David Madore's WebLog: 2022-12

☞ Énergie et puissance

Les raisons du problème sont variées (ce qui permet commodément à chacun de pointer du doigt ce qui l'arrange : qui l'intermittence des énergies renouvelables, qui la lenteur de l'entretien des centrales nucléaires, qui la guerre en Ukraine, qui la pandémie, qui la conjoncture économique), mais disons déjà qu'il y a deux chose qu'il ne faut pas confondre, même si elles ont un impact l'un sur l'autre : l'Europe en général, et la France en particulier, a à la fois un problème d'énergie en général (et de prix de l'énergie) et un problème de puissance de pointe sur le réseau électrique. C'est du deuxième que je veux parler même si le premier l'affecte indirectement.

☞ Tristesse quant au manque de culture scientifique du grand public (une digression)

Donc déjà, là, on a un méta-problème, qui est que le grand public a du mal à comprendre le problème, déjà parce que grand public ne connaît pas ou ne comprend pas la différence entre une énergie (qui est un stock) et une puissance (qui est un flux), confusion à la fois trahie et alimentée par les journalistes qui mélangent complètement les kilowatts·heure (kW·h, unité d'énergie) et les kilowatts (kW, unité de puissance), ou parlent même de kilowatts par heure (ce qui n'a pas de sens, enfin, ça peut en avoir dans des cas fort rares comme pour une montée ou baisse de charge, mais ce n'est presque jamais ce dont on parle). Et je prétends que cette confusion, loin d'être un point anecdotique (oui oui, j'ai écrit kilowatts par heure, je voulais dire kilowatts·heure, c'est un lapsus, vous m'embêtez, les scientifiques, avec vos pinaillages) devient un grave problème politique parce que quand on ne comprend rien à une crise, on mélange tout, on finit par croire des conneries, et des gens peu scrupuleux en profitent pour vous faire passer des vessies pour des lanternes. Or on a besoin de citoyens éclairés, surtout quand on leur demande des efforts ou des actions intelligentes (ou simplement de voter pour des non escrocs) ; et ce billet de blog est ma modeste contribution pour essayer d'aider à cet éclairement.

Ceci s'inscrit bien sûr dans le cadre plus large du problème de manque de compétences scientifiques basiques du grand public, donc je me suis déjà indigné plusieurs fois (par exemple ici) sur ce blog, et qui s'est déjà manifesté pendant la pandémie avec la difficulté à comprendre ce qu'est une exponentielle ou un taux de létalité (mais bon, pendant la pandémie, les épistémologistes ont eux-mêmes dit énormément de conneries). On peut aussi comparer ça avec un problème de culture générale : il ne s'agit de se moquer de personne individuellement (tout le monde a beaucoup de lacunes quelque part dans sa culture), mais on peut néanmoins être affligé par le niveau général collectif de culture scientifique du grand public. Ne pas comprendre la différence entre une énergie et une puissance est à peu près d'analogue à ne jamais avoir entendu parler de la première guerre mondiale, à la différence que (je ne sais pas pourquoi) c'est socialement moins mal vu d'être ignorant sur le concept d'énergie que sur l'existence de la première guerre mondiale, et que c'est politiquement plus problématique quand on est plongé dans une crise de l'énergie qui rend le concept autre chose que théorique.

Est-ce que ça vaut la peine que j'essaie d'expliquer les choses ? J'ai toujours peur que ce soit comme pisser dans un violon : les gens qui ont déjà la culture scientifique nécessaire savent déjà très bien ce qu'est la différence entre une énergie et une puissance, et ceux qui ne le savent pas, ce n'est souvent pas tellement par manque d'information que par manque de motivation pour apprendre (c'est technique, ça ne m'intéresse pas), donc même s'il y en a qui lisent mon blog, ce qui est déjà assez rare vu le contenu dont je parle en général, j'ai peur qu'ils se disent simplement ouhlà, il y a des chiffres : je vais sauter, et c'est bien ça le cœur du problème.

Mais bon, hauts les cœurs, je vais quand même faire des efforts de pédagogie.

☞ Une analogie avec de l'eau

Pour essayer d'expliquer les choses avec une analogie, si on imagine que l'énergie est remplacée par de l'eau, ou plus exactement l'analogie dans laquelle l'énergie est un volume d'eau, alors la puissance est un débit, c'est-à-dire un volume par unité de temps qui peut circuler dans une canalisation, ou qu'une pompe est capable de produire, ou qu'une installation domestique consomme, ou quelque chose comme ça. On voit qu'il y a plusieurs façons différentes de manquer d'eau : on peut manquer de volume mais pas de débit (le lac source ou la nappe phréatique est presque vide, on peut en tirer très vite mais bientôt il n'y aura plus rien), ou on peut manquer de débit (la nappe phréatique est bien pleine, mais la pompe qui en extrait de l'eau ne peut pas extraire assez vite). Le débit se mesure en volume par unité de temps, par exemple en litres par seconde ou en mètres cube par heure ; inversement, un volume écoulé se calcule en multipliant un débit par le temps pendant lequel on a laissé ce débit s'écouler.

Il en va exactement de même de l'énergie et de la puissance, sauf que les accidents de l'histoire font que l'unité la plus souvent utilisée pour l'énergie (≈ volume) dans la vie courante (pour la facturation et l'économie de l'énergie, disons) se déduit de l'unité pour la puissance (≈ débit), le watt, et pas le contraire : cette unité d'énergie est le watt·heure (ou ses multiples), qui est l'énergie consommée ou produite si on consomme ou produit une puissance de 1 watt pendant une heure : c'est une multiplication, pas une division, parce que l'énergie est un produit d'une puissance par un temps de la même manière qu'un volume d'eau est un produit d'un débit par un temps ; donc watt·heure, pas watt/heure. Si on préfère, l'unité de puissance, le watt, est un watt·heure par heure (unité d'énergie par unité de temps) de la même manière que pour l'eau, une unité de débit est par exemple mètre cube par heure (disons). En fait, l'unité standard officielle d'énergie est le joule, qui est un watt·seconde, mais c'est trop petit pour être utile en économie, donc on utilise le watt·heure, qui vaut 3600 joules puisqu'une heure vaut 3600 secondes (et, de nouveau, c'est un produit : un watt consommé pendant 3600s ça va faire 3600 fois plus d'énergie consommée qu'un watt consommé pendant 1s). Et en fait, plutôt que le watt·heure lui-même, on utilise surtout ses multiples, le kilowatt·heure (kW·h), qui vaut 1000 watts·heure (ou 3.6 millions de joules), le mégawatt·heure (MW·h), qui vaut 1000 fois ça c'est-à-dire 1 million de watts·heure (ou 3.6 milliards de joules), le gigawatt·heure (GW·h), qui vaut 1000 fois ça c'est-à-dire 1 milliard de watts·heure, et le térawatt·heure (TW·h), qui vaut encore 1000 fois ça, c'est-à-dire 1 billion de watts·heure (le billion français, pas le billion américain qui est un autre nom du milliard).

(J'aurais pu faire une analogie avec de l'argent au lieu de la faire avec de l'eau : l'énergie est comme un capital alors que la puissance est comme un salaire. Le problème avec cette analogie, peut-être superficiellement plus parlante que celle avec l'eau, c'est que le salaire n'est reçu que par sommes mensuelles, ce qui aide moins à comprendre les problèmes des pics instantanés de débit. Elle serait plus appropriée si on recevait un salaire sous forme d'augmentation continue de son compte en banque : un centime toutes les quelques secondes. Mais ce n'est pas le cas alors je préfère parler d'eau.)

(Bon, par ailleurs, j'aurais peut-être dû mettre partout dans cette entrée des guillemets autour de consommer de l'énergie : techniquement, on ne consomme jamais d'énergie, pas plus qu'on n'en produit, parce que l'énergie se conserve, on ne fait que la transformer d'une forme en une autre, et in fine en chaleur qui est la forme la plus difficilement utilisable de l'énergie ; mais bon, il n'est pas mon propos de faire ici de la vulgarisation sur la thermodynamique, pour ça je peux renvoyer à cette fort vieille entrée. Et puis, on parle bien de consommer de l'eau, alors que l'eau non plus elle ne disparaît pas quand on la consomme, elle finit bien quelque part, donc ça rend mon analogie tout à fait pertinente.)

☞ Unités d'énergie et de puissance

Je répète, pour que ce soit facile à trouver et à lire :

(La raison de la confusion qui fait écrire watt par heure ou W/h à beaucoup de journalistes est sans doute une forme d'hypercorrection : on leur a appris que ce qu'on appelle vulgairement un kilomètre-heure dans le langage courant est en fait un kilomètre par heure et ils savent qu'il faut écrire km/h, ce qui est vrai, donc par analogie ils s'imaginent qu'un watt-heure est une erreur pour watt par heure, mais justement ce n'est pas ça, ce n'est pas une division, c'est une multiplication, c'est un watt fois heure qu'on appelle un watt·heure, et c'est un watt qui est un watt·heure par heure et pas le contraire.)

☞ Ordre de grandeur : le kilowatt·heure

L'autre chose qui fait cruellement défaut au grand public, c'est un sens des ordres de grandeur. Un radiateur électrique typique peut consommer (c'est-à-dire en fait : transformer en chaleur) une puissance de 1000W, autrement dit 1kW : si on le fait tourner pendant 1h, on a donc consommé 1kW·h, un kilowatt·heure. Le kilowatt·heure est donc une unité assez typique pour les consommations domestiques individuelles. Son prix aux particuliers dépend du détail de l'abonnement, mais en ce moment chez EDF il est à 0.174€ pour l'abonnement de base, ou 0.147€ en heures creuses et 0.184€ (j'arrondis) en heures pleines si on a la formule HC/HP, ou entre 0.086€ (heures creuses bleues) et 0.549€ (heures pleines rouges) si on a la formule Tempo. Le mégawatt·heure, le gigawatt·heure et le térawatt·heure sont donc alors mille, un million, et un milliard de fois ça : le premier peut servir par exemple à mesurer la consommation d'un foyer sur un an, le second à mesurer la consommation d'un village sur un an, le troisième d'une grande ville sur un an (et pour la Terre entière, on parlera carrément en pétawatts·heure).

Il peut aussi être intéressant de noter que le watt·heure est à peu près la même chose que la « calorie » (qui est en fait en vrai une kilocalorie, mais tout le monde l'appelle calorie, et, oui, c'est vraiment confusant), cette unité à la con qui sert à indiquer les apports en énergie des aliments : oui, la calorie-qui-est-en-fait-une-kilocalorie est une unité d'énergie comme le watt·heure ou le joule, elle vaut 1.16 watt·heure. Du coup, les apports journaliers recommandés en énergie pour un adulte sont de l'ordre de 2.5 kW·h (l'essentiel part en métabolisme), ce qui peut aussi être un bon ordre de grandeur à retenir.

Autre ordre de grandeur possiblement intéressant : une voiture électrique consomme de l'ordre de grandeur de 150W·h par kilomètre, ou si on préfère, 15kW·h par 100km. Par ailleurs, un litre d'essence « contient » (c'est-à-dire, est capable de libérer quand on le brûle) environ 9kW·h.

☞ Puissance instantanée et puissance moyenne

Concernant le lien entre énergie et puissance, il faut que je fasse une remarque importante sur la puissance moyenne et la puissance instantanée. Là aussi, si je dois m'adresser au grand public, il vaut sans doute mieux que je fasse une analogie. Ce sera plus clair si je parle de distances et de vitesses :