Énergies endogènes & Climat

1 – L’énergie : ça sert à quoi ?

Pour faire simple, l’énergie se manifeste à nous sous deux formes fondamentales : le travail et la chaleur. Le travail permet de déplacer des objets, tandis que la chaleur apporte du confort dans nos logements.

Sur le plan de la physique, énergie, travail et chaleur sont trois notions équivalentes, qui s’expriment dans la même unité officielle : le Joule. Le travail peut produire de la chaleur, par effet Joule (on se frotte les mains pour les réchauffer, par exemple) et, inversement, la chaleur peut produire du travail (machine à vapeur).

Chaleur et Travail : équivalents, mais différents…

Toujours pour faire simple, on peut considérer la chaleur comme une agitation moléculaire désordonnée, tandis que dans le travail on a une orientation privilégiée pour obtenir un mouvement d’ensemble.

Il en résulte une certaine hiérarchie entre travail et chaleur. Le travail, c’est un peu la face noble de l’énergie, son plus haut potentiel. On parle aussi d’énergie motrice (l’énergie mécanique et l’énergie électrique sont des énergies motrices).
À l’opposé, la chaleur est la face dégradée de l’énergie, son plus bas potentiel. On parle également d’énergie calorifique ou d’énergie thermique…

La plupart du temps, le travail se trouve dissipé en chaleur par des frottements (effet Joule). Si bien que l’on ne fait pas une grosse erreur en considérant que l’énergie motrice se retrouve tôt ou tard transformée en chaleur.

Alors, quand on parle de réchauffement climatique, l’on est en droit de s’interroger sur les sources de chaleur qui peuvent générer un tel réchauffement…

2 – L’énergie au cours des siècles

La traction animale (y compris humaine) a été la première forme d’énergie motrice.

Cela nous permet d’expérimenter aisément la dissipation du travail en chaleur. En nous soumettant à une activité assidue, nous constaterons rapidement un réchauffement de notre corps jusqu’à transpirer. Inversement, une séance de sauna n’aboutit pas au travail équivalent…

L’Homme a ensuite utilisé le vent et l’eau comme énergies motrices.

Le vent et les cours d’eau sont des composantes motrices (mécaniques) de l’énergie solaire. La différence de température entre l’équateur et les pôles est à l’origine des vents (et des courants maritimes). Tandis que les cours d’eau s’inscrivent dans le cycle d’évaporation des océans et de précipitation de pluies sur les reliefs.
Là, il s’agit bien d’une transformation de la composante thermique de l’énergie solaire en composante mécanique…

Toutes ces ressources énergétiques appartiennent à notre biotope. Nous n’utilisons là que des énergies disponibles. Le bilan énergétique est globalement neutre. 

Le tournant de la Révolution Industrielle

La machine à vapeur et le charbon vont bousculer notre façon de travailler. Il est désormais possible de s’affranchir des limitations géographiques des ressources énergétiques séculaires et d’obtenir des puissances importantes et modulables. Cela autorise une expansion importante de l’activité humaine pour entrer dans l’ère industrielle.

Contrairement aux ressources énergétiques traditionnelles, le charbon, le pétrole et le nucléaire ne font pas partie du bilan énergétique de notre biotope. L’exploitation de ces ressources provoque un bilan énergétique exothermique.

Les énergies endogènes s’ajoutent au bilan thermique de la Terre !

3 – La troisième source de chaleur

Avant la Révolution Industrielle, les évolutions du climat étaient soumises à la variation de deux flux thermiques antagonistes : le flux solaire et le flux tellurique.

Avec l’ère industrielle et principalement depuis la Seconde Guerre mondiale, une troisième source de chaleur s’interpose aux confins des deux premières. Non seulement cette chaleur, d’origine anthropique, s’ajoute au bilan thermique global, il vient perturber la zone la plus turbulente de la planète : la basse atmosphère et les eaux de surface, là précisément où les courants convectifs sont les plus forts…

Ce sont ces courants qui sont responsables des sécheresses ou des inondations, des ouragans et des tornades.

C’est au sein de cette zone que se situe le biotope qui rend notre planète si particulière. Cette troisième source de chaleur affecte directement la stabilité des écosystèmes les plus fragiles.

Ordre de grandeur

Le sujet semble n’avoir pas intéressé les scientifiques ou alors elles n’ont pas été publiées. À défaut de chiffres dûment référencés nous pouvons nous aventurer à estimer l’ordre de grandeur de l’effet des énergies endogènes sur l’atmosphère.

La masse de la troposphère représente 80 % de celle de l’atmosphère, soit 4 200 Tératonnes.

Pour réchauffer la troposphère de 2 °C sur un siècle, il faut une énergie annuelle de 2,9 TW.an. Or, la production mondiale d’énergie en 2016 était de 13 256 GTEP (Gigatonne d’équivalent pétrole), dont 11 843 d’origine endogène, soit 15,7 TW.an.

Aussi modestes que paraissent les énergies endogènes par rapport au flux solaire, elles sont plus que suffisantes pour provoquer le réchauffement climatique constaté…
Les énergies endogènes agissent sur notre biotope comme le chauffage de nos habitations…

Nous verrons prochainement qu’il est possible de réaliser une véritable mutation énergétique respectueuse du bilant thermique naturel de la Terre…

Références :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Ressources_et_consommation_énergétiques_mondiales

(Climat & Avenir : 19 janvier 2018)

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L’Homme et le biotope

Quelques définitions de biotope :

Milieu défini par des caractéristiques physicochimiques stables et abritant une communauté d’êtres vivants (ou biocénose). (Le biotope et sa biocénose constituent un écosystème.) [larousse.fr]

En écologie, un biotope est, littéralement en grec ancien, un type de lieu de vie défini par des caractéristiques physiques et chimiques déterminées relativement uniformes. Ce milieu héberge un ensemble de formes de vie composant la biocénose : flore, faune, fonge (champignons), et des populations de micro-organismes. [Wikipedia]

Un biotope correspond à un milieu de vie délimité géographiquement dans lequel les conditions écologiques (température, humidité, etc.) sont homogènes, bien définies, et suffisent à l’épanouissement des êtres vivants qui y résident (appelés biocénoses), avec lesquels ils forment un écosystème. Une mangrove, un étang, une dune, une haie, une plage sont autant de biotopes. [futura-sciences.com]

Comme on le voit, il conviendrait de parler de « biotopes » (au pluriel) tellement les écosystèmes sont multiples et différenciés. Ici, nous entendrons par « biotope » (au singulier) l’espace terrestre qui accueille la vie sous toutes ses formes, dans le milieu aquatique, dans le sol et en surface (c’est-à-dire dans l’air atmosphérique).

À l’échelle de la planète, le biotope occupe un espace marginal, à la frontière entre terres, mers et atmosphère.

À l’échelle humaine, le biotope s’étend pour l’essentiel de quelques mètres dans le sol à quelques dizaines de mètres au-dessus de nos têtes…

1 – Le climat et la vie

À chaque biotope particulier correspondent des caractéristiques climatiques spécifiques, qui permettent de maintenir une ambiance physique et chimique propre suffisamment stable au maintien de l’écosystème correspondant. Parallèlement, les écosystèmes participent à la caractérisation physicochimique de leur environnement (photosynthèse, évapotranspiration, humus…)

Tour comme pour le biotope, la notion de « climat » (au singulier) englobe une multitude de climats singuliers (au pluriel). S’il conviendrait mieux de parler de dérèglement climatique pour évoquer les conséquences d’un réchauffement global sur les écosystèmes locaux, nous nous bornerons à étudier les paramètres anthropiques susceptibles d’engendrer le réchauffement climatique global.

Comme nous l’avons vu dans l’article précédent, c’est dans la Troposphère (la couche la plus dense de l’atmosphère, avec 80 % de la masse totale pour 10 % de sa hauteur officielle) que se passent les phénomènes météorologiques, avec son ballet incessant de dépressions et d’anticyclones.

Le biotope ne concerne qu’une petite part de la Troposphère (moins de 1 % en épaisseur), mais il est soumis à l’influence de la totalité de cette couche atmosphérique complexe et agitée.
Les relevés climatologiques enregistrent une déstabilisation des paramètres climatiques par rapport au siècle dernier, avec un réchauffement global 20 fois plus rapide qu’au cours du dernier réchauffement, à la jonction du Würm et de l’Holocène (0,4 °C en 20 ans, d’après la conférence Rio+2, contre environ un degré Celsius par millénaire au cours des différentes périodes interglaciaires du Quaternaire).

Cette accélération a pour conséquence une mise en danger des écosystèmes. Bon nombre de ceux-ci, notamment les plus stables, n’auront pas le temps de s’adapter aux variations climatiques locales. Il ne s’agit pas de quelques niches circonscrites, mais des populations fragiles de chaque écosystème, dont on ne sait pas mesurer les conséquences à terme pour l’Homme.

2 – L’Homme face à son destin

Les civilisations humaines se sont développées dans une singularité climatique, caractérisée par la stabilité des températures durant la seconde partie de l’Holocène. Rien ne garantit que cette stabilité durera, ni combien de temps cela durera. Ces conditions favorables à nos civilisations sont menacées par les activités mêmes de l’Homme. Ce doit être une raison suffisante pour nous soucier de préserver ces conditions si favorables à notre épanouissement.

Il importe donc de bien cerner ce qui conditionne notre biotope.

Le réchauffement climatique, perceptible depuis le début de l’ère industrielle, a pris une extension importante au cours de la seconde moitié du vingtième siècle, caractérisée par l’exploitation massive des énergies endogènes (non issues du Soleil) et une forte génération de vapeur d’eau.

Nous ne comptons plus les années de déficit en eau de nos nappes phréatiques. L’eau qui n’est ni dans nos sols, nos lacs, ni nos glaciers se trouve dans la troposphère sous forme de vapeur…
L’industrie, la culture intensive (arrosage des cultures, tassement des sols) et l’urbanisation contribuent fortement à la dérégulation du cycle de l’eau au sein de notre biotope.

La chaleur dégagée par les activités humaines est libérée directement dans notre biotope, que ce soit dans les eaux de surface ou dans les très basses couches de la troposphère, là où se manifestent les phénomènes climatiques préoccupants…

La vapeur d’eau constitue un important réservoir de chaleur (chaleur latente de vaporisation) et les nuages s’opposent beaucoup plus efficacement que le CO2 au refroidissement de la Terre par rayonnement (comme en attestent régulièrement les bulletins météo).

Chaleur et vapeur d’eau participent activement à alimenter les courants convectifs, renforçant les déséquilibres thermiques de la planète et la violence des phénomènes météorologiques extrêmes.

 

Références :
https://fr.wikipedia.org/wiki/Biotope
https://www.futura-sciences.com/planete/definitions/environnement-biotope-106/
https://en.wikipedia.org/wiki/Holocene_climatic_optimum
https://www.energieplus-lesite.be/index.php?id=11244#

Voir aussi :
https://lamaisondalzaz.wordpress.com/2011/02/01/lecosysteme/

(Climat & Avenir : 11 janvier 2018)

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Descente dans l’atmosphère terrestre

Imaginons-nous rentrer d’un voyage spatial lointain. Nous sommes à plusieurs centaines de kilomètres de la surface de la Terre. Les instruments scientifiques nous indiquent la présence de molécules de gaz erratiques, les premières traces de l’atmosphère terrestre.

Leur nombre croît au fur et à mesure de notre descente sans que l’on en ressente une manifestation physique. Leur densité est trop faible pour cela.

100 km : Nous rentrons officiellement dans l’atmosphère terrestre. Rien ne change vraiment…

L’on descend encore. L’on croise une aurore boréale en témoin privilégier…
La densité devient plus perceptible au fur et à mesure que la température décroît, jusqu’à marquer un palier.

Vers 80 km, la courbe des températures s’inverse pour s’élever avec la densité atmosphérique, encore ténue.

Une nouvelle inversion thermique annonce l’entrée dans la stratosphère, dans laquelle la densité de l’atmosphère devient significative et croît rapidement avec la descente. Les masses d’air sont organisées en strates homogènes. Cela est particulièrement sensible dans la partie inférieure de la stratosphère où la température est pratiquement constante. Seule la pression atmosphérique varie…

À une dizaine de kilomètres du sol, l’on enregistre une nouvelle inversion thermique. L’atmosphère est beaucoup plus dense, au point que les vents dévient fortement notre navette spatiale. Nous devons même nous dérouter pour éviter une tempête tropicale. Nous sommes secoués comme dans un panier à salade à la frontière de deux masses d’air. Il faut des relevés nombreux pour définir les tendances statistiques, tant les variations de température sont aussi importantes qu’incessantes.

Au sol, l’altimètre barométrique indique 57 m… La pression atmosphérique a changé depuis notre départ. Heureusement que les GPS ont remplacé les instruments de bord de Grand-Papa, nous nous serions écrasés…

1 – Inversions thermiques et couches atmosphériques

Lors de notre descente dans l’atmosphère terrestre nous avons rencontré plusieurs inversions thermiques. Celles-ci ont servi de repère pour décomposer l’atmosphère en différentes couches, suivant que la température y est croissante ou décroissante avec l’altitude.

La première couche que l’on atteint en venant de l’espace lointain est l’Exosphère. Comme il faut bien une exception à toute règle, sa limite inférieure n’est pas due à une inversion thermique, mais à l’altitude fixée conventionnellement à 100 km au-delà de laquelle on considère que commence l’espace. Il faut dire que le gaz atmosphérique y est aussi rare que dans les meilleures machines à vide dans lesquelles on fabrique les composants électroniques…

Y succèdent la Thermosphère et la Mésosphère, séparées, elles, par la première inversion thermique (en venant de l’espace).

Ces trois couches représentent la haute atmosphère, dont la masse représente un millième de la masse totale de l’atmosphère…

Vient ensuite la Stratosphère, couche beaucoup plus dense (20 % de la masse atmosphérique), qui se caractérise par sa structure en strates thermiques stables.

L’on termine par la Troposphère. Cette couche présente la plus faible épaisseur (un peu plus de 10 km) mais la plus forte densité (80 % de la masse atmosphérique). La température y varie régulièrement avec l’altitude suivant un gradient moyen de -6 °C/km (à partir du sol).

2 – La Troposphère ou le règne du déséquilibre

La Troposphère se caractérise donc par sa densité (80 % de la masse d’air pour seulement 10 % du volume). Les collisions intermoléculaires y sont très nombreuses, suffisamment pour donner une cohésion d’entraînement « visqueux » de masses d’air de températures homogènes. Elles se réchauffent au contact du sol. Leur densité diminue. Elles s’élèvent tant qu’elles rencontrent des masses d’air plus denses, qui prennent leur place… Ce mouvement perpétuel forme les courants convectifs.

La structure thermique stable de la Stratosphère interdit l’élévation des masses d’air chaud de la Troposphère, formant une barrière aux courants convectifs. L’air de la Troposphère est alors confiné par la Tropopause (frontière entre la Troposphère et la Stratosphère)… à la façon de l’air d’une serre (mais nous verrons que l’analogie s’arrête là).

La Troposphère n’est en aucun cas une masse d’air en équilibre ! Elle est le siège d’importants courants convectifs entre les zones chaudes de l’équateur et les zones froides des pôles. Ces courants forment une composante tangentielle des transferts thermiques, source des manifestations climatiques comme les tempêtes tropicales ou les tornades, les sécheresses ou des pluies diluviennes…

 3 – Conditions indispensables à la vie

La Troposphère, c’est l’air que nous respirons, mais ce n’est pas que cela. La circulation des masses d’air apporte la pluie qui abreuve la flore et la faune et tempère le climat. Ce rôle modérateur est primordial pour le développement du biotope, pour sa diversité et pour le protéger des perturbations extérieures, comme la couche d’ozone nous protège des dommages des ultra-violets, par exemple. Les déséquilibres thermiques qui caractérisent la Troposphère sont le berceau de la biodiversité que nous devons préserver.

Références :
http://www.meteofrance.fr/prevoir-le-temps/observer-le-temps/parametres-observes/pression
http://www.meteofrance.fr/documents/10192/21101/27465-43.jpg
http://www.meteoslins.be/dossier01.php
http://www.meteo45.com/couches_atmospheriques.html

 

(Climat & Avenir : 4 janvier 2018)

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Le feu sous la glace

1 – David contre Goliath

La Terre possède un second soleil en son centre… Ce rapprochement imagé souligne la similitude de la température du noyau terrestre (plus de 5 000 °C) avec celle de notre étoile. Notre planète n’est pas un caillou froid. Cela fait quelque 4,5 milliards d’années qu’elle se refroidit…

Mais alors, où passe cette chaleur ?
Le flux thermique terrestre moyen est d’environ 90 mW/m2
Cela paraît bien insignifiant au regard des 340 W/m2 du rayonnement solaire moyen.

1 pour 3 750 ! On ne joue pas dans la même catégorie. C’est un peu comme si l’on comparait le rayonnement reçu du Soleil à celui de la Voie Lactée. C’est bien inférieur à la précision des mesures. Alors pourquoi s’en préoccuper ?

2 – Une énergie contrainte

À la différence du rayonnement céleste, l’activité tellurique se manifeste concrètement sous des formes spectaculaires : sources chaudes ; geysers ; tectonique des plaques avec son lot de manifestations destructrices comme les tremblements de terre ou les tsunamis.

Les éruptions volcaniques majeures, telles celles du Smalas, en 1257 ou du Tambora, en 1815, ont fortement perturbé le climat. Or, l’activité volcanique représente une part marginale de l’énergie tellurique.

Comme nous l’avons vu dans un article précédent, sur la géothermie de surface, l’énergie solaire réchauffe le sol sur une profondeur décroissante de l’équateur aux pôles. Cette élévation de la température de surface provoque une barrière thermique qui s’oppose au flux tellurique.

De la même façon qu’un barrage ne peut empêcher une rivière de couler, la chaleur tellurique exploitera les failles du barrage, le contournera ou le débordera…

Comme la barrière thermique due au rayonnement solaire est la plus faible aux pôles, les régions polaires sont des portes de sortie naturelles pour le flux tellurique. Les calottes glaciaires s’opposent temporairement à la dissipation spatiale de l’énergie tellurique. Mais, comme les glaçons que l’on met sans un soda finissent par fondre, il est intéressant de voir combien de glaçons le « soda terrestre » peut faire fondre…

Cela se chiffre en milliers de gigatonnes par an : 4 450 GT/an, pour être plus précis. De quoi faire monter les océans de 11,5 mm/an, soit moitié plus que l’élévation moyenne des eaux enregistrée durant l’Holocène…

3 – Amorce d’un scénario

Aussi modeste que soit l’énergie tellurique, comparée au rayonnement solaire, elle apparaît de nature à jouer un rôle important sur le climat.

Le scénario reste à affiner, mais comment expliquer le fonctionnement de la machinerie thermique terrestre sans évacuer la chaleur vers l’espace, si ce n’est en considérant les glaciers et les régions froides comme les portes de sortie ?

Le fond des océans contribue également à la dissipation de la chaleur des entrailles de la Terre. La barrière thermique des eaux de surface oriente le flux thermique vers les eaux froides des régions polaires, participant à l’érosion des frontières glaciaires. Plus les calottes glaciaires sont importantes, plus elles fondent sous les effets du flux tellurique (et plus la hausse du niveau des océans est importante). Quand elles reculent, une plus grande partie du flux tellurique transite alors par les eaux froides dans l’atmosphère et vers l’espace…

Le scénario est compatible avec le rapprochement que la paléoclimatologie a opéré avec la théorie de Milankovitch sur la correspondance des cycles de glaciations et de réchauffements avec les variations de l’orbite terrestre et de l’inclinaison de son axe.

Les flux de chaleurs telluriques ouvrent la voie à un scénario de libération de la Terre de la gangue de glace qui la recouvre tous les cent à cent vingt mille ans. Ils peuvent expliquer la dissymétrie récurrente entre les périodes de refroidissement et de réchauffement, dans un rapport de 1 à 10. Cela suggère un bras de fer entre deux actions opposées, que les variations de l’orbite terrestre peuvent faire basculer d’un côté ou d’un autre…

4 – Comprendre les déséquilibres thermiques

L’objectif de cet article n’est ni de proposer un scénario expliquant l’histoire climatique de notre planète ni de disculper la responsabilité de l’Homme sur l’accélération du réchauffement climatique, au contraire.

Nous ne pouvons rien en ce qui concerne les variations de l’orbite terrestre ni dans l’interaction entre la chaudière terrestre et les glaciers, qui sont sa porte de libération naturelle, mais nous pouvons, nous devons éviter d’accélérer ce réchauffement.

La fonte de la glace ne modifie pas la température de surface (c’est en cela qu’elle joue un rôle de régulation thermique qui rend la planète vivable). Or, la question du réchauffement climatique vient de l’élévation des température des couches basses de l’atmosphère et des eaux de surface, ce qui concerne l’Homme.

Le propos de cet article est d’attirer l’attention sur les phénomènes qui affectent directement notre biotope et, en particulier, l’importance des déséquilibres…

Il importe d’intégrer qu’il n’existe pas d’équilibre thermique. C’est juste une facilité de calculs, un cas d’école, d’une vision spatiale de la Terre. Mais, tout ce qui fait notre quotidien, la pluie et le beau temps, vient de déséquilibres thermiques au sein de notre biotope.

L’Homme appartient à ce biotope. Il en est acteur. Et en cela, il modifie ces déséquilibres. Mieux comprendre la nature et les effets de ces déséquilibres est essentiel pour agir dans le respect du climat, du biotope et, finalement, de l’Homme lui-même.

Références :
http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/chaleur-Terre-geothermie.xml
http://www.laradioactivite.com/site/pages/ChaleurTerre.htm

(Climat & Avenir : 14 décembre 2017)

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Géothermie profonde (ou tellurique)

1 – Un soleil au centre de la Terre

Notre planète s’est formée il y a plus de quatre milliards d’années, par agrégations de poussières célestes, pour former une boule incandescente, à côté de laquelle la lave de nos volcans fait pâle figure.

Cela fait un peu plus de quatre milliards d’années qu’elle se refroidit pour former aujourd’hui un manteau terrestre dont la température moyenne est d’environ dix-huit degrés Celsius. Mais il règne une température de plus de cinq mille degrés en son centre. Pratiquement celle des rayons du Soleil…

La Terre n’est donc pas un caillou inerte. Les sources d’eau chaude, les geysers d’Islande, l’activité volcanique, la tectonique des plaques avec son lot de tremblements de Terre et de tsunamis sont là pour en témoigner.

Plus près de nous, les grottes et les caves offrent une température douce et constante favorable à la culture des champignons et à la conservation des vins… Plus on s’enfonce sous terre et plus la température augmente (environ 30 °C/km).

Cette chaleur tellurique est bien connue des mineurs de fond… Elle est issue des entrailles de la Terre et non du rayonnement solaire, comme pour la géothermie de surface !

Cependant, on trouve couramment dans la littérature spécialisée une confusion dans la définition de l’énergie tellurique pour désigner les phénomènes d’absorption et de restitution du rayonnement solaire par les sols, qui ne concernent qu’une faible épaisseur (quelques dix à vingt mètres en moyenne). Il s’agit d’un abus de langage dommageable pour la bonne compréhension des phénomènes en jeu.

Pour faire référence à la « chaudière thermique » terrestre (tellurique), nous parlerons de géothermie profonde.

 

2 – Modes d’exploitation

Le premier mode d’exploitation de cette source d’énergie thermique, le plus ancien aussi, sont les habitations troglodytes creusées dans la roche par nos aïeux.

Plus proche de nous, la Maison de la Radio à Paris est chauffée par l’exploitation d’une source chaude captée à quelque quarante-cinq mètres de profondeur

Mais, si l’on fore des puits plus profonds, l’on atteint des roches très chaudes, dans lesquelles l’on peut injecter de l’eau sous pression pour faire tourner des turbines grâce à la vapeur produite.

Contrairement à la géothermie solaire (de surface) il est possible de produire de l’électricité par l’exploitation de la géothermie tellurique (profonde). Il existe des usines thermoélectriques en Islande et des projets sont à l’étude le long de la Ceinture de Feu, là où l’épaisseur du manteau terrestre est plus faible…

 

3 – Conséquences sur le climat

Les éruptions volcaniques massives ont marqué l’histoire climatique de la planète et de son biotope.

Moins spectaculaire et catastrophique, l’exploitation de la géothermie tellurique conduit à modifier l’équilibre thermique de la Terre en ouvrant des vannes de sa chaudière interne dans notre atmosphère…

Certes, cette énergie est « renouvelable », mais est-ce pour autant neutre pour le climat et notre biotope ?

Références :
https://www.notre-planete.info/ecologie/energie/geothermie.php
http://www.geothermie-perspectives.fr/article/terre-reservoir-energetique-inepuisable

(Climat & Avenir : 7 décembre 2017)

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Géothermie de surface

 

Géothermie de surface ou géothermie solaire.

Avant de voir comment exploiter cette ressource énergétique gratuite, il convient de préciser ce que l’on entend par géothermie de surface pour ne pas la confondre avec la géothermie profonde, que nous aborderons dans un prochain article.

1 – Une source solaire

La géothermie de surface est une énergie d’origine solaire.

Pendant la journée le sol absorbe une partie du rayonnement solaire, ce qui a pour effet d’élever la température de surface. À son tour, la Terre se refroidit par rayonnement infrarouge vers l’espace, en fonction de la température du sol.

La rotation de la Terre sur elle-même crée une alternance quotidienne de périodes de réchauffement et de refroidissement, qui limite le réchauffement du sol sur une faible profondeur : quinze à vingt mètres en moyenne, plus à l’équateur et nulle aux pôles.

Le rayonnement terrestre sera plus intense à l’équateur qu’aux pôles, plus important le jour que la nuit (question d’inertie thermique). Mais c’est la nuit que la Terre se refroidit le plus, son rayonnement n’étant pas surpassé par celui provenant du Soleil.

L’inclinaison de la Terre sur son axe procure une alternance de fortes et de faibles expositions saisonnières au soleil, d’autant plus prononcées que la latitude est élevée. Là, pas moyen d’orienter le sol face au soleil, comme pour certaines installations photovoltaïques. L’on est strictement tributaire de sa localisation géographique…

Alors que globalement l’équilibre thermique est respecté (interaction spatiale entre la planète avec son étoile), l’inertie thermique des sols induit un déséquilibre permanent au sein du biotope.

Les techniques géothermiques mettent à profit l’inertie thermique du sol pour puiser la chaleur emmagasinée à faible profondeur durant la journée. Celle-ci dépend localement de facteurs comme la nature du sol, l’avancement de la journée, de la saison, de la latitude, de l’orientation cardinale…

Quelle que soit la saison, le rayonnement terrestre conduit à des températures du sol trop basses pour faire fonctionner un générateur thermoélectrique, mais l’on peut récupérer la chaleur contenue dans le sol pour chauffer les habitats…

Malheureusement, l’énergie solaire absorbée est beaucoup moins importante l’hiver que l’été, tant par l’intensité du flux solaire que par sa durée. Et c’est pourtant l’hiver où l’on a le plus besoin de chaleur…

 

2 – Comment exploiter cette ressource thermique ?

Deux grandes techniques sont utilisées.

La plus ancienne est le puits provençal (ou son équivalent canadien). Il consiste à puiser la chaleur du sol par un réseau de canalisations, dans lequel l’air circule par convection naturelle, pour tempérer les habitations : les réchauffer l’hiver et les rafraîchir l’hiver. Ce procédé statique ne consomme aucune énergie pour fonctionner. L’apport calorique est appréciable, mais il ne suffit pas à fournir un confort thermique en hiver. Toutefois, il réduira notablement les besoins de chauffage d’appoint.

La seconde consiste à coupler une pompe à chaleur à un réseau de captage, semblable dans le principe au puits provençal. Celle-ci permet d’atteindre la température souhaitée.

L’attrait de la pompe à chaleur est sa consommation d’énergie environ 3 fois plus faible qu’un convecteur électrique, pour la même température d’usage…

Toutefois, le bilan énergétique est moins intéressant qu’il paraît. Sauf (rare) exception, la pompe à chaleur est alimentée par le réseau électrique. Que ce soit les centrales thermiques ou nucléaires le rendement des générateurs électriques est au mieux de l’ordre de 30 à 35 %…

La pompe à chaleur ne fait que récupérer plus ou moins l’énergie perdue en amont pour la faire fonctionner…

On a donc une chaîne énergétique complexe [centrale électrique + captage géothermique + pompe à chaleur] qui présente un bilan énergétique similaire à celui d’une simple chaudière à condensation…

La fiscalité différente entre le kilowatt-heure électrique et son équivalent en carburant (fuel ou gaz) et les aides de l’État en faveur de certaines solutions technologiques innovantes conduisent à un bilan financier différent…

L’utilisation de ces leviers incitatifs conduit souvent à des choix individuels qui ne correspondent pas à une optimisation du bilan énergétique global. Elle occasionne des dépenses d’investissement, sans réel gain énergétique en retour, qui seraient mieux employées ailleurs.

(Climat & Avenir : 30 novembre 2017)

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Quelle énergie renouvelable choisir ?

1 – Stations isolées

Dans l’article précédent nous avons vu que les énergies se caractérisent par la structure de leur disponibilité, que celles-ci soient classiques (centrales thermiques ou nucléaires) ou renouvelables (photovoltaïque ou éolienne).

Le principal inconvénient de l’éolien est l’inconstance du vent et la difficulté à le maîtriser, qui nécessite un certain savoir-faire. Il est plus facile de conduire un canot à moteur qu’un voilier. Ainsi, les navires à vapeur ont rapidement remplacé les grands voiliers…

Pour une installation isolée, l’usage de la technologie éolienne doit répondre à ces Inconvénients par :

  • des moyens de stockage pour pallier aux périodes de carence, au-delà des besoins quotidiens (batterie, en cas de production d’électricité, ou bacs d’abreuvage en cas de puisage d’eau)
  • le surdimensionnement de l’installation éolienne pour capter les vents les plus faibles.

Au contraire, le photovoltaïque brille par sa prédictibilité. L’on sait dire de quelle énergie l’on disposera le 26 mars 2057 à Paris comme à Singapour, par exemple… Il est donc facile de dimensionner une installation isolée dont on connaît les besoins énergétiques.

Le photovoltaïque a été développé pour les besoins des satellites opérationnels, comme les satellites scientifiques d’observation de la Terre ou de télécommunication en orbites stationnaires. Cette technologie permettait de les rendre autonomes, en réduisant considérablement la taille des batteries nécessaires à la durée des zones d’ombre (quelques dizaines de minutes) auxquelles ils sont soumis…

C’est tout naturellement que l’on a transposé cette technologie à des installations terrestres isolées. Là, le besoin de stockage est dicté par la nuit la plus longue. Il suffit alors de disposer les panneaux solaires en nombre suffisant pour recharger les batteries en plus de l’alimentation directe.

Contrairement à ce qui se passe dans l’espace, les installations photovoltaïques terrestres sont tributaires de la latitude à laquelle elles se trouvent. Si l’on peut réduire cet inconvénient en orientant les panneaux constamment en direction du soleil, l’on ne peut rien faire pour modifier la durée du jour…

Prenons un petit exemple pour illustrer cela en prenant pour hypothèse une consommation constante le jour comme la nuit, comme une station météo isolée ou une antenne relais…

À l’équateur, où l’on a 12 heures de nuit et 12 heures de jour, il faudra 1 panneau destiné au stockage de l’énergie pour les besoins nocturnes pour 1 panneau destiné à couvrir les besoins diurnes.

La même installation à Paris, où la nuit la plus longue est pratiquement deux fois plus importante que le jour, il faudra 2 panneaux pour le stockage pour 1 panneau d’alimentation directe. Soit 3 panneaux, là où 2 étaient nécessaires à l’équateur. Il faudra également 2 unités de stockage là ou une seule suffisait…

Plus on s’approchera du cercle polaire, plus la technologie solaire photovoltaïque sera pénalisée du fait de la latitude élevée. Tandis que celle-ci n’a pas d’influence sur le vent…

En conclusion partielle, pour les installations isolées aux besoins énergétiques constants, la technologie photovoltaïque est plutôt mieux adaptée que l’éolienne pour les régions où l’ensoleillement est suffisant. Ce qui est le cas pour la plupart des régions habitées.

2 – Répartition en réseau

Peut-on extrapoler la conclusion sur les installations isolées aux besoins mondiaux ?

Par nature, les installations isolées ne représentent qu’une part marginale de la consommation énergétique.

Que ce soit pour des usages isolés ou pour une production de masse, la structure de l’énergie photovoltaïque conduit à la même logique de dimensionnement des unités de production, par une duplication des stations isolées, au prorata des besoins. Comme il fait nuit en permanence sur la moitié du globe, il faut nécessairement une capacité de stockage au moins égale aux besoins correspondants à la nuit la plus longue…

Plus les pays se trouvent à des latitudes élevées (comme c’est le cas pour la majorité des pays « développés », comme l’Europe) et plus la situation structurelle du photovoltaïque est pénalisante :

  • le parc de production à installer représente 2 à 3 fois la puissance nominale demandée ;
  • les besoins de stockage quotidiens dépassent les ressources disponibles connues…

Dans ce contexte, la situation de la technologie éolienne est bien plus confortable. Contrairement au niveau local où le vent peut venir à manquer ou souffler trop fort, il y a toujours un vent exploitable pas trop loin, l’été comme l’hiver, la nuit comme le jour, quelle que soit la latitude où l’on se trouve…

La péréquation obtenue par la mise en réseau des sites de production d’électricité éolienne présente trois avantages déterminants :

  • elle lisse les variations locales de vent et conduit à l’installation d’un parc éolien proche de la puissance nominale (consommation) ;
  • le parc de production d’ajustement est réduit à une fraction de la puissance nominale ;
  • le lissage de la production éolienne rend inutile le recours à des moyens de stockage (quitte à arrêter une partie des éoliennes d’un site en cas de surproduction).

 

Conclusion

Pour une production de masse, l’éolien jouit d’un fort effet de synergie par la mise en réseau au niveau régional, et supranational (Europe) a fortiori, se rapprochant de la souplesse des centrales thermiques…

Le photovoltaïque ne bénéficie d’aucun gain d’échelle et devrait être réservé à des applications isolées

(Climat & Avenir : 24 novembre 2017)

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Adéquation des énergies renouvelables

L’avenir est dans les énergies renouvelables. Depuis le protocole de Kyoto, la France s’est engagée dans des objectifs de production d’électricité à partir d’énergies renouvelables. Les différents accords internationaux sur le climat ont renforcé cette intention.

Récemment, le ministre de la Transition écologique et solidaire a manifesté son désir de voir le parc automobile converti à l’électrique à l’horizon 2040…

Cette déclaration d’intention pose question, en ce sens que changer le mode énergétique dans le transport ne fait que déplacer le problème sans apporter de réponses sur la production de cette électricité. En d’autres termes, la vraie question de la transition énergétique, c’est comment produire l’énergie dont nous aurons besoin d’ici la fin du siècle sans impacter le climat, et non nous perdre en discussions sur la façon de la consommer.

Pour envisager la suppression à terme des énergies fossiles (centrales thermiques) et la diminution de la part du nucléaire, il faut s’assurer que le développement des énergies renouvelables soit structurellement en adéquation avec les besoins…

L’électricité a deux inconvénients majeurs : il faut la fabriquer et elle ne se stocke pas (ou très difficilement). À partir de là, on doit envisager une production en flux tendu. C’est-à-dire produire à chaque instant l’électricité correspondant à ce que l’on consomme. Sinon c’est le risque de black-out ou de coupures préventives.

Regardons les profils types de consommation sur une journée et une année et comparons-les aux caractéristiques de production des centrales actuelles (thermiques et nucléaires) et des énergies renouvelables (photovoltaïque et éolien).

Pour la commodité de l’exposé nous nous concentrerons sur la typologie de ces profils, sans prétendre à leur exactitude ni à leur variabilité dans le temps et dans l’espace national.

D’une journée à l’autre, d’une région à l’autre, les variations peuvent être sensiblement différentes, sollicitant réactivité dans la production et souplesse dans le réseau de distribution.

Pour répondre à la demande, la plupart des pays utilisent des centrales thermiques brûlant des carburants d’origines fossiles (houille, charbon, pétrole ou gaz) pour produire de l’électricité.

Les centrales thermiques permettent d’ajuster quasi instantanément la production à la consommation. Il suffit de moduler la « manette des gaz » comme on le fait sur scooter…

Suite à la crise pétrolière de 1973, la France a développé un important parc nucléaire qui assure les trois quarts de la production d’électricité. C’est un quasi-plafond, car cette technologie est trop peu modulable pour s’adapter aux variations de la demande.

Il faut donc une autre source de production d’électricité utilisée comme variable d’ajustement, comme le réseau hydraulique des barrages (énergie renouvelable, mais dont les sites sont déjà exploités) ou le photovoltaïque (dont le développement est encouragé par EDF auprès des particuliers).

L’avantage du photovoltaïque est d’être parfaitement prédictible. En effet les cellules solaires captent le rayonnement ultraviolet du soleil, qui n’est pas arrêté par les nuages. Elles produisent donc de l’électricité même par ciel couvert.

Par contre, elles ne fonctionnent pas la nuit et la production présente une forte dissymétrie saisonnière (beaucoup plus faible l’hiver que l’été, alors que les besoins sont à leur maximum). Cela en fait une source d’appoint pour le nucléaire (supplément de production aux heures de pointe de la journée) mais, structurellement, elle ne peut être une source autonome de flux tendu.

Il n’est pas non plus possible d’envisager une péréquation avec les pays voisins, la moitié du globe étant à tout moment dans l’obscurité.

L’on peut même prédire qu’à midi à Tahiti, le jour de Noël, plus de 95 % de la population mondiale sera dans le noir.

Le vent est la composante mécanique de l’énergie solaire. Il est la résultante de la différence de densité des masses d’air se trouvant à l’équateur et celles se trouvant aux pôles.

C’est une énergie capricieuse. Localement, le vent souffle parfois trop peu ou trop fort pour être exploité tous les jours. Mais, quand il n’y en a pas ici, il y en a à côté. Une péréquation est possible au plan régional.

Il y a du vent jour et nuit, partout dans le monde, à toutes les latitudes, toute l’année, été comme hiver (un peu plus l’hiver que l’été… ce qui correspond au profil de la demande). Cette énergie répond au mieux à la fourniture d’énergie en flux tendu pour répondre aux besoins à quelque heure de la journée et tout au long de l’année…

C’est structurellement l’énergie renouvelable la plus appropriée pour assurer l’autonomie énergétique et la neutralité climatique de la planète.

(Climat & Avenir : 16 novembre 2017)

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Heure d’hiver… Quelle économie d’énergie ?

Deux fois par an nous devons tantôt avancer nos horloges d’une heure, tantôt les reculer de l’heure que nous avions gagnée… Pourquoi un tel ramdam ? Cela fait plus de quarante ans que cela dure, que cela perturbe les organismes et les organisations…

L’idée de base est née du constat que notre organisation sociale était en décalage avec le cycle du soleil. Les journées étaient déséquilibrées, débordant largement après le coucher du soleil.

Si l’on prend une journée type, avec un lever à 7 h et un coucher à 22 h 30 (quand le film du soir ne dure pas deux heures), cela donne une journée de veille de 15 h 30. Or, à part au solstice d’été, l’éclairement naturel en France est inférieur à notre besoin de lumière.

Avec l’heure officielle de l’époque calée à GMT+1 (notre heure d’hiver aujourd’hui) il apparaissait que nous étions en retard d’une bonne heure sur le soleil en début d’été (en fait, près de deux heures pour les bureaux et les commerces). Avancer l’heure officielle d’une heure permettait de récupérer une heure d’éclairage gratuite, d’où une économie d’énergie…
C’est le passage à GMT+2.

Oh ! Cette économie porte sur quelques mois, entre le milieu du printemps et le milieu de l’été. L’hiver la lumière naturelle est bien plus courte et, comme pour une couverture, ce que l’on gagne d’un côté se perd de l’autre.

Revenir à GMT+1 en hiver n’apporte aucun gain d’énergie par rapport à rester à GMT+2, comme en été.

Si l’on regarde de plus près ce que touche le changement d’heure au sein de la journée d’activité et non globalement, l’on constate qu’en période « hivernale » la tombée de l’obscurité touche principalement les activités libres, celles que l’on pratique après le bureau et avant le dîner. Cela concerne notamment les activités périscolaires et les déplacements des enfants pour se rendre à ces activités et en revenir.

Outre que le bilan énergétique global peut être affecté par le développement de ce temps libre (passage de la durée légale du travail de 40 à 35h – une heure quotidienne de moins de boulot pour une heure d’activité libre), il y a une question de confort et surtout de sécurité qu’il importe de prendre en considération…

Alors pourquoi continuons-nous à changer d’heure deux fois par an ?

En réaction au choc pétrolier de 73 les pouvoirs publics devaient donner corps au slogan : « Nous n’avons pas de pétrole, mais nous avons des idées ! » Or, des idées, nous n’en avions pas tant que ça. Alors, il fallait les faire durer.
Si l’État avait décrété que l’heure officielle en France serait une fois pour toutes calée à GMT+2 (été comme hiver), qui se souviendrait de cette mesure aujourd’hui ?
Tandis que d’instaurer un rituel en ramenant l’heure officielle, chaque hiver, à ce qu’elle était initialement glorifiait l’action de l’État par un message subliminal implicite : nous vous demandons des efforts pour la bonne cause…

Il est peut-être temps de mettre fin à ces contraintes fastidieuses et inutiles et de choisir une heure unifiée pérenne, qui optimise l’utilisation de la clarté naturelle, notamment pour les activités diverses et périscolaires…

Et pourquoi pas à aller au bout de la logique, en adoptant un calage horaire à GMT + 2 h 30 ?

(Climat & Avenir : 28 octobre 2017)

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