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L'énergie sur la terre : analyse des ressources et de la consommation. La place

L'énergie sur la terre : analyse des ressources et de la consommation. La place de l'énergie électrique. Bernard MULTON Antenne de Bretagne de l' École Normale Supérieure de Cachan 1- Introduction La terre reçoit, à un rythme assez régulier, une grande quantité d’énergie principalement grâce au rayonnement du soleil mais également, dans une moindre mesure, de son noyau en fusion et de l’interaction gravitationnelle avec la lune. Une partie de cette énergie est “dégradée” à la surface de la terre par les cycles naturels météorologiques, une autre partie –plus faible– est utilisée par les êtres vivants –flore et faune– dont les humains. Ces derniers ont, depuis quelques décennies, atteint un tel niveau d'activité qu'ils produisent de la chaleur à grande échelle par la combustion des carburants fossiles, de la biomasse mais aussi des combustibles nucléaires (la consommation totale d’énergie représente environ 1/6000 ème de l’énergie rayonnée au sol par le soleil). Si l'on considère en outre les émissions de gaz correspondantes comme celle de dioxyde de carbone, l'humanité en très forte croissance commence à représenter un élément très perturbateur de l'écosystème, qui risque de rompre un équilibre très subtil dont nous connaissons mal les capacités d’adaptation... Rappelons qu'actuellement, seule une faible proportion des êtres humains (environ 20%) –celle des pays industrialisés– dissipe à elle seule les trois quarts de l'énergie convertie par les activités humaines. Que se passera-t-il si toute l'humanité atteint –et elle y prétend légitimement– ce niveau de consommation ? Inexorablement, selon une loi de diffusion classique en physique, les différences de niveau de vie s'équilibrent entre les pays riches et pays en voie de développement et il va devenir nécessaire d'optimiser sérieusement notre consommation d'énergie par habitant. Surtout il faut apprendre à ne plus la gaspiller si nous voulons conserver notre niveau de confort d'habitant favorisé des pays fortement industrialisés. Autant que possible, il faut utiliser le plus directement possible ce que l'on reçoit de la nature avant de tout transformer en électricité par exemple. C'est dans ce contexte que l'on peut s'interroger sur les nouvelles habitudes qu’il serait bon de prendre. De 1950 à nos jours, tandis que la demande d’énergie primaire (énergies fossiles, nucléaire et renouvelables, pas l’électricité produite à partir de chaleur) a quadruplé, la consommation d’électricité a été multipliée par 12. La proportion de l’énergie traitée électriquement a sensiblement été multipliée par 3. Actuellement, 25% de l'énergie primaire mondiale est consommée pour faire de l’électricité et l’énergie électrique représente environ 12% de l’énergie totale mise en oeuvre, ces proportions sont respectivement d’environ 50% et 20% en France. L’électricité semble un excellent vecteur d’énergie, en effet, les différents processus de traitement et de conversion de l'énergie électrique peuvent se faire avec un très bon rendement et avec une très grande facilité de contrôle et de régulation, c'est d'ailleurs ces qualités qui ont contribué à son inexorable progression depuis cent cinquante ans. Mais il faut savoir produire l'électricité « proprement » et avec un bon rendement, enfin, il devient impératif de l’utiliser à bon escient. Dans cet article, nous proposons d'essayer de faire le point sur les ressources en énergie de la terre et sur la façon dont elles sont utilisées (chapitre 2). Dans le chapitre 3, nous mettons en évidence la place de l'énergie électrique et les diverses ressources permettant de la produire plus “proprement”. La répartition de la consommation d’électricité selon les domaines est également décrite. Remarque : les chiffres donnés peuvent être sujet à des variations selon les sources. De nombreux recoupements ont été effectués de façon à maximiser leur crédibilité et à s’affranchir des nombreuses erreurs rencontrées (facteurs 10 3 et 10 6). 2- Les ressources en énergie de la planète terre et la consommation 2.1- Unités et équivalences L’une des difficultés que l’on rencontre, lorsque l’on fait une telle analyse est la multiplicité des unités d’énergie utilisées (tonnes équivalent pétrole, TW.h, exajoule EJ...). Afin de faciliter la compréhension, il nous a semblé que l’unité, dont la dimension est la plus « humaine » pour un électricien, était le kW.h (kilowatt-heure) ! C’est donc celle qui sera utilisée dans tout l’article. Quelques équivalences utiles lorsque l’on veut analyser les nombreuses données disponibles dans différents secteurs : 1 W.h = 3600 J (1 TW.h = 10 12 W.h, 1 EJ = 10 18 J) 1 t.e.p. ≅ 11 600 kW.h (tonne équivalent pétrole) 1 baril (159 l ou 140 kg) ≅ 1700 kW.h 1 BTU (British Thermal Unit) ≅ 252 cal ≅ 1050 J 1 thermie = 100 000 BTU Les valeurs énergétiques moyennes des principaux combustibles sont données dans le tableau 1 : hydrogène gaz naturel propane butane charbon fuel essence bois uranium naturel 34 kW.h/kg 10 à 12 kW.h/m 3 26,7 kW.h/m 3 34,9 kW.h/m 3 7,2 kW.h/dm 3 11,6 kW.h/dm 3 12 kW.h/dm 3 2 à 4 kW.h/kg 116 000 kW.h/kg Tableau 1 2.2- Les ressources Énergies renouvelables L’énergie solaire La surface de la terre reçoit chaque année 1,6 10 18 kW.h (équivalent à une puissance continue de 180 10 6 GW), 30% sont directement réfléchis dans l’espace, 45% sont absorbés, convertis en chaleur et rayonnés dans l’infrarouge. Les 25% restant alimentent les cycles hydrologiques (24%) et la photosynthèse (0,06%) soit l’équivalent d’une moyenne de 45 10 6 GW. L’énergie rayonnée au sol vaut environ 720.10 15 kW.h. Selon les régions, l’énergie reçue à la surface de la terre varie, par m_, de 1100 kW.h à 2300 kW.h/an, soit une puissance moyenne (répartie sur l’année, en tenant compte des alternances jour-nuit et des périodes nuageuses) de 120 à 260 W par m_ et une puissance crête de plus d’1 kW/m_. Cette énergie peut être directement transformée en chaleur avec un excellent rendement ou, encore, en électricité mais dans des conditions nettement moins bonnes. Une partie de cette énergie sert à la photosynthèse : 950.10 12 kW.h, ce qui conduit à la production lente de matières combustibles comme le bois ou les fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel). Les combustibles fossiles à la différence du bois sont le fruit d’une longue accumulation et ne peuvent être considérés comme renouvelables. Il aura fallu des dizaines de millions d’années pour constituer les réserves de combustibles que nous aurons mis moins de deux siècles à consommer.... photosynthèse énergie directement ré-émise dans l'espace énergie transformée en chaleur puis rayonnée dans l'infrarouge 45% 30% 25% 88% 8% 0,24% énergie convertie à la surface de la terre vents cycles hydrologiques Répartition des 1600 10 15 kW.h reçus annuellement du soleil par la terre Le soleil 45% de l’énergie rayonnée par le soleil tombe sur les mers tropicales, la différence de température entre les eaux de surface (23°C) et les eaux des profondeurs (- 6°C à 1000 m) peut être utilisée, par exemple, pour actionner des moteurs thermiques. Les ressources « thermique-mer » représentent un potentiel de 8.10 12 kW.h. Sur les 720.10 15 kW.h du rayonnement solaire reçu au sol, la part qui semble exploitable atteint 26.10 15kW.h annuels, ce qui suffirait très largement à satisfaire nos besoins (environ 0,5% de cette quantité, voir chapitre 2.3). Les cycles hydrologiques représentent 370.10 15 kW.h. L’évaporation de l’eau (principalement des océans) conduit à des précipitations canalisées ensuite par les rivières et les fleuves et également aux vents. Les vagues provoquées par le vent constituent également une source d’énergie exploitable. Les orages ne représentent qu’une faible partie de cette énergie qu’il est d’ailleurs quasi-impossible d’utiliser compte tenu de son caractère très impulsionnel et chaotique. L’énergie hydraulique est utilisée de longue date ; au Moyen Âge, les moulins à eau constituaient la principale source d’énergie pour l’industrie. Aujourd’hui, l’énergie hydraulique est la principale énergie renouvelable utilisée pour la production d’électricité. L’énergie hydraulique techniquement exploitable, d’après [Web_LANL], vaut 25.10 12 kW.h (15.10 12 kW.h, d’après [CHAB_EU97]), soit environ 5 à 8 fois ce qui est déjà exploité. Le potentiel est déjà bien utilisé dans les pays de l’OCDE mais il peut encore se développer dans nombre de pays en voie de développement. L’énergie éolienne est également exploitée depuis longtemps, la propulsion à voile des bateaux, les moulins à vent et les pompes à eau de nos campagnes en sont les principaux témoignages. Les ressources exploitables mondialement sont énormes et sont estimées [Web_LANL] à 1.10 15 kW.h/an. En France, sur les côtes, la réserve est de 4 à 6000 kW.h/m_, en plaine, on obtient de 300 à 1000 kW.h/m_ (la surface comptée est celle de l’hélice face au vent, axe horizontal). Ainsi une hélice de 40 m de diamètre brasse 1200 m_ et produira, sur un site à 1000 kW.h/m_, environ 1,2.10 6kW.h par an. Le gisement éolien français est estimé à 60.10 9 kW.h. [EDF_sept97] soit 13% de la production actuelle d’électricité. La houle offre une puissance d’environ 50 à 80 kW par mètre linéaire de front de vague. L’un des problèmes est de construire des dispositifs capables de résister aux tempêtes. D’après [CHAB_EU97], l’énergie des vagues disponible est de 700.10 9 kW.h dont 87.10 9 kW.h/an techniquement utilisables. La biomasse et la vie animale Les énergies issues de la photosynthèse sont uploads/Geographie/ 840-energiesurterre.pdf