David Madore's WebLog: Quelques réflexions en vrac sur l'énergie

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(jeudi)

Quelques réflexions en vrac sur l'énergie

Cette note est très mal écrite et je le sais : ça part dans tous les sens, je ne finis pas mes idées, il n'y a pas de fil directeur… Je la publie quand même telle quelle parce que je n'ai pas le temps (et plus l'envie) de la remanier et qu'elle est peut-être intéressante malgré tout, notamment par le peu de thermo que j'y raconte.

Je me plains régulièrement de la façon dont les gens manquent complètement du sens des ordres de grandeur. Par exemple en faisant des économies de bouts de chandelle tout en consentant à des dépenses pharaoniques à côté (et/ou en ne se rendant pas compte que le temps qu'ils perdent à faire ces économies de bouts de chandelle est beaucoup plus précieux que les économies réalisées). Ou, dans un ordre d'idées semblable, en affichant un comportement « écolo-responsable » (ou, bien pire, en faisant la morale à d'autres à ce sujet) sur des actions qui sont l'équivalent écologique de réparer un robinet fuyant goutte à goutte quand il y a une canalisation pétée à côté. Non, je ne suis pas du tout persuadé que d'éteindre un téléviseur plutôt que de laisser en veille soit un comportement préférable (il est possible que le téléviseur dure un peu moins longtemps, et que cette différence fasse plus qu'annuler le bénéfice ; mais, de toute façon, le problème est plutôt que ces mêmes personnes se voulant responsables vont changer de téléviseur inutilement). Et, tant que j'y suis, si je suis d'accord avec l'idée générale de remplacer des ampoules incandescentes par des ampoules fluocompactes, LED, ou au moins halogène, le fait de les interdire dans toutes circonstances me semble d'une crétinerie sans nom (parce qu'il y a des cas où les incandescentes sont effectivement plus écologiques).

Mais dans le domaine de l'énergétique à portée écologique, ce qui m'énerve le plus, ce sont les gens qui n'arrivent pas à comprendre que : en hiver, si on chauffe chez soi avec des radiateurs électriques thermostatés, alors il est à peu près impossible de gaspiller de l'énergie. Je comprends que le concept d'énergie soit un peu compliqué pour le non-scientifique moyen, mais enfin, quand même, ceci ne devrait pas être si difficile à avaler : quasiment toute l'énergie électrique consommée (par une ampoule allumée, un ordinateur qui tourne en permanence, une plaque de cuisson qu'on aurait oubliée, que sais-je encore…) se retrouve forcément sous forme de chaleur dans la pièce et, tant qu'on n'en arrive pas à chauffer la pièce largement au-dessus du réglage du thermostat, ce sera exactement autant de moins que les radiateurs auront à fournir.

Oui, en hiver (si vous vous chauffez à l'électrique avec thermostat, je répète), vous pouvez allumer les lumières autant que vous voulez, vous ne consommerez pas d'électricité en plus — sauf dans la mesure où vous éclairez l'extérieur, mais de toute façon si vous êtes prêt à laisser les volets ouverts il est probable que la perte de chaleur de chauffage par ce côté-là noie complètement ce que pourrait représenter une perte de lumière. Et sauf dans la mesure où laisser une ampoule allumée l'use (mais je pense que c'est plutôt le fait de l'allumer ou de l'éteindre qui fait ça, donc il vaut mieux la laissée allumée en permanence). En fait, il suffirait qu'il y ait un effet subtil du genre « les éclairages tamisés donnent une impression psychologique de froid et incitent à augmenter un petit peu le chauffage » (je n'en sais rien, ce n'est qu'un exemple) pour qu'il devienne énergétiquement plus rentable d'éclairer vivement. Et de même, en hiver, il est probablement préférable, dans les locaux chauffés, de laisser les ordinateurs en fonctionnement permanent, parce qu'on ne dépense pas d'énergie en plus à les faire participer au chauffage, en revanche on évite l'usure des disques dus aux arrêts et redémarrages trop fréquents (or, recycler un disque dur, ce n'est pas complètement anodin).

La plupart des gens, quand j'essaie de leur expliquer ce qui précède (non, on est en hiver, ça ne sert à rien d'éteindre les lumières) ont une réaction qui ressemble à ceci : la lumière doit bien produire un peu de chaleur, mais ce n'est pas grand-chose par rapport à cette lumière gâchée. Il faut donc que je leur explique que, non, vraiment, la lumière ne peut pas être gâchée, l'énergie ne peut jamais être détruite, tout ce qui peut lui arriver de pire est de devenir de la chaleur. Si la chaleur produite par une ampoule leur semble faible, c'est simplement que l'énergie consommée par une ampoule est faible, justement, par rapport à celle consommée par un radiateur électrique, qui est phénoménale. Il faut essayer de prendre conscience à quel point faire tourner un radiateur est quelque chose de « thermodynamiquement criminel » : on prend de l'énergie sous forme quasiment totipotente (au sens où on peut en faire à peu près n'importe quoi qu'on puisse faire avec toute autre forme d'énergie) qu'est le courant électrique, et on la transforme purement et simplement en la forme la moins utile possible de l'énergie, la chaleur.

Voici ce que j'aimerais que tout le monde sache de thermodynamique (je suis conscient que c'est irréaliste) :

Micro-cours de thermodynamique pour les nuls

L'énergie[#] est une grandeur fondamentale de la physique. L'énergie ne peut pas être créée ou détruite (c'est la première loi de la thermodynamique), elle peut simplement changer de forme. La chaleur (ou énergie calorique) est conversion sous la forme la plus inutile de l'énergie, car c'est la forme à partir de laquelle il est le plus difficile de la convertir en autre chose (pour des raisons fondamentales qui vont être expliquées plus bas). Pour cette raison, toute dépense d'énergie « dans l'air » a tendance à finir sous forme de chaleur (qui va éventuellement se dissiper).

L'énergie se mesure en joules (symbole : J) et ses multiples (le kilojoule : 1kJ = 1000J ; le mégajoule : 1MJ = 1000000J). Le watt (symbole : W) est une unité de puissance, c'est-à-dire de transfert d'énergie par unité de temps, correspondant à un joule par seconde : par exemple, une ampoule de 100W convertit chaque seconde 100J d'énergie électrique en énergie sous forme soit lumineuse soit calorique. Comme le joule est une unité assez faible, on utilise souvent le watt-heure (symbole : Wh), correspondant à l'énergie transférée par une puissance de 1W pendant 1h, soit 3600J (puisqu'il y a 3600 secondes dans une heure), et, encore plus souvent, le kilowatt-heure (symbole : kWh), qui vaut très logiquement 1000Wh soit 3600000J, ou encore 3.6MJ. Pour donner une idée, les courbes de consommation électrique en France se situent ces jours-ci entre 70GW vers 4h30 du matin et 90GW vers 19h, où 1GW (un gigawatt) vaut un 1000MW, soit un milliard de watts.

Fournir de la chaleur à un corps va (normalement) augmenter sa température. La quantité d'énergie à fournir pour produire une unité d'augmentation de température donnée à un objet s'appelle la capacité calorifique, capacité thermique ou chaleur spécifique de cet objet, et se mesure donc en joules par degré — sauf que les scientifiques disent plutôt, joules par kelvin, symbole J/K, mais c'est la même chose : et comme cette capacité calorifique pour un corps pur est proportionnel à sa masse, on utilise alors les joules par kelvin et par kilogramme. Par exemple, pour augmenter la température d'un litre (=un kilogramme) d'eau liquide de 1 degré (à la pression et la température usuelles), il faut lui apporter environ 4200J = 4.2kJ (cette grandeur porte également le nom de kilocalorie), et pour cette raison on dit que la capacité calorifique de l'eau est de 4200J/K/kg. (En fait, ceci est approximatif, car la capacité calorifique dépend elle-même de la température, mais je cherche à simplifier autant que possible.)

Il existe cependant des situations où fournir de la chaleur en plus n'élève pas la température : ce sont les transitions de phase (de première espèce). Par exemple, de la glace à 0°C (sur le point de commencer à fondre) renferme moins d'énergie que de l'eau liquide à 0°C (qui vient de fondre, ou sur le point de geler), bien qu'elles aient la même température, et de même, de l'eau liquide à 100°C renferme moins d'énergie que de la vapeur d'eau à 100°C : la différence, qui est donc la quantité d'énergie (=de chaleur) qu'il faut apporter à l'eau pour passer de l'état solide à l'état liquide, ou de l'état liquide à l'état gazeux, sans pour autant changer sa température, s'appelle chaleur latente, et se mesure en joules (pour un objet donné), ou en joules par kilogramme (s'il s'agit d'un corps de masse non spécifiée). Par exemple, dans le cas de l'eau à la pression usuelle, la chaleur latente est de 330000J/kg=330kJ/kg pour la fusion (de la glace en eau liquide), et de 2300000J/kg=2300kJ/kg pour la vaporisation (de l'eau liquide à la vapeur d'eau). Ceci signifie, notamment, qu'il faut apporter bien moins de chaleur pour chauffer de l'eau liquide de 0°C à 100°C (quelque chose comme 420kJ/kg) que pour la faire passer à 100°C de l'état liquide à l'état de gaz (2300kJ/kg, je viens de le dire). Concrètement, une plaque de 2000W ne peut pas mettre moins de 2300kJ/2kW = 1100s = 19min pour faire bouillir complètement 1L d'eau.

Pour montrer que les éléments que j'ai donnés permettent déjà de faire quelques petits calculs, voici un petit exemple : on va considérer ce qui se passe si on place 100g de glaçons à 0°C dans 1L d'eau à 30°C (donc 1kg, essentiellement). La chaleur latente de la fonte des glaçons vaut (330kJ/kg) × 0.1kg = 33kJ (c'est l'énergie à apporter pour faire fondre les glaçons) ; or la capacité calorifique de 1kg d'eau vaut 4.2kJ/K/kg × 1kg = 4.2kJ/K : donc faire fondre les glaçons va faire baisser la température de l'eau liquide de 33kJ/(4.2kJ/K) = 8K, c'est-à-dire que cette eau liquide passerait de 30°C à 22°C. Mais évidemment, ensuite, on ne va pas rester avec 100g d'eau liquide à 0°C et 1kg d'eau liquide à 22°C : si le 1kg d'eau chaude fournit l'énergie qu'il libère en baissant de 2° (soit 4.2kJ/K × 2K = 8.4kJ), l'eau froide, dont la capacité calorifique vaut 4.2kJ/K/kg × 0.1kg = 0.42kJ/K, gagne 8.4kJ/(0.42kJ/K) = 20K (c'est logique, il y a dix fois moins d'eau froide que d'eau chaude, donc elle se réchauffe dix fois plus), donc tout le monde se stabilise à 20°C.

Pour mesurer à quel point l'énergie a été « gâchée » sous forme de chaleur, il existe une seconde grandeur très importante : l'entropie. L'entropie, comme l'énergie, ne peut pas être détruite, elle peut circuler d'un endroit à un autre, mais, contrairement à l'énergie, on peut en créer (le processus est alors irréversible, puisque l'entropie créée ne pourra jamais être détruite). L'entropie se mesure en joules par kelvin (symbole : J/K), comme la capacité calorifique, pour une raison que je vais expliquer dans un instant, et bien sûr on peut utiliser le watt par kelvin (W/K) pour une quantité d'entropie transférée ou créée par unité de temps.

La règle permettant de calculer la quantité d'entropie est très simple : un corps qui reçoit de la chaleur reçoit aussi une quantité d'entropie égale à la quantité d'énergie reçue sous forme de chaleur, divisée par sa température absolue (seconde loi de la thermodynamique), la température absolue étant la différence par rapport au zéro absolu, ce qui signifie concrètement qu'il faut ajouter 273 à la température en degrés Celsius pour avoir la température absolue (exprimée en kelvins). Par exemple, si vous faites fondre 1kg de glace, ce qui nécessite de lui apporter 330kJ comme je l'ai expliqué, ce corps à 0°C = 273K (tout au long du processus) va recevoir 330kJ/273K = 1200J/K d'entropie. L'entropie est quelque chose qui est vraiment contenu dans l'état du système : 1kg d'eau liquide contient intrinsèquement 1200J/K d'entropie de plus que 1kg de glace, de même qu'il contient 330kJ d'énergie de plus.

Une des conséquences inévitables de l'existence de l'entropie, c'est qu'il n'est pas possible de récupérer l'énergie de la chaleur vers quelque chose de plus utile sans trouver moyen de mettre l'entropie ailleurs : une machine thermique a besoin d'une source froide pour récupérer de l'entropie en plus de la source chaude qui fournit l'énergie.

Par exemple, si vous voulez récupérer les 2300kJ contenus dans de 1kg de vapeur d'eau (à 100°C) en la condensant en eau liquide (aussi à 100°C), il vous faut trouver un réceptacle pour les 6000J/K (calculés comme 2300kJ/373K car 100°C=373K) d'entropie que la vapeur d'eau contenait et qui ne peuvent pas purement et simplement disparaître. Vous pourriez les mettre, par exemple, dans de la glace en la faisant fondre, puisque l'eau liquide à 0°C contient 1200J/K/kg d'entropie de plus que la glace à 0°C. Mais alors il faut faire fondre environ 5kg de glace pour chaque 1kg de vapeur d'eau condensée (car (6000J/K/kg)/(1200J/K/kg) = 5) : mais, du coup, cette fonte ne se contente pas d'absorber de l'entropie, elle absorbe aussi de l'énergie, quelque chose comme 1700kJ pour faire fondre les 5kg de glace, et sur vos 2300kJ d'énergie libérée par la condensation de 1kg de vapeur d'eau vous ne récupérez que 600kJ (le reste étant véhiculé en même temps que l'entropie). Rendement de l'opération : un peu moins de 30%. Ce que j'ai montré là est un cas particulier[#2] du théorème de Carnot qui prédit le rendement maximal d'une machine thermique (qui essaie de récupérer de l'énergie à partir de la chaleur) en fonction des températures de ses source chaude (ici 100°C = 373K) et froide (ici 0°C = 273K) ; en particulier, plus la différence de température est petite, plus le rendement est mauvais.

Avec ces éléments, je peux comparer, par exemple, un radiateur électrique et une pompe à chaleur. Un radiateur électrique ne fait que convertir de l'énergie en chaleur : un radiateur de 1500W, par exemple, convertit 1500J d'énergie par seconde en chaleur, et s'il sert à chauffer une pièce à 20°C = 293K, il produit donc 1500W/293K = 5W/K d'entropie (soit 5J/K chaque seconde). L'efficacité d'un radiateur est de 100%, mais c'est le minimum possible pour un dispositif chauffant. Une pompe à chaleur qui voudrait apporter 1500W de chaleur (par unité de temps) à la pièce, en revanche, s'arrange pour ne pas produire cette entropie de 5W/K, mais pour en récupérer au moins une partie du dehors (utilisé comme source froide) : une pompe à chaleur idéale, notamment, récupérerait la totalité de l'entropie du dehors. Imaginons que l'extérieur soit à 0°C = 273K. Dans ce cas, en récupérant 5W/K d'entropie (par unité de temps) de cet extérieur[#3] on peut en profiter pour lui prendre aussi (5W/K)×273K = 1400W de chaleur (par unité de temps), et la pompe à chaleur n'a qu'à fournir la différence, soit 100W, d'énergie venant du circuit électrique, pour un rendement pharaonique de 1500% (et qui, cette fois, devient d'autant meilleur que l'extérieur — source froide — est chaud). Bon, ça c'est pour une pompe à chaleur idéale (on n'atteint certainement pas des rendements de 1500% en pratique, même s'il fait 0°C dehors), mais ça donne une idée de pourquoi il est « thermodynamiquement criminel » d'utiliser un radiateur de 1500W quand une pompe à chaleur de 100W devrait en principe suffire.

[#] En fait, quand je dis énergie, généralement je veux dire — et je devrais dire — enthalpie : la différence, qui est essentiellement sans importance dans le cas des solides ou des liquides mais devient très importante pour les gaz, est que l'enthalpie ajoute à l'énergie interne vraiment contenue dans le gaz une quantité qui représente l'énergie récupérable du fait des forces de pression (à la pression considérée).

[#2] J'ai pris l'exemple de transitions de phase pour illustrer mon propos, parce que la température ne change pas : ceci permet d'utiliser simplement la règle que j'ai donnée (juste diviser par la température absolue) pour calculer la quantité d'entropie transférée en même temps que de la chaleur est transférée ; si on veut calculer la même chose pour un corps dont la température change, il faut faire une intégrale (c'est-à-dire, intuitivement, décomposer le transfert de chaleur en une infinité de petits transferts au cours de chacun desquels la température ne varie que de façon infinitésimale).

[#3] Évidemment, les 5W/K d'entropie, et les 1500W, qui sont utilisés pour chauffer la pièce, c'est-à-dire pour la conserver à 20°C, ne restent pas dans celle-ci : si on a besoin d'un radiateur pour conserver la température, c'est bien qu'il y a des fuites de l'autre côté. C'est d'ailleurs intéressant de les analyser du point de vue energétique et entropique : si 1500W fuient vers l'extérieur à 0°C, ce sont 5.5W/K d'entropie qui sont reçus par l'extérieur ; sur ces 5.5W/K, il y en a 5W/K qui viennent de l'intérieur (toujours les mêmes 5W/K qui correspondent à 1500W pour 20°C=293K), et donc 0.5W/K qui sont créés par le mélange de l'air chaud du dedans avec l'air froid du dehors. Quand on chauffe avec un radiateur, les 5W/K étaient aussi créés (par le radiateur) ; tandis que quand on utilise une pompe à chaleur idéale, les 5W/K venaient du dehors (et finissent par y retourner par la fuite), donc seuls 0.5W/K sont vraiment créés. Ainsi, le chauffage par radiateur non seulement consomme 15 fois plus d'énergie que celui par pompe à chaleur idéale, mais en plus il crée 10 fois plus d'entropie que ce qui fuit par l'autre côté, donc il y a au total 11 fois plus d'entropie créée dans ce cas (la pompe à chaleur idéale, elle, ne crée aucune entropie).

J'ai pris le cas d'un radiateur électrique, pour qu'on puisse clairement comparer les situations (l'énergie utile venant dans tous les cas de la même source), mais évidemment, il n'est pas moins « thermodynamiquement criminel » de faire brûler du fioul (ou n'importe quoi de ce genre) pour faire chauffer une pièce, que de faire tourner un radiateur électrique. Dans le cas de l'électricité, elle vient probablement d'un moteur à chaleur, que ce soit dans une centrale nucléaire ou à charbon, donc il y a quelque chose d'ironique à faire de la chaleur pour faire de l'électricité pour faire de la chaleur… le problème est qu'on ne peut pas transporter directement la chaleur, mais au moins avec une pompe à chaleur à l'autre bout, on rendrait la conversion non ridicule. Dans le cas d'un carburant fossile, on convertir directement de l'énergie chimique en chaleur, il est vrai qu'il est plus difficile d'en faire un usage direct, j'avoue que j'ignore si les hydrocarbures de la masse molaire de ceux qui constituent le fioul domestique ont un réel usage dans l'industrie chimique, mais il y a des problèmes écologiques à les brûler qui sont bien connus par ces temps de conférence de Copenhague qui courent. Et pour revenir à l'électricité, si on est prend le point de vue de l'écologie, il y a aussi la question de la répartition de la consommation dans le temps, bien sûr, puisque la part des différents modes de production change avec le temps : le principal conseil écologique que je donnerais, au lieu d'idioties sur les téléviseurs à mettre en veille, serait : coupez votre chauffage entre 17h30 et 20h, et faites-le tourner à fond entre 3h30 et 5h30 (si votre domicile est assez bien isolé pour retenir la chaleur — sinon, le premier point serait de le faire isoler…).

Un autre aspect concerne le thermostat, et le mécanisme de feedback rétroaction. Même si au niveau individuel ce mécanisme est très faible ou très bruité (par exemple s'il s'agit d'un radiateur non thermostaté automatiquement, et qu'un humain l'actionne manuellement selon son impression de chaud ou de froid), un petit effet de rétroaction existe toujours, et accumulé donc moyenné sur des millions et des millions de foyers il devient forcément sensible. (Je n'ai pas le temps de détailler ce point, et cette entrée est déjà assez longue comme ça, mais là où je veux en venir c'est que même quand il n'y a pas de vrai thermostat sur le radiateur le fait d'allumer une lampe quand on chauffe en hiver ne coûte pas vraiment au niveau consommation électrique.)

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