L’énergie, un défi pour demain

Publié le 23/10/2020 à 07:00 - 10 min - Modifié le 24/10/2020 par S&T

Aujourd’hui, les sources d’énergies exploitées au 21ème siècle sont bien connues . Il n’est donc plus vraiment nécessaire de les présenter. Mais qu’est-ce que l’énergie ? Les énergies renouvelables sont-elles si parfaites ? Est-il possible d'améliorer la production d'énergie tout en préservant l'environnement ?

[Lumière d'ampoule] PixaBay

Que signifie le mot « énergie » ?

Souvent mal utilisé, mot fourre-tout réunissant une multitude de concepts souvent éloignés, il est difficile de définir clairement le mot énergie.

Pourtant, l’énergie est un concept central en physique, en chimie tout comme en géologie. L’énergie, véritable moteur des évolutions et des transformations, est usitée pour évoquer la valeur énergétique d’un aliment, pour parler de la consommation électrique d’un foyer ou encore pour calculer le rendement d’un panneau solaire. L’énergie est inhérente à tout ce qui concerne l’activité humaine mais également à tout ce qui nous entoure. C’est pourquoi, elle reste difficile à définir. Comme l’indiquait Richard Feynman « aujourd’hui, nous ignorons ce qu’est l’énergie ».

Pour définir l’énergie, il est plus facile de comprendre ce qu’elle initie et les effets qu’elle peut engendrer. Si toutes les conditions sont réunies, l’énergie peut produire de la chaleur ou induire un mouvement (au sens large du terme).

L’énergie s’exprime en joule (J) mais selon les domaines d’application, il est plus aisé d’utiliser des unités de conversion : le kilowatt-heure (kWh), la calorie (cal), la tonne d’équivalent pétrole (tep) ou encore l’électron-volt (eV).

L’énergie peut ainsi se présenter sous différentes formes (ou natures) : mécanique (potentielle et cinétique), électromagnétique (englobant l’électrocinétique), thermique, chimique, atomique, et nucléaire.

La propriété fondamentale de l’énergie est sa constance, c’est à dire qu’elle se conserve. L’énergie passe d’une forme à une autre sans création ni disparition : il s’agit du principe de conservation d’énergie. « L’énergie totale contenue dans un système reste la même, quelles que soient les transformations physiques subies par ce système ». C’est une des lois fondamentales de la physique. Ainsi, nous ne produisons pas de l’énergie, nous la transformons à partir de sources d’énergies naturelles.

« Il ne peut se créer ni se détruire d’énergie, et il est impropre de parler comme on le fait couramment de « production » ou de « consommation » d’énergie. Dans tous les cas, il s’agit de changement de forme, ou de transfert d’un système à un autre. » Rogier Balian, Les multiples visages de l’énergie.

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Prenons un exemple : nous avons une source d’énergie à faible entropie (l’eau d’une rivière) en y intégrant un mécanisme (une roue à aubes). Par ce mécanisme, on peut transformer cette énergie primaire en électricité (énergie à forte entropie). Ainsi, on transforme l’énergie cinétique et potentielle de l’eau en énergie mécanique puis en électricité.

Dans l’ouvrage 3 minutes pour comprendre les 50 notions fondamentales dans le domaine de l’énergie ,vous pouvez découvrir toutes les applications de l’énergie. Afin de comprendre le phénomène de l’entropie, nous vous invitons à lire la bande-dessinée de Assa Auberbac, L’entropie fatale .

3 minutes pour comprendre

L'entropie fatale

Tour d’horizon des sources d’énergies

Les énergies fossiles

Responsables des deux grandes révolutions industrielles, le charbon et le pétrole demeurent les énergies les plus utilisées sur Terre. Épuisables et fortement polluantes, elles sont depuis plusieurs années sujettes à controverse.

Le charbon

Malgré ses émissions massives de gaz à effet de serre lors de sa combustion, le charbon résiste et demeure la première source utilisée dans le monde pour produire l’électricité (40%). Abondant et peu cher, le charbon est extrait dans de nombreux endroits du monde.

D’abord utilisé comme simple combustible notamment pour chauffer les habitations, c’est lors de la révolution industrielle que son utilisation va se généraliser. En effet, à l’époque seul le charbon est capable de fournir suffisamment de chaleur pour faire fonctionner les machines à vapeur. “Aujourd’hui, cette source d’énergie fait débat, puisque ses réserves sont plus importantes que celles du pétrole mais que son bilan environnemental est très défavorable (polluants atmosphériques, CO₂).” Des réflexions sont en cours pour améliorer les rendements énergétiques des centrales à charbon et réduire les émissions de polluants et de gaz à effet de serre.

Le pétrole et le gaz

Pour découvrir en détail l’histoire du pétrole, nous vous invitons à lire l’Histoire du pétrole de Pierre Juhel et l’ouvrage de Matthieu Auzanneau : L’Or noir, la grande histoire du pétrole.

Historiquement, l’exploitation des hydrocarbures a débuté par celle du pétrole. Le pétrole brut est un mélange d’hydrocarbures dont la taille varie de la plus petite des molécules (le méthane CH4) à celles beaucoup plus grosses contenant des dizaines d’atomes de carbone. Le pétrole, l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, est dense, facilement stockable et transportable. Il fournit la totalité des carburants liquides. Par ailleurs, il est utilisé dans le secteur de la pétrochimie. Le pétrole est devenu dans les années 50 la première source d’énergie dans le monde, notamment grâce aux transports.

Le gaz est également un hydrocarbure naturel, il génère moins de CO² que le pétrole. Toutefois, même si ce gaz est présent naturellement sur Terre l’homme participe à l’augmentation de sa concentration dans l’air.

Les énergies renouvelables, une route écologique encore « imparfaite ».

Les énergies renouvelables désignent toutes les énergies dont les sources ne constituent pas un stock fini sur la planète à l’échelle de l’humanité. Depuis l’Antiquité, l’homme utilise ces sources d’énergies pour répondre à ses besoins (moulin à vent, roue à aubes, chauffage au bois…).

Ces cinq sources sont :

L’énergie solaire
L’énergie éolienne
L’énergie hydraulique
La biomasse
La géothermie.

Pour plus de détails, vous pouvez lire l’article “A la recherche de l’énergie verte…” paru en 2016 sur le site de l’Influx :

A la recherche de l’énergie verte…

Lors de leur fonctionnement, ces sources d’énergies ont la particularité de ne produire aucune émission polluante. Hélas, les énergies renouvelables sont loin d’être des solutions parfaites pour la planète. Même si les panneaux photovoltaïques et les éoliennes ne produisent pas d’émission de CO², leur production est source d’émissions de gaz à effet de serre. De plus, ces technologies soulèvent d’autres problèmes pour la faune et la flore. Par exemple, les éoliennes présentent un danger pour de nombreux oiseaux et chauves-souris.

Malgré tout, elles demeurent une solution moins polluante que les énergies fossiles. Le défi d’aujourd’hui est de trouver des technologies toujours plus efficaces énergétiquement, tout en préservant l’environnement. C’est pourquoi, les ingénieurs et les industriels se tournent depuis quelques années vers l’hydrogène.

Le phénomène de l’hydrogène vert

Précurseur en la matière, Jules Verne avait prédit le potentiel de l’hydrogène.

« je crois que l’eau sera un jour utilisée comme combustible, que l’hydrogène et l’oxygène qui la constituent fourniront une source de lumière et de chaleur inépuisables et d’une intensité que la houille ne saurait avoir. » L’ingénieur Cyrus Smith dans l’Ile mystérieuse.

Hydrogène, le nouveau pétrole

L’hydrogène vert ne produit aucune émission de gaz à effet de serre en amont ou en aval. Il semble être une des solutions idéales aux problèmes environnementaux.

Pour obtenir ce label vert, l’hydrogène doit être extrait par électrolyse via une source d’énergie électrique telles que l’énergie éolienne ou l’énergie solaire. La production d’hydrogène vert à partir de biomasses renouvelables est une autre voie possible. Cet aspect nous éclaire sur la nécessité d’associer différentes sources d’énergies renouvelables afin d’obtenir une énergie neutre en carbone.

Dans l’objectif de développer les usages de l’hydrogène et in-fine le rendre plus compétitif, de nombreux projets soutenus par l’ADEME naissent sur le territoire français comme par exemple le projet Zero Emission Valley de la région AURA.

Les ingénieurs et scientifiques cherchent encore et toujours des solutions afin de répondre à l’omniprésence du besoin énergétique. Ils se tournent naturellement vers le vivant afin de trouver des solutions durables, efficaces et écologiques.

Le vivant comme source d’inspiration

Dans Biomimétisme & Architecture, les auteurs s’interrogent sur nos pratiques : “[…] les êtres humains s’attaquent de front aux problèmes qui se posent à eux ; tandis que la plupart des organismes vivants, au travers du processus de l’évolution, cherchent davantage à modifier la nature du problème plutôt que de la résoudre. Le domaine de l’énergie est celui qui illustre le mieux cette tendance. Nous en produisons de plus en plus pour satisfaire nos besoins supposés, sans penser à développer des solutions plus sobres, comme la nature le fait.”

L’observation de la nature pour AMÉLIORER et INNOVER

Depuis toujours l’homme observe le monde qui l’entoure et s’en inspire pour créer. La machine volante inspirée des oiseaux, inventée par Léonard de Vinci, ne vous est certainement pas inconnue. Ce phénomène n’est pas nouveau. Depuis une vingtaine d’années, les chercheurs du monde entier puisent leur inspiration dans l’observation de la nature afin d’élaborer de nouvelles solutions technologiques plus respectueuses de l’environnement.

Dans le domaine de l’éolien (aérogénérateurs), de nombreuses initiatives ont vu le jour. En voici quelques exemples :

Le biologiste marin, Frank Fish a développé une nouvelle forme de pale d’éolienne. Inspiré par les protubérances des nageoires des baleines à bosse, cet ingénieur est parvenu à concevoir des éoliennes qui fonctionnent par vent faible. La productivité électricité est ainsi augmentée de 20 %.
A Bordeaux, la start-up ADV-Tech s’est inspirée de la nage des poissons pour concevoir une éolienne citadine à mouvement ondulatoire. C’est également le cas de EEL Energy qui s’est inspiré de l’ondulation des anguilles pour inventer une nouvelle génération d’hydroliennes sans hélice. La production d’électricité est de 10 kWh par jour, soit la consommation quotidienne de deux ou trois foyers. Le tout sans pollution sonore, sans émission de déchets et sans agression de la faune aquatique.

Dans le domaine du solaire et notamment dans la création de panneaux photovoltaïques, l’inspiration est venue d’un papillon : le piéride de la rave. Bien connu des maraîchers pour son intérêt excessif envers les choux, ce papillon détient une faculté étonnante par rapport à ses semblables. Par temps nuageux, il est capable de décoller plus vite. En effet, contrairement à ses congénères il parvient à chauffer ses muscles dorsaux plus efficacement. Selon les scientifiques, la façon dont il positionne ses ailes en formes de V lui permettrait de mieux concentrer la lumière du soleil sur son thorax. Ainsi, en orientant les panneaux solaires sous un angle de 17 degrés, on peut améliorer leur rendement en énergie. Source : Revue Nature

Toujours dans le domaine du photovoltaïque, des scientifiques de l’université de Californie ont découvert une éponge capable de récolter le silicium et de le façonner pour en recouvrir son corps. Elle est ainsi capable de réaliser cette opération sans augmenter la température et la pression ambiante. Cet élément est un composant essentiel à la conception des cellules des panneaux solaires que l’homme ne parvient à façonner qu’en utilisant une grande quantité d’énergie. Grâce à ces éponges, les scientifiques pourraient découvrir comment utiliser ce matériau en économisant de l’énergie.

L’ouvrage L’or vert de Agnès Guillot et Jean-Arcardy Meyer retrace de nombreuses initiatives issues du biomimétisme, notamment dans le domaine de l’énergie.

Dans son ouvrage, L’âge des low-tech, vers une civilisation techniquement soutenable, Philippe Bihouix nous invite à réfléchir sur notre consommation d’énergie.

En effet, tous les pays industrialisés ou en développement sont des gros consommateurs d’énergies que ce soit pour le secteur résidentiel ou industriel.

Outre les améliorations des technologies existantes, l’observation du vivant permet le développement d’alternatives afin de réduire notre consommation énergétique. Ainsi, la startup française Glowee a développé un procédé permettant d’insérer dans des bactéries non pathogènes et non toxiques des propriétés bioluminescences. Ces bactéries, encapsulées et cultivées dans une coque en résine organique, peuvent devenir une alternative aux éclairages des vitrines commerciales. Un jour, peut-être, ce procédé révolutionnera l’éclairage public.

Source : Une start-up va éclairer les villes grâce à des bactéries.

Le domaine de l’énergie est un secteur en constante évolution. Ce secteur demeure confronté à de nombreuses difficultés : économiques, environnementales et techniques. Comme le souligne, Philipe Bihouix ne faudrait-il pas dans un avenir plus ou moins proche réduire notre consommation d’énergie ?