est en gros un radiateur, un radiateur qui diffuse le journal de 20H.

Parmi les diverses formes d’énergie susceptibles de s’échanger les unes en les autres, il y a des énergies qui sont emmagasinées dans la matière. Par exemple l’énergie chimique d’un carburant, l’énergie nucléaire d’un morceau d’uranium, l’énergie électrochimique d’une batterie, l’énergie potentielle de l’eau d’un barrage dans le champ de pesanteur ou l’énergie cinétique d’un véhicule. La plupart de ces énergies citées ne nous sont accessibles que très indirectement, par exemple pour récupérer l’énergie nucléaire d’un morceau d’uranium il faut certaines installations, ce n’est pas une énergie immédiate.

Deuxième catégorie, l’énergie qui se manifeste lors d’un transfert d’un sous-système à un autre. Par exemple, la chaleur rayonnée par radiateur, le travail échangé entre un piston et un fluide qu’il comprime ou l’énergie cinétique qui circule dans une ligne. Alors tout cela doit être combiné dans un mix énergétique. Ce que l’on appelle les technologies de l’énergie vise à contrôler ces divers processus de transformation afin de réduire la part des formes d’énergie inutile face à la forme d’énergie que l’on souhaite d’extraire. Le premier principe de la tthermodynamique, la conservation limite drastiquement les possibilités, vous ne pouvez pas faire de projet énergétique en violant ce principe de conservation. Il s’agit donc d’une contrainte très forte qui implique de faire des schémas de transferts d’énergie.

Il existe des contraintes supplémentaires qui proviennent du second principe de la thermo où un système fermé perd de sa capacité à évoluer et l’entropie ne peut que croitre. Plus un système a évolué et moins il peut évoluer davantage, et donc il y a un moment où on ne peut plus le faire évoluer. Il y a d’autres contraintes qui sont liées à la hiérarchie des intensités des forces de la nature qu’on mobilise.

35:01 Notion d’esclave énergétique ; énergie corporelle

Il y a une notion que je trouve intéressante pour quantifier le problème. Elle nous vient de John R. McNeill. Cet auteur américain a introduit dans un livre intitulé « Quelque chose de neuf sous le soleil, une histoire environnementale du XX^e siècle » la notion d’esclave énergétique. En mesurant l’énergie que chacun d’entre nous consomme en plus, on peut calculer le nombre d’ « esclaves énergétiques » (virtuels) qui travaillent pour lui.

• Le corps humain a besoin de consommer 100 W, soit 2,4 kWh/jour. 1 kWh c’est à peu près l’énergie d’un repas normal. Donc 2,4 kWh ça fait 2 repas et demi par jour.
• Pour escalader le Mont-Blanc il faut à peu près 1 kWh, l’équivalent d’un repas ou de l’énergie cinétique d’un camion de 10 tonnes qui roule à 100 à l’heure. Ces ordres de grandeur peuvent changer notre rapport à la nourriture !
• Une ampoule de 40 W correspond à 1 kWh/j, soit environ un demi- esclave ;
• 1 voiture consomme 8,5 litres/100 km et 1 litre d’essence peut libérer 7 kWh : si vous faites 50 kms par jour, cela représente 40 kWh/jour, soit 17 esclaves énergétiques…
• 1 français moyen a plus de 170 esclaves à sa disposition. Il s’agit bien évidemment d’une moyenne, certains consomment moins d’autres beaucoup plus

Donc si on a aboli l’esclavage, c’est sans doute parce que des idées humanistes ont promu l’abolition de l’esclavage mais c’est aussi parce qu’on a eu le pétrole et la machine à vapeur qui ont fait qu’on avait plus besoin d’esclaves puisque les machines pouvaient faire le travail des esclaves. Cette étude montre également les disparités entre les pays.

• 1 habitant du Bengladesh c’est 20 esclaves, pour les États Unis c’est 400

41:09 Quelle quantité de matière faut-il avoir pour disposer d’un kilowattheure d’énergie ?

Il n’y a pas de bonne réponse, elle dépend de l’interaction pour utiliser cette matière et produire de l’énergie. Il y en a 4 (en fait 3).

• Pour les énergies gravitationnelles ou mécaniques, il faut 10 tonnes. Deux illustrations : Pour obtenir 1 kWh dans une usine hydroélectrique, dont le rendement est de 85 %, il faut faire chuter 10 tonnes d’eau d’une hauteur de 40 mètres. Pour obtenir 1 kWh avec une éolienne, il faut récupérer toute l’énergie cinétique de m3 d’air (soit 27 tonnes) arrivant à 60 km/h. C’est donc des quantités énormes pour l’équivalent d’un repas
• Si l’on utilise l’interaction électromagnétique, il faut environ 1 kilogramme de matière. Trois illustrations : Combustion chimique : les carburants fournissent de la chaleur à raison de 1 kWh par 0.1 kg. Les chiffres sont comparables pour l’énergie biologique : un bon repas (un kilo d’aliments) fournit environ 1 kWh, dissipé ensuite dans l’organisme. 1 kWh permet de faire fondre 10 kg de glace ou de faire bouillir 1.5 kg d’eau.
• Si l’on utilise l’interaction nucléaire (forte), la réponse dépend du type de réaction utilisée : fusion ou fission. Fission 1 kWh de chaleur est dégagé par la fission de 10 mg d’uranium naturel (0.7 % d’U235). Ce chiffre peut être divisé par un facteur cent dans un surgénérateur en récupérant l’énergie de fission du plutonium produit par capture de neutrons par l’uranium 238.
• Fusion D‑T La fusion D‑T est régie par l’interaction nucléaire forte et non pas par l’interaction nucléaire faible qui régit la fusion H‑H dans le Soleil. Dans ce cas, un mg de combustible suffit pour produire 1 kWh. Pour produire 80 GJ (consommation annuelle d’un européen) avec un rendement de 30 %, il lui suffit de 1,1 g de lithium et de 320 mg de deutérium (présents dans 10 litres d’eau de mer).

48:57 L’incompatibilité entre nos modes de vie et les ressources énergétiques à l’avenir

Si on veut appliquer le mode de consommation en France aux 12 milliards de personnes pour 2040, c’est à dire 80 milliards de joules par personne et par an, il n’y a pas de solution, notre façon de vivre n’est pas universalisable. De la même manière, il n’est pas durable, puisque les énergies fossiles sont amenées à s’épuiser. La question est donc de savoir ce que l’on fait.

Un des problème que nous avons, est que l’énergie est aujourd’hui gratuite. Un kWh payé à EDF coute 10 centimes d’euros. Un litre d’essence, 7 kWh, c’est moins cher qu’un verre de bière au bar. Comme elle est gratuite, on l’utilise comme si elle était infinie mais cela ne sera pas durable pour tout le monde. Comment se positionner face au défi et comment l’économie va s’adapter à l’augmentation des coûts de l’énergie ? On peut se demander, si les économistes qui ont l’habitude de prendre 2 variables, le capital et le travail, ne devraient pas intégrer une troisième composante, l’énergie, puisque celle-ci va menacer in fine la mondialisation.

Pour aller plus loin

Décrypter l’énergie

Face aux enjeux majeurs que représente une véritable transition énergétique en France, le site decrypterlenergie.org apporte une nouvelle contribution à la réflexion et au débat sur notre avenir énergétique. L’information s’organise autour des principales controverses et il est aussi possible de soumettre une idée reçue. À propos de l’éolien par exemple, une des interrogations porte sur l’exploitation de terres rares ? Ou encore la méthanisation est-elle synonyme d’intensification de l’agriculture et de pollutions ?

Voir aussi le scénario Négawatt : sobriété, efficacité et énergies renouvelables ou l’article sur la low-tech pour approfondir la notion de sobriété.