Introduction

Il s’agit ici de généralités sur les chaînes énergétiques, sujet qui était jusqu’à présent très peu abordé et qui pourrait refaire surface dans le cadre d’actions pratiques allant dans le sens du respect des objectifs de la COP21. On distingue principalement les énergies mécanique, hydraulique, électrique, thermique. Cela est important pour comprendre ce qui suit. L’homme converti ces différentes formes d’énergie de l’une à l’autre pour son besoin particulier avec plus ou moins de bonheur. On sait que le climat est influencé par les 3 mouvements relatifs de la terre par rapport au soleil. De très nombreux scientifique ont mis en évidence que les problèmes actuels concernant le climat et la pollution de l’air dans nos villes sont aussi liés à la chaîne énergétique choisie par l’homme pour produire l’énergie de son choix, la stocker si besoin est, et la transporter avant de pouvoir la consommer.

Paris ne s'est pas fait en un jour. Pour cette raison, il ne pourra également se reconstruire également en un jour dans le cadre de la transition énergétique.

Cela va prendre du temps, beaucoup de temps alors qu’il y a urgence.  Examinons ce qui arriverait en France si nous décidions de passer dès à présent au « tout électrique » en modifiant nos chaînes énergétiques actuelles. La question qui va immédiatement se poser est la suivante : pourrions-nous le faire sans augmenter le nucléaire puisque cela semble être le souhait de la majorité d'entre nous ? La réponse va peut-être surprendre mais si l'on prend comme hypothèse que la moitié de l'habitat français se chauffe avec l'effet joule, la réponse est oui. Il appartient à l'INSEE de nous répondre à ce sujet mais vu les erreurs passées ce pourcentage de 50% n'est peut-être pas loin de la réalité.

Examinons tout d'abord ce qui se passerait pour le chauffage de l'habitat avec un très modeste COP de 3. 
Ceci en prenant à titre comparatif une consommation antérieur de 3 autant pour la voiture que pour le chauffage
1) 

- pour la moitié des gens qui se chauffaient à l'effet joule la consommation d'électricité va être trois fois moindre. (1 kW électrique au lieu de 3)
- pour l'autre moitié qui se chauffaient avec la combustion, la consommation électrique va maintenant être égale à 1 (1 kW électrique au lieu de 0). Ceci vu qu'avec un COP de 3 le chauffage thermodynamique basé sur les pompes à chaleur à compresseur produit 3 kWh thermique pour 1 kWh électrique.

Examinons maintenant ce qui se passerait pour la voiture avec l'abandon du cycle de Carnot et du moteur à combustion interne au profit de la voiture électrique. Les performances de la voiture électrique étant sensiblement 3 fois supérieures à celles du moteur à combustion interne par le fait qu'il n'y a pas de dégagement de chaleur avec cette technologie, la consommation énergétique serait 3 fois plus faible.

Examinons pour finir ce qui se passe globalement moyennant un effort à minima concernant l'isolation du bâtiment existant.2)

Sur la base de ces hypothèses il consommerait :

- 2 kWh électrique au lieu de 3 pour le chauffage de l'habitat
- 1 kWh électrique en plus pour assurer l'alimentation de sa voiture individuelle. Probablement même
un peu moins avec la voiture hybride.

Soit globalement la même quantité d'énergie électrique que celle qu'il consommait avant d'avoir changé les chaînes énergétiques à savoir 3 kWh électrique. Pour résumer nous pourrions donc en évitant le toujours+ et sans nuire à notre confort voire même en l'améliorant passer sans problème au tout électrique sans augmenter notre consommation actuelle d'énergie électrique. Le fait que le calcul ci-dessus ne donne que des ordres de grandeur est largement compensé par le fait qu’un COP deux fois supérieur est envisageable si l’on échange sur l’eau.

Mais Paris ne s'est pas fait en un jour. Faut -il rappeler à ce sujet la citation de Jean Jaurès : L'histoire enseigne aux hommes la difficulté des grandes tâches et la longueur des accomplissements mais elle justifie l'invincible espoir. Vu la lenteur avec laquelle les choses évoluent et la frilosité d’homo sapiens, il est plus que probable que nous connaîtrons l'étape intermédiaire de l'hybride et ceci autant pour le chauffage de l'habitat que pour la voiture individuelle.

La raison à cela pour le chauffage de l'habitat pourrait être que l'on ne pourra pas supprimer instantanément l'effet joule et qu'il faudra bien diminuer le besoin en électricité au plus froid de l'hiver ce que la chaufferie hybride sait parfaitement faire.

La raison à cela pour la voiture individuelle pourrait être qu'une période transitoire va être nécessaire pour laisser au tout électrique le temps d'améliorer son autonomie. Le manque de place en ville est tel qu'il serait préférable d'intéresser fiscalement la famille afin que cette dernière ait pendant cette période transitoire une seule voiture plutôt que deux.

1)Une surface habitable moyenne actuelle de 25 m² par citoyen sur la base de 175 kWh/m² (voir ci-dessous) c’est une consommation annuelle par citoyen égale à 4375 kWh
Une distance parcourus annuellement de 15 000 km avec une voiture individuelle par foyer fiscal de 2,5 citoyens c'est, sur la base d'une consommation d'essence de 7 litres au 100 une consommation annuelle en essence de 420 litres par  citoyen, soit, étant donné le PCI de l'essence de 10 kWh par litre une énergie de 4200 kWh comparable à celle du chauffage    

2)Une déperdition moyenne actuelle de 250 kWh dans l'habitat par m² habitable c'est 175 kWh par m² habitable après une isolation à minima de 30 %

Pour ne pas alourdir ce tour d'horizon des chaines énergétiques, il n'a pas été évoqué les tentatives parfois couronnées de succès de produire le combustible lui-même. Le plus bel exemple étant la production de l'hydrogène à partir de l'énergie électrique produite par le soleil avec le voltaïque et la possibilité d'utiliser l’hydrogène pour la motorisation des véhicules solutionnant du même coup le problème du stockage de l'énergie. Pas plus que n’a été évoquée la fusion nucléaire compte tenu de leurs coûts, de leur complexité, et de l'urgence qu'il y a à passer dès aujourd'hui à l'action. Nous commençons à passer à l’action pour la voiture électrique mais nous prenons du retard pour le chauffage de l’habitat.

 

La production et les chaînes énergétiques

On sait convertir les énergies mécanique et hydraulique en énergie électrique1) 

On sait produire l’énergie électrique en grosse quantité avec le nucléaire ou la combustion en passant par l’énergie thermique2).

On commence à produire l’énergie électrique en petite quantité avec le rayonnement solaire3).

On sait produire de l’énergie mécanique avec les moteurs à combustion interne et avec l’électricité.

On sait transférer l'énergie thermique grâce à l’enthalpie de la matière avec une énergie complémentaire4).

On sait produire l’énergie thermique à partir de l’énergie électrique en dégradant cette dernière avec l’effet joule5) et en l’utilisant avec modération grâce à l’enthalpie des corps.

 

Le rendement/performance des chaînes énergétiques

Ces conversions se font avec une efficacité plus ou moins grande selon la chaîne énergétique envisagée.

1)      On peut chiffrer ainsi le ‘’rendement’’ des chaînes énergétiques principales produisant de l’électricité :

-          L’électricité en directe avec le voltaïque rendement 15% actuellement (Le rendement étant dans ce cas le rapport entre l’énergie électrique délivrée et l’énergie reçue par le panneau par rayonnement)

-          L’électricité obtenue à partir de l’énergie mécanique 90% ou à partir de l’énergie hydraulique rendement 50 à 90% maximum selon le point de fonctionnement 6)

-          L’électricité obtenue à partir de l’énergie thermique qu’il s’agisse de la combustion (gaz, charbon, bois), du solaire thermique, du nucléaire rendement entre 30% et 45% . Le rendement change légèrement selon la température des sources froide et chaude : avec le charbon, le fuel et le gaz 45%, avec le solaire thermique 25%, et avec le nucléaire 33% avec les turbines à gaz + récupération sur vapeur 30%+35%. Les valeurs précédentes ne prenant pas en compte les pertes d’énergie lors du transport de l'électricité du lieu de production vers le lieu d’utilisation (environ 10% de perte).

On observe que le rendement des chaînes énergétiques pour produire l’électricité est le plus souvent modeste ce qui explique son prix assez élevé et justifie que l’on prenne soin de la façon dont on la consomme.

2)      On peut chiffrer ainsi le rendement des chaînes énergétiques principales produisant de l’énergie thermique à savoir de la chaleur à partir de l’énergie électrique :

-          La chaleur obtenue en dégradant l’énergie électrique à partir de l’effet joule performance médiocre (rendement de 100%)

-          La chaleur obtenue efficacement à partir de la variation d’enthalpie du fluide caloporteur d’une pompe à chaleur 300 à 600% (On ne parle plus de rendement mais de performance)

 

3)      On peut chiffrer ainsi le rendement des deux chaînes énergétiques principales produisant de l’énergie mécanique pour le transport :

-           Celle produisant de l’énergie mécanique à partir de l’électricité (par exemple TGV ou voiture électrique) 80 à 95 % selon le type de moteur (courant continu ou alternatif)

-           Celle produisant de l’énergie mécanique à partir d’un moteur à explosion : 30% (70% de l’énergie étant perdu sous forme de chaleur)

Le mode de consommation de l’électricité en France

L’énergie la plus chère est celle que l’on consomme mal :
Vous l'aurez probablement deviné, il s'agit de l'énergie électrique avec l'effet joule* : 1 kWh électrique = 1kWh thermique (COP =1). Avec l’effet joule l’énergie restituée est égale à l’énergie consommée.
Comparée à l’énergie thermique issue de l’effet joule celle issue de l’enthalpie de la matière permet de se chauffer avec 3 à 6 fois moins d’énergie électrique selon le COP de la pompe à chaleur à compression (COP = 3 à 6). Ces derniers chiffres pouvant être améliorés de près de 50% avec
les réseaux de chaleur mixtes profitant de la cohabitation entre aquathermie profonde et superficielle.
Avec ces derniers dispositifs de chauffage l’énergie restituée peut être jusqu‘à 7 fois supérieure à l’énergie consommée voir plus. Il semble préférable de prélever l’énergie thermique renouvelable sur
l’eau que sur l’air.

L’énergie la moins chère est celle que l’on ne consomme pas:
Vous l'aurez également probablement deviné il s'agit de l'énergie thermique que l’on consomme en moins grâce à l’isolation.

Fort de ce constat il va devenir indispensable de prendre conscience des avantages du chauffage thermodynamique qui consomme l’électricité avec modération pour le chauffage dans la mesure où 1 kWh électrique permet  de produire 3  à 6 kWh thermiques.

Le principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur permet de comprendre pourquoi. Le fluide caloporteur d’une pompe à chaleur contient en effet en son sein une quantité d’énergie thermique importance qu’il peut restituer et absorber lorsqu’il passe de l’état liquide à l’état gazeux et inversement. La formule de Clausius Wc / Tc = Wf / Tf et la loi de conservation de l’énergie permet de trouver les performances théoriques d’un tel système appelé « pompe à chaleur » On parle alors de performances plutôt que de rendement.

 

Introduite par Rudolf Clausius dans ses études sur l’entropie de la matière, cette égalité caractérise le degré de désorganisation des particules constituant cette dernière. Cette désorganisation ainsi que l’énergie contenue dans la matière sont d’autant plus grandes que la température de celle-ci est élevée. À la température de 0 °Kelvin (-273 °C), la matière est figée et l’énergie contenue dans celle-ci est nulle. La vitesse des molécules, représentative de l’énergie contenue dans le corps augmente avec la température ces deux notions étant liées par la formule de Boltzmann :

 v²moy = 3kT (k étant une constante et Tétant exprimé en degrés Kelvin7)).

La matière constituant le fluide caloporteur d'une pompe à chaleur à compresseur est fortement désorganisée comme indiqué sur la figure ci-dessus après qu'elle ait été comprimé par effet mécanique dans le compresseur, cette désorganisation induit dans le condenseur une quantité d'énergie thermique importante appelée enthalpie qui peut être récupérée pour le chauffage de l'habitat. Suite à l’erreur de la RT2005, l’enthalpie va nécessairement jouer un rôle important dans les années qui viennent. Ceci pour satisfaire le besoin thermique permettant d’assurer le chauffage de l’habitat en diminuant notre dépendance à l’électricité. Dans la machine thermique fournissant de l’énergie mécanique, on élève la température à la source chaude pour accélérer les molécules et récupérer un peu plus d’énergie mécanique, alors que dans la pompe à chaleur, on abaisse au contraire la température de la source chaude pour diminuer l’énergie mécanique que l’on doit payer. L’égalité de Clausius prouve la potentialité du chauffage thermodynamique. En effet, lorsque la température de la source chaude est égale à la température de la source froide, par exemple lorsque l’on commence à chauffer l’eau froide sanitaire à 10 °C en utilisant l’eau de la nappe phréatique également à 10°C (Tc = Tf), Wc est égal à Wf et toute l’énergie thermique Wc disponible à la source chaude est théoriquement de l’énergie renouvelable prélevée dans l’environnement.

 

 

Le stockage

On sait stocker efficacement de grosses quantités d’énergie électrique avec les stations de transfert d’énergie par pompage (STEP)

On ne sait pas stocker l’énergie mécanique en grosse quantité avec les volants d’inertie.

On ne sait pas stocker l’énergie thermique en grosse quantité avec la chaleur spécifique de la matière par contre la matière du fait de la variation d’enthalpie des corps contient parfois en son sein de grosses quantités d’énergie thermique.

On sait stocker efficacement de petites quantités d’énergie électrique avec les batteries8)

Le Transport

L'homme sait solutionner le transport de l'énergie électrique sur de très grandes distances avec les lignes très hautes tensions. Il espère réduire les pertes avec les supraconducteurs
Ceci alors qu'il ne sait solutionner celui de l'énergie hydraulique que sur quelques kilomètres, celui de l'énergie thermique que sur quelques hectomètres, et celui de l'énergie mécanique que sur quelques dizaines de mètres9). Si ce n’est les pollutions catastrophiques en cas d’incident, il rencontre moins de problème pour solutionner le transport des combustibles sur mer avec
les supertankers que sur terre avec les pipelines.

Le climat

Il a acquis la conviction que la combustion en émettant des gaz à effet de serre et en générant de l’énergie thermique accélère actuellement le réchauffement climatique naturel de notre planète.

Il commence à comprendre suite à la COP21 qu'il peut combattre le réchauffement climatique en modifiant les chaînes énergétiques assurant son confort et ses besoins.

Le français estime quant à lui que le mauvais rendement de la chaîne énergétique produisant de l'énergie électrique à partir du nucléaire n’a pas de conséquence significative sur le réchauffement de la planète. Et cela même s’il n’arrive pas à récupérer la quantité d’énergie thermique importante produite par cette chaîne en la laissant se dissiper en pure perte dans l'atmosphère. Il estime que cette deuxième chaîne énergétique à des conséquences moins graves sur le climat que la combustion par le fait qu'elle ne dissipe pas de gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

Il commence aussi à comprendre comment, pour le plus grand bien du climat, il pourrait utiliser la variation d'enthalpie des corps plutôt que leur combustion pour le chauffage de l'habitat.

Il commence également à percevoir que pour se chauffer lorsqu'il fait froid, il suffit de refroidir un peu plus son environnement.

Le livre « La chaleur renouvelable et la rivière » lui explique pourquoi l’énergie négative qu’il émet vers l’environnement en le refroidissant, n’est autre que l’énergie thermique qu’il reçoit. 

Ce livre lui explique aussi pourquoi l’énergie positive qu’il reçoit de l’environnement est de l’énergie thermique renouvelable lorsque les échanges thermiques se font avec l’eau d’un fleuve ou de sa nappe libre. Comme les miracles n'existent pas et qu'il lui faut fournir une énergie complémentaire en petite quantité pour y parvenir son bon sens lui dicte que la forme d’énergie qu’il lui va falloir choisir pour ce complément est celle qui est la plus facile à transporter et qui ne génère pas de gaz à effet de serre à savoir : l’électricité préférentiellement à la combustion.

L’air de nos cités

La pollution de l’air dans nos villes n’est pas due uniquement aux moteurs à explosion. Les chaufferies utilisant la combustion rejettent également des gaz brûlés dans l'atmosphère.

Les PAC sont incontestablement moins polluantes. Particulièrement la PAC à compresseur qui ne rejette aucun gaz dans l'atmosphère. Les gaz brûlés de la PAC à absorption quantitativement 2 fois plus faibles que la combustion seule sont à plus basse température que les gaz brûlés des chaudières à condensation ce qui est favorable.
Voir comparaison entre pompe à chaleur absorption/compresseur . Voir également l’immeuble de « Monsieur tout le monde » qui prouve qu’avec une PAC à compression et un immeuble correctement isolé sans balcon et une énergie restituée 6 fois supérieure à l’énergie consommée l’immeuble est proche de l’indépendance énergétique annuelle.


1) 
Avec par exemple les volants d’inertie à la demande pendant des temps assez courts, les turbines à eau également à la demande (Pelton, Kaplan… ) pendant des périodes prolongées, les éoliennes d’une façon aléatoire…etc

2)  Avec les turbines à gaz ou à vapeur selon que l’énergie thermique est produite par la combustion ou le nucléaire. La production d'électricité par le nucléaire met en évidence un rapport entre l'énergie électrique finale produite et l'énergie thermique primaire consommée assez déplorable par le fait qu’aucune récupération de l'énergie thermique n’est prévue celle-ci étant totalement perdue dans l’atmosphère. Il est expliqué dans le livre « La chaleur renouvelable et la rivière » le pourquoi de ce chiffre compris entre 2,5 et 2,7, chiffre qui est mystérieux pour beaucoup. Ceux qui voudraient promouvoir le chauffage électrique utilisant les PAC à compresseur considèrent que si ce chiffre était remplacé par une valeur voisine de 2 dans la RT 2012 les conséquences seraient de valoriser la pompe à chaleur à compresseur. Affaire à suivre…

3)  Avec le voltaïque mais rythmé par le jour et la nuit

4)  Cette énergie complémentaire est un combustible fossile tel que le gaz ou le bois dans le cas de la PAC à absorption ou l’électricité dans le cas de la PAC à compresseur

5) Qu’il s’agisse des convecteurs standards, des ventilo-convecteurs, des radiateurs à inertie ou à accumulation
6) L’énergie mécanique récupérée par une les turbines diffère selon le type de turbines et leur point de fonctionnement. Voir site Mécaflux
7) T en degré Kelvin = T°C + 273 (0°C = 273K)
8)
Avant combustion, un kg d’essence ou de gasoil c’est 10 kWh thermique disponible et environ 4 kWh d’énergie mécanique restitués compte tenu du rendement du moteur à explosion.
 Ceci alors qu’une batterie de 1 kg, c’est, dans l’état actuel de la technique, seulement 0,2 kWh d’énergie électrique disponible et presque son équivalent mécanique compte tenu du bon rendement du moteur électrique.
Tout compte fait pour stocker la même quantité d’énergie mécanique une batterie reste encore sensiblement vingt fois plus lourde que l’essence.

9) Un arbre électrique peu avantageusement remplacer un arbre mécanique pour résoudre les problèmes de synchronisation

Les Lutins thermiques   octobre 2018