L’énergie se trouve
à l'état latent au cœur même de la matière. Ceci sous différentes formes qui peuvent être mécanique,
thermique, électrique, chimique, cinétique et atomique. L'homme, pour
assurer ses besoins, les convertis d'une forme à l'autre avec plus ou moins de
bonheur. On ne peut ignorer cela si l’on souhaite la comprendre
afin de la produire et de la consommer plus intelligemment. Elle peut parfois
être engendrée en profitant du fait qu’en changeant d’état, solide, liquide ou
gazeux, elle peut transmettre l’énergie qu’elle a en son sein. Une fois
produite, on peut alors l’aborder sous ses aspects primaire, secondaire ou utile,
et enfin la stocker si nécessaire avant de la consommer sous ses différentes formes la plupart du temps mécanique, thermique, ou électrique.
Les interactions de la matière
Les interactions
qui régissent l’état d’équilibre dans lequel se trouve la matière est au cœur
même de la compréhension de l’énergie. En allant du plus puissant – pris comme
valeur de référence – vers le moins puissant, ou ce qui revient un peu au même
dans l’ordre d’importance et de potentiel énergétique décroissant, on peut
situer ainsi les interactions qui régissent l’état d’équilibre dans lequel se
trouve la matière.
L’interaction nucléaire forte (Force 100 ou le chiffre 1)
Son histoire
commence en 1911 avec la découverte du noyau atomique par Rutherford, mais ce
n’est qu’en 1970 et avec les quarks, que la théorie de l’interaction forte est
élaborée avec la chromodynamique quantique ou QCD. L’interaction nucléaire
forte permet la cohésion des noyaux atomiques en liant les protons et les
neutrons au sein de ce noyau. Si cette interaction n’existait pas, les noyaux
seraient instables et seraient dissociés sous l’effet de la répulsion
électrostatique des protons entre eux. L’interaction forte est ainsi au cœur de
la compréhension des réactions nucléaires. Elle est source d’énergie pour notre
planète par exemple grâce à la fusion
nucléaire sur le soleil.
L’interaction
électromagnétique (Force 10-2 ou le chiffre 0,01)
L’interaction
électromagnétique est à l’origine de tous les phénomènes thermodynamiques et
régit entre autres la chaleur spécifique
de la matière. Elle provient de la force répulsive ou attractive qui agit sur
les objets ayant une charge électrique. Deux objets de charges électriques de
même signe se repoussent alors que deux objets de charges électriques de signe
opposé s’attirent. L’interaction électromagnétique permet la cohésion des
atomes en liant les électrons (charge électrique négative) et le noyau des
atomes (charge électrique positive). Elle est à la base des réactions chimiques
et couvre les produits fossiles. Elle est liée aux ondes électromagnétiques,
aux ondes radio, aux radars ainsi qu’aux rayons X et elle permettrait même d’expliquer
la biologie avec certaines classes de molécule.
L’interaction
nucléaire faible (Force 10-4 ou le chiffre 0,0001)
Son histoire
commence en 1896 avec la découverte de la radioactivité par Becquerel. Elle
évolue en 1933 lorsqu’E. Fermi élabore le premier modèle d’interaction faible
incorporant l’existence non encore démontrée du neutrino. La radioactivité est
au cœur même de la compréhension de l’interaction nucléaire faible et l’on
pense que c’est la radioactivité naturelle qui est responsable de la source
d’énergie importante qui maintient le magma en fusion sous la croûte terrestre.
La
gravitation 
(Force 10-44
ou le chiffre 1 précédé
de 43 zéros avant la virgule)
La masse de la terre
a beau être très importante, force est de constater que la gravitation est la
moins puissante de toutes les interactions. L’électricité issue des barrages
hydroélectriques provient de la gravitation. Le cycle de l’eau
évaporation-condensation à l’origine de la pluie, du ruissellement et de la
rivière, c’est également la gravitation. Vu l’incapacité des barrages
hydroélectriques à assurer la totalité de nos besoins en énergie alors que
notre pays comprend pourtant la plus haute chaîne montagneuse d’Europe, on
pourrait légitimement s’interroger sur la capacité de la gravitation à assurer
l’essentiel de nos besoins énergétiques. Cela serait le cas si la gravitation
n’était étroitement associée aux deux interactions les plus puissantes :
la nucléaire forte, qui réchauffe la
croûte terrestre superficielle en assurant le caractère renouvelable au
chauffage thermodynamique et l’électromagnétique,
qui régit la chaleur spécifique de la matière et sa capacité à transmettre
l’énergie thermique. Compte tenu de la surface de l’Hexagone et de la hauteur
pluviométrique moyenne en France proche du mètre, c’est près de
10 000 m3 d’eau
qui sont disponibles chaque année pour chacun des quelque 60 millions
d’habitants qui le composent. En refroidissant, ce volume d’eau de 3 °C
représente quelque 30 000 kWh thermiques qui sont récupérés par
chaque Français pour chauffer son habitation. Plus qu’il n’en faut puisque ce
chiffre correspond sensiblement, selon l’IRENA,
à la moitié du besoin en énergie toutes énergies confondues de chacun des
habitants de l’OCDE que l’on sait être particulièrement énergivores par rapport
à la moyenne mondiale.
L’énergie
des marées
On sait que la
terre et la lune sont soumises à un effort de rapprochement F
(Newton) proportionnel au produit de leur masse m et inversement
proportionnel au carré de la distance d qui les sépare (F = G.
mm’/d²
). G = 6,67 m3
s-2 kg-1 étant la constante de la
gravitation.
On sait maintenant aussi
que l’énergie cinétique en rotation de la terre (0,72 x 1027 kWh) est progressivement absorbée par les marées
engendrées par la variation de F. On estime qu’elle a ralenti de 1
tour en 22 h à 1 tour en 24 heures en 400 millions d’années. En
comparant cette perte d’énergie cinétique qui peut être attribuée aux
frottements fluides des mouvements marins pendant cette période, on trouve que
la puissance dissipée par les marées à chaque instant est environ 5 000 fois inférieure à la
puissance reçue du soleil. Ce qui place cette énergie pratiquement au même
niveau que l’interaction nucléaire faible. L’homme est en passe de récupérer avec les hydroliennes une
infime partie de cette énergie qui pourrait toutefois être non
négligeable par rapport à notre besoin.
Prenons l’Hexagone comme exemple de calcul pour comparer ces différentes
formes d’énergie en allant cette fois du moins puissant vers le plus puissant.
La gravitation:
Du fait de
la gravitation terrestre 
, une masse de 1 kg, c’est un
effort de près de 10 daN dirigé vers le bas (en pratique 9,81 daN du fait
de l’attraction terrestre de 9,81 m/s²). La surface de l’Hexagone, c’est
550 000 km² (ou 5,5 x 1011 m²), surface sur laquelle il
tombe environ 750 kg d’eau/m²/an (on parle d’une hauteur pluviométrique
moyenne annuelle en France de 750 mm d’eau). Compte tenu de l’altitude
moyenne de l’Hexagone proche de 300 m, lorsque l’eau qui ruisselle en
surface est descendue au niveau de la mer, le travail de son poids fourni du
fait de la gravitation est d’environ 7 500 x 300 x 5,5 x 1011
= 1,25 x 1018 joules (ou 343 TWh). Notre pays, avec sa
production de quelque 70 TWh par les barrages hydroélectriques, a pu récupérer
20 % de cette énergie. (Même plus en pratique par le fait qu’une partie
non négligeable n’est pas récupérable du fait de l’évaporation et des
infiltrations dans le sous-sol vers les nappes captives.)
L’interaction
électromagnétique
Étant donné qu’il y
a dans une année 8 760 heures ou 31 536 000 secondes,
le débit d’eau qui s’écoule vers la mer du fait des quelque 4,1 x 1011
m3 d’eau que reçoit annuellement l’Hexagone est de
13 000 m3/s. En tenant compte de l’écoulement des nappes
libres et de l’évaporation, c’est seulement un débit moyen voisin de
5 000 m3/s qui arrive à la mer par les estuaires des
fleuves (voir la carte
des rivières françaises les plus importantes).
Si l’on ne prend en compte que le débit des fleuves, le fait que l’on puisse
récupérer environ 1 kWh en abaissant 1 m3 d’eau de
1 °C en raison de la chaleur spécifique de l’eau permet d’affirmer que
c’est une énergie thermique de
5 000 x 31 536 000 x 3 = 473 x 109 kWh que
notre pays peut récupérer en refroidissant l’eau de nos fleuves de 3 °C.
Sur la base de 25 millions de foyers fiscaux, on est donc en face d’un
potentiel de récupération d’énergie thermique encore inexploité par la
thermodynamique voisin de 20 000 kWh par foyer, correspondant à une
consommation annuelle de fioul proche des besoins en chauffage d’un habitat
ancien mal isolé (2 m3 de FOD). Si l’on raisonne maintenant en
évaluant la puissance thermique disponible dans un doublet géothermale d’un
débit Q de 200 m3/h procurant de l’eau à 70°C et la rejetant à
20°C c’est en hiver et sur la base d’un
écart de température cette fois de 50 °C, une puissance instantané
disponible P = Q x ∆T x c = 200 x 50 x 4 180
= 94 x 109 J/s, soit 11 600 kW que le puits géothermale met à
notre disposition sous forme thermique compte tenu de la chaleur spécifique c
de l’eau de 4,18 kJ/kg et °C. Au moment où l’on souhaite se passer de la
combustion des produits fossile pour chauffer l’habitat avec ce projet de loi
sur la transition énergétique qui stipule que la puissance électrique devra
être plafonnée en France à 63,2 GW, cela tombe bien. Il ne devrait donc
subsister de doute dans l’esprit du lecteur sur la capacité de la rivière
assistée par l’eau géothermale à assurer nos besoins en énergie thermique[1].
L’interaction
nucléaire forte
Reste à savoir si
ce potentiel est renouvelable ou non. Pour cela, il suffit de comparer les
chiffres ci-dessus à l’énergie qui nous vient du soleil au 45° nord et qui
réchauffe les premiers mètres de la couche terrestre superficielle. Avec une
puissance moyenne voisine de 350 watts/m² une fois franchi l’atmosphère,
c’est tout de même un apport thermique solaire correspondant à une quantité
d’énergie de 0,35 x 8 760 = 3 000 kWh par m² qui nous
arrive du ciel tous les ans. Avec près de 9 000 m² de surface de
chauffe par Français, puisque nous sommes environ 60 millions d’habitants
sur un Hexagone de 550 000 km², c’est une quantité d’énergie de
3 000 x 9 000 = 27 millions de kWh que le soleil envoie
généreusement annuellement sur terre pour chacun d’entre nous. Quantité
d’énergie cette fois près de 500 fois supérieure à la quantité d’énergie
consommée en moyenne selon l’INRA par chacun des membres des pays de
l’OCDE ! (55 000 kWh/an toutes énergies confondues). Comme on le
voit, il n’y a pas d’inquiétude à se faire sur le caractère renouvelable du
chauffage thermodynamique aquathermique !
Les états de la matière
La matière peut
être à l’état solide, liquide ou gazeux et passer d’un état à l’autre lorsque
la température ou la pression change.
|
1. De solide à liquide : c’est la fusion ou liquéfaction. 2. De liquide à solide :
c’est la solidification. 3. De liquide à vapeur :
c’est la vaporisation. 4. De vapeur à liquide :
c’est la condensation. 5. De solide à vapeur :
c’est la sublimation. 6. Et enfin, de vapeur à
solide : c’est la cristallisation. |
|
Ces passages
se font en transmettant de l’énergie. Lorsque par exemple un fluide caloporteur
change d’état en se vaporisant dans l’évaporateur, puis en se liquéfiant dans
le condenseur d’une pompe à chaleur, il transmet au milieu extérieur l’énergie
latente qu’il contient en son sein : la chaleur latente de vaporisation
d’une part et la chaleur latente de condensation d’autre part. C’est ainsi que
le chauffage thermodynamique nous permettra de satisfaire à moindre frais nos
besoins en énergie thermique.
L’importance
relative des différentes formes d’énergie sur l’hexagone
Le fond de notre problème concernant l'énergie en France métropolitaine est
essentiellement quantitatif. D'une part sensiblement
80 % de l'énergie électrique que nous consommons en France est d'origine
nucléaire. Mais il faut pour satisfaire notre besoin il n'y a pas que l'énergie
électrique. Nous avons aussi besoin d'énergie mécanique et thermique.
- L'industrie a besoin
d'énergie mécanique pour les presses à matricer, à forger à filer,
- Nous
utilisons la combustion pour satisfaire nos besoins thermiques chauffage et nos
besoins en énergie mécanique sont actuellement satisfaits par le moteur à
combustion interne et les produits fossiles.
Il résulte de cela
que moins de 20 % de l'énergie que nous consommons est d'origine
électrique. Le reste, à savoir 80% c'est la combustion avec principalement :
- le gaz et le fioul
pour faire de la chaleur
- l'essence et le gasoil pour faire de l'énergie mécanique.
L’énergie primaire (EP) > secondaire > finale (EF)
> utile
|
À l’énergie finale rendue à
notre domicile en bout de course s’ajoute l’énergie qu’il a fallu dépenser
préalablement pour extraire, distribuer, stocker et produire avec une chaîne de production au rendement plus ou moins
bon, selon les cas, en perdant de ce fait plus ou moins d’énergie au passage.
L’énergie primaire ou énergie grise
est le total de toutes ces énergies consommées. Ce raisonnement peut se tenir pour le charbon, le fioul, le gaz, le
bois ou l’électricité. |
Source BP
Statistical Review of World Energy 2008 |
Les réglementations thermiques
françaises ont dû introduire également les notions d’énergie primaire, d’énergie finale
et enfin d’énergie utile, notions
faisant intervenir le rendement de la chaîne énergétique utilisée pour produire
l’énergie utile arrivant à l’utilisateur. Cette notion de rendement de la chaîne énergétique assurant la
satisfaction du besoin est à considérer pour le chauffage, la climatisation, la
ventilation, la production d’eau chaude sanitaire, l’éclairage des locaux et de
tous les auxiliaires électroménagers. Elle est essentielle afin de diminuer
autant que faire se peut la quantité d’énergie primaire requise pour satisfaire
le besoin. Une réflexion sur le coefficient
de transformation de l’énergie primaire thermique en énergie finale selon la
chaîne énergétique utilisée pourrait être la suivante en ce qui concerne le
chauffage :
|
Énergie |
Énergie primaire (EP) |
Énergie finale (EF) |
|
bois |
0,6 kWh* |
1 kWh |
|
gaz/fioul |
1 kWh |
1 kWh |
|
Électricité |
2,58 kWh** |
1 kWh |
*La justification de ce chiffre est
plutôt une convention qui mérite le moins que l’on puisse dire examen
dans la mesure où la quantité de gaz carbonique dégagée par le bois qui se
décompose lentement dans la forêt est la même que celle qui se forme lors de la
combustion. La formation de CO2 est seulement plus rapide. La
théorie de l’Oncle Vania « Back to the trees »,
du célèbre livre Pourquoi j’ai mangé mon père, n’est probablement pas la
solution si elle devait se généraliser avec la démographie actuelle car il faut
se rendre à l’évidence : une fois coupé pour les besoins de la combustion,
le bois n’absorbe plus le CO2 qu’il aurait absorbé s’il ne l’avait
pas été.
**Ce chiffre, différent pour chaque pays européen, est
fonction du mode de production utilisé localement pour générer l’électricité.
La chaîne de production utilisée en France, étant principalement nucléaire, est
liée au rendement des centrales nucléaires actuelles voisin de 35 %. Les
lutins thermiques, qui vont nous guider dans la suite de ce livre, ne
comprennent pas pourquoi ce chiffre n’est pas revu à la baisse compte tenu de
l’amélioration des performances des centrales nucléaires. Un coefficient de
conversion de l’énergie électrique finale en énergie primaire voisin de 2
serait probablement plus conforme à la réalité par le fait que les pertes
thermiques dans l’environnement soient maintenant plus faibles et plus proches
de 50 % que de 61 %. Ils estiment que le président de l’Association
des pompes à chaleur (AFPAC) a raison de dire que si le coefficient de 2,58
était remplacé dans la RT 2012 par une valeur voisine de 2, les conséquences
seraient de valoriser le chauffage électrique utilisant les PAC à compresseur
au détriment du gaz ouvrant la voie à la pompe à chaleur à compresseur. Les
lutins thermiques ne comprennent pas non plus pourquoi la loi instaure un
bonus-malus sur l’énergie qui privilégie le chauffage au gaz par rapport au
chauffage électrique, alors que tous les hommes politiques français s’accordent
à condamner l’exploitation du gaz de schiste.
Énergie utile = énergie
finale x coefficient de performance
Il reste une
dernière étape très importante avant que l’énergie thermique n’arrive dans nos
pièces de vie : celle touchant le rendement du générateur de chaleur.
Si l’on
prend l’exemple du chauffage électrique, deux cas de figure se
présentent :
1. Le chauffage électrique à effet
Joule avec un COP de 1 : 1 kWh
électrique = 1 kWh thermique.
2. Le chauffage électrique par PAC
à compresseur avec un COP de 4
(pour exemple)
1 kWh électrique x 4 = 4 kWh thermiques, 3 kWh
thermiques étant prélevés dans l’environnement. Avec un COP de 4, une
pompe à chaleur est donc 4 fois plus performante qu’un radiateur électrique à
effet Joule.
Énergie primaire
(EP) selon le mode de chauffage des logements en France
|
|
NB en
millions |
NB en % |
EP |
EP avec TRI à minima |
|
Gaz
naturel |
9,03 |
34,4 |
34,4 |
14,33) |
|
Électricité |
7,94 |
30,3 |
78,2 |
32,53) |
|
Fioul |
4,63 |
17,7 |
17,7 |
7,43) |
|
Chauffage
urbain |
1,29 |
5 |
5 |
5 |
|
Charbon2) |
1,17 |
4,5 |
4,5 |
4,5 |
|
Bois2) |
1,17 |
4,5 |
2,7 |
2,7 |
|
Gaz
liquéfié (GPL) |
0,6 |
2,3 |
2,3 |
1,1 |
|
Autres
moyens |
0,35 |
1,3 |
- |
- |
|
Totaux |
26,19 millions |
100 |
145 |
67,5 |
|
|
soit 2,3 habitants en moyenne par logement |
|||
1) Données Wikipédia pour le NB de logements.
2) Bois et charbon supposé en quantités égales.
3) Pourcentage de PAC air-eau et eau-eau supposée égal à 50/50 avec COP moyen
de 4.
La colonne
de droite montre ce que pourrait être en France la consommation en EP sur la
base d’une TRI à minima combinant deux fluides au
sein d’une chaufferie hybride. Elle prouve (voir cellules grisées) que
la consommation d’énergie primaire pourrait être divisée à minima par deux pour
le chauffage des logements parcourant ainsi sensiblement la moitié du chemin
qui nous sépare de la stratégie européenne de l’énergie dite du 20-20-20.
La France et l’énergie électrique
d’origine nucléaire
L’énergie
électrique est produite en France à près de 80 % par le nucléaire. Cette production
met en évidence un rapport entre l’énergie primaire et l’énergie finale compris entre
2,2 et 2,58 selon les organismes européens, ce qui revient à dire, en prenant
la référence de 2,58 chiffre retenu par l’Ademe – organisme français contrôlant la RT 2012 – que seulement 1 kWh
d’énergie finale parvient à l’utilisateur pour 2,58 kWh d’énergie
primaire. Pour comprendre ce chiffre, il est nécessaire de mettre en évidence
le rendement de la chaîne énergétique utilisée avec le nucléaire. La chaleur intense générée par
la transformation des chaînes atomiques dans le cœur du réacteur nucléaire sert
à surchauffer l’eau à une température et une pression aussi élevée que
possible. Ceci pour améliorer le rendement des turbines transformant en énergie
mécanique l’énergie interne contenue dans la vapeur surchauffée. Pour améliorer
le rendement, on augmente maintenant les températures à la source chaude
jusqu’à des températures voisines de 250 °C voire plus, ce qui permet
d’obtenir un coefficient de performance amélioré, coefficient qui reste malgré
tout relativement modeste (COP
= (Tc-Tf) / Tc = (250 - 50)/273
+ 250 = 200/523 = 0,38). La différence 1 - 0,38 = 0,62
étant les pertes thermiques malheureusement encore importantes dissipées sous
forme de chaleur dans l’atmosphère, dans la rivière et bientôt dans la mer. Ces
dissipations sont en partie responsables du réchauffement climatique. On
retrouve bien sensiblement le rapport entre l’énergie primaire égale à 1 et
l’énergie finale 0,38 récupérée par l’homme sous forme électrique 1/0,38
= 2,63. Ce chiffre proche de 2,58 pouvant varier sensiblement selon les
températures à la source chaude et à la source froide (prise ici égale à
50 °C) et aussi selon les pertes en ligne par effet Joule du réseau de distribution. Ces
dernières, proches de 5 % malgré les très hautes tensions utilisées pour la
distribution de l’électricité (voir transport de
l’énergie page 182), ne sont pas négligeables. Le rendement de la chaîne énergétique des
centrales nucléaires est donc relativement modeste mais elle ne génère
pratiquement pas de CO2.
Les renouvelables
Une énergie renouvelable est une source d’énergie
se renouvelant suffisamment rapidement pour être considérée comme inépuisable à
l’échelle humaine (elle dure de nombreuses générations). Les énergies
renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers et répétitifs
provoqués par les astres, principalement le rayonnement solaire, par le
sous-sol de la Terre (géothermique profonde) mais aussi à un degré moindre par
la Lune (marée) et la combustion du bois sous certaines réserves. Le pétrole,
le gaz naturel et le charbon ne sont pas des
énergies renouvelables car il faudra des millions d’années pour reconstituer
les stocks d’énergie fossile que l’on consomme actuellement en quelques
générations. De même, la réserve d’uranium disponible sur Terre étant limitée,
l’énergie nucléaire actuelle, issue de la fission des atomes d’uranium, ne peut
pas être considérée comme une énergie renouvelable. Seuls les réacteurs à
fusion, en cours d’expérimentation, dont le carburant est constitué des
isotopes de l’hydrogène présents dans l’eau des océans de façon quasi illimitée
à l’échelle humaine, seraient des moyens de production d’énergie utilisant une
énergie renouvelable.
Les 4 énergies de base
Selon les lutins
thermiques : « On ne changera pas l’énergie, elle restera mécanique,
hydraulique, électrique, thermique. » Ce qui changera, d’est la façon dont
ces formes d’énergie seront converties entre elles en intégrant mieux les saisons,
en profitant des propriétés de la matière et en tenant compte des lois qui
régissent la conservation de l’énergie ainsi que des équivalences entre les
paramètres du système d’unité internationale SI. (Voir par exemple les deux
applications pratiques ci-dessous.)
|
Type d’énergie |
Électrique |
Thermique |
Hydraulique |
Mécanique |
|||||||||
|
Puissance
P |
|||||||||||||
|
Formules |
P = UI |
P = QTc
= Qe |
P = Q
p |
P = Fv = C ω |
|||||||||
|
Unités de P en watt |
Avec Courant I en Amp. P en watt Avec loi d’ohm U = R I |
Avec - Débit Q en g/s - Température T °K - c chaleur spécifique
du fluide en J/g et °C - e enthalpie
du fluide en joule/g |
Avec Débit Q m3/s et pression p
en N/m² ou P = 2,77 Q p avec débit Q en l/mn et pression p en
bar (1 bar = 105
N/m²) |
Avec en linéaire - Effort F en newton - Vitesse V en m/s Ou en rotation - Couple C en m N (newton) - ω rd/s |
|||||||||
|
Pertes de
puissance |
∆P
= I (U1-U2) = R I² |
∆P
= Q(Te
- Ts)c |
∆P
= Q(p1
- p2) |
Frottement f |
|||||||||
|
Remarque |
Effet Joule. Chute de
tension en ligne par effet Joule U1 - U2 |
Chute de température en ligne Te-Ts |
Pertes de charge en ligne p1 - p2 |
Le frottement s’oppose au mouvement |
|||||||||
|
Énergie = puissance x temps W
= P t avec W (joule), P (watt), t (secondes) |
|||||||||||||
|
Formules W en joule 1 joule/s = 1 watt |
W
= R i²
t |
W = m (T1 - T2)
c |
W = Q (p1 - p2)
t |
W = f d (pertes) W = mgh
(potentielle) W = ½ mv² (cinétique) |
|||||||||
|
Transport |
|||||||||||||
|
Type d’énergie |
Électrique |
Thermique |
Hydraulique |
Mécanique |
|||||||||
|
Commodité |
Assez bon rendement. Grande distance. |
Mauvais rendement (pertes). Distance moyenne. |
Assez bon |
Bon rendement. Petite distance coûteuse. |
|||||||||
|
Remarques |
On diminue les pertes en ligne par effet Joule
en augmentant la tension U. |
L’eau est souvent le fluide qui transmet la
puissance. On diminue les pertes en ligne par
calorifugeage des tuyaux. |
|
||||||||||
|
Le stockage de l’énergie (appréciations) |
|||||||||||||
|
On
peut citer par ordre d’importance décroissante : Hydraulique : - les STEP
qui permettent de stocker sous forme
potentielle des quantités d’énergie considérables
proche du milliard de kWh, les accumulateurs hydrauliques qui peuvent
restituer des puissances importantes mais pendant des temps relativement
courts. Électrique : l’électricité est
difficile à stocker avec les piles. Il faut cependant citer, dans le cadre du
stockage de l’énergie développée par les éoliennes, la société américaine Zincairinc basée dans le Montana qui vient de
développer une technologie de batteries « vertes » capables de
restituer une puissance instantanée de 1 000 kW pendant près de
19 heures. Thermique : le stockage thermique
possible grâce à la chaleur spécifique des corps commence à être utilisé à
grande échelle dans les centrales solaires électriques afin qu’elles puissent
continuer à produire de l’électricité lorsque le temps est couvert ou la
nuit. L’Espagne va exploiter prochainement sa troisième et gigantesque CST Andasol 3 fonctionnant sur ce principe. Mécanique : la société américaine
Beacon Power a annoncé en 2011 le fonctionnement à pleine puissance d’un
volant d’inertie mécanique capable de développer une puissance mécanique de
20 000 kW sous la forme d’une énergie mécanique cinétique. Cette
puissance est destinée à stabiliser le réseau électrique de New York pendant
des temps relativement courts. |
|||||||||||||
|
Équivalences et correspondances |
|||||||||||||
|
Il y a quelques équivalences entre les
énergies : - L’équivalence entre
les énergies thermique et mécanique (1 cal = 4,18 joules), une calorie étant
par définition la quantité de chaleur nécessaire pour élever un gramme d’eau
d’un °C. - Les deux
équivalences entre l’énergie thermique et la masse de la matière à
savoir : - celle relative à l’enthalpie du fluide caloporteur avec
le chauffage thermodynamique qui s’exprime en kilojoule/kg ; - celle relative à la
fusion nucléaire qui peut être
assimilée à une énergie cinétique convertie en chaleur avec diminution de la
masse selon la célèbre formule d’Einstein W = mv ², formule valable selon
Wikipédia dans le système international d’unités SI, soit W en joules si m est exprimé en kg et la
vitesse de la lumière v en m/s (c = 300 000 km/s).
Lorsque l’on observe cette formule formulée – et non démontrée – par Poincaré
dans ses études sur l’électromagnétisme et par Einstein cinq ans plus tard,
on ne peut que faire le rapprochement avec la formule facile à démontrer de
l’énergie cinétique mécanique dans notre champ gravitationnel conventionnel W = 1/2 mv². Reste ce rapport
de 1/2 qui différencie les deux formules et qui pourrait avoir trouvé une
suite dans le moteur surnuméraire à dégravitation
de Léon Raoul Hatem et dans les travaux
de G. Romerio et Rubtsov. Ceci en rapprochant l’infiniment
grand et l’infiniment petit l’un de l’autre en quelque sorte ? - Il y a aussi les
correspondances en rapport avec la combustion des combustibles
fossiles : la combustion de 1 litre de fioul ou de 1 m3
de gaz naturel génère une énergie thermique sensiblement égale à 10 kWh. |
|||||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
Type d’énergie |
Électrique |
Thermique |
Hydraulique |
Mécanique |
|||||||||
|
Système d’unités
internationales SI distance m, surface m², volume m3 |
|||||||||||||
|
Puissance P watt Énergie W joules j Temps t secondes Distance h mètre Masse m
en kg |
Tension U
volts Intensité
I Ampère Résistance électrique R (ohms) |
Débit massique Q en kg/s Chaleur spécifique c fluide joule/g et °C Enthalpie e du fluide en joule/g |
Débit volumique Q en m3/s Pression p en N/m² |
Effort F
en Newton N - Vitesse linéaire V en m/s - Vitesse angulaire ω en rd/s 1 rd = 57,2° |
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Applications pratiques |
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Chauffe-eau
instantané sans ballon (effet Joule) |
Potentiel-cinétique |
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Hydraulique
Faut-il préciser que ce mode de chauffage, acceptable
dans certains cas pour générer l’eau chaude sanitaire, est à éviter pour le
chauffage des locaux compte tenu de ses modestes performances. |
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