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Les multiples visages de l'énergie

Physique fondamentale et énergétique

Roger Balian

Académie des Sciences - Service de Physique Théorique, CEA de Saclay

Gabrielle Bonnet

31/08/2002

Résumé

Dossier consacré au concept d'énergie : exposé historique ; principes physiques fondamentaux ; comparaisons des différentes formes d'énergie.


Après un exposé historique de l'élaboration du concept d'énergie, on rappelle dans la perspective des applications les principes physiques fondamentaux associés à ce concept : premier principe et deuxième principe de la thermodynamique, dynamique des processus irréversibles, hiérarchie des interactions élémentaires. On examine leurs conséquences sur les questions d'énergétique en comparant les formes courantes de l'énergie de divers points de vue : concentration, dégradation, transport, stockage, réserves et nuisances. Ces comparaisons s'appuient sur les valeurs caractéristiques des grandeurs en jeu.

Les articles « II - Conséquences énergétiques des principes fondamentaux » et « III - Comparaisons des différentes formes d'énergie » du présent dossier peuvent être abordées indépendamment de l'historique « I - L'élaboration du concept d'énergie ».

Cet exposé introductif a pour but de mettre en évidence l'éclairage apporté par la physique sur les questions énergétiques. En deux siècles, l'énergie a envahi notre vie quotidienne, facilitant les transports, l'industrie, le chauffage ou les multiples usages domestiques de l'électricité. Les problèmes économiques, sanitaires, géopolitiques, technologiques qu'elle pose font la une des journaux. Pourtant, le discours sur l'énergie gagnerait en pertinence s'il s'appuyait mieux sur les données scientifiques qui sous-tendent sa « production » et son emploi, et qui sont trop fréquemment ignorées par les médias ou par les politiciens. Le physicien s'irrite souvent devant des affirmations simplistes en contradiction avec des ordres de grandeur qui devraient être connus de tous. Il est vrai que le concept d'énergie est l'un des plus abstraits et des plus multiformes de la science et qu'il ne date que d'un siècle et demi ; ceci explique sans doute pourquoi l'enseignement n'est pas encore parvenu à rendre familières des notions de physique fondamentale qui sont essentielles à la formation du citoyen, dans un monde où l'énergie est omniprésente.

Comme on le voit en consultant dictionnaires ou encyclopédies, l'énergie ne peut être définie qu'indirectement. Bien qu'elle soit liée aux propriétés de la matière, c'est un objet mathématique abstrait. Nécessaire à une formulation précise du premier principe de la thermodynamique, elle apparaît à l'échelle microscopique comme une grandeur dynamique, ainsi qu'on le verra plus loin (fin de la partie « Energie mécanique »). Il s'agit d'une quantité que l'on peut associer à tout système et qui est fonction des divers paramètres caractérisant l'état de celui-ci à l'instant considéré ; elle dépend en particulier des positions et vitesses des parties du système et de leurs interactions mutuelles. Son caractère essentiel est de rester constante au cours du temps lorsque le système est isolé.

L'assimilation du concept d'énergie suppose une longue familiarisation avec ses divers aspects et avec les phénomènes où il intervient. Bien que l'histoire de son élaboration soit longue et tortueuse, certains épisodes sont éclairants et présentent un intérêt pédagogique. Ils exhibent aussi d'instructives interactions entre sciences et techniques. C'est pourquoi nous en donnons ci-dessous un aperçu ; de nombreux autres aspects biographiques ou anecdotiques intéressants sortent du présent cadre. On consultera avec fruit le monumental Dictionary of scientific biography de C. C. Gillispie (Scribner's, New York, 1981, 16 volumes). Seul l'historique du premier principe est présenté ici avec quelque détail ; pour le deuxième principe, on pourra lire la section 3.4 du livre From microphysics to macrophysics de R. Balian (Ed. Springer Verlag, tome I, 1991 ; édition française en préparation).

Sommaire de l'article « I - L'élaboration du concept d'énergie » :

  • Energie mécanique
  • Premières études sur la chaleur
  • Naissance de la thermodynamique
  • La thermodynamique des processus irréversibles
  • L'apport de la physique statistique
  • L'apport de la mécanique quantique, de la relativité et de la physique des particules

Lire l'article « I - L'élaboration du concept d'énergie ».

L'historique qui précède a mis en évidence quelques uns des apports réciproques de la technologie et de la science dans le domaine de l'énergie. Aujourd'hui, on n'attend plus guère de progrès conceptuels suggérés par l'énergétique, mais à l'inverse celle-ci continuera toujours à reposer sur les données scientifiques. Nous passons ici en revue quatre catégories d'idées sur lesquelles s'appuient toutes les applications pratiques de l'énergie : le premier et le deuxième principe, la thermodynamique hors d'équilibre et la classification issue de la microphysique. Comme tous les autres grands principes de la physique, ces acquis de la science fournissent des contraintes qui limitent les activités humaines.

Sommaire de l'article « II - Conséquences énergétiques des principes fondamentaux » :

  • Premier principe
  • Deuxième principe
  • Principes de la thermodynamique hors équilibre
  • Hiérarchie des énergies

Lire l'article « II - Conséquences énergétiques des principes fondamentaux ».

Nous examinons maintenant les conséquences des principes de la physique sur divers facteurs qui conditionnent l'emploi de l'énergie : concentration, dégradation, transport, stockage, réserves, nuisances. D'importantes différences apparaissent de ces points de vue entre les diverses formes d'énergie, ainsi d'ailleurs qu'en ce qui concerne les facteurs économiques et sociaux que nous laissons de côté (coûts, investissements, besoins mondiaux, etc.).

Sommaire de l'article « III - Comparaisons des différentes formes d'énergie » :

  • Concentration
  • Dégradation
  • Transport
  • Stockage
  • Réserves
  • Nuisances

Lire l'article « III - Comparaisons des différentes formes d'énergie ».

Conclusions

Associées à un concept scientifique déjà difficile à appréhender, les technologies de l'énergie posent des problèmes complexes. Comme on a pu le voir, leurs aspects sont multiples et contradictoires, même si on laisse de côté les questions économiques, sociales et politiques, de sorte qu'une perspective globale est indispensable à toute réflexion. Les énergies manifestent une grande diversité, en ce qui concerne tant leur forme que leur échelle d'intensité. Chacune d'elles présente des avantages et des inconvénients. La multiplicité des sources répond ainsi à une multiplicité des besoins , et il faut se défier de tout simplisme à ce sujet. Bannir le nucléaire conduirait inexorablement à émettre plus de CO2 vers l'atmosphère. Bannir les carburants serait non moins impensable : bien que la France, dont 80% de la production électrique est d'origine nucléaire, 15% d'origine hydraulique, parvienne à se passer presque totalement des carburants pour ses centrales électriques, elle doit faire appel à eux (principalement au pétrole et au gaz) pour 60% de son approvisionnement total en énergie. Nos besoins énergétiques se répartissent en effet en 35% pour le chauffage, 30% pour l'industrie, 25% pour le transport et 10% pour les usages domestiques et tertiaires. Par ailleurs, les énergies renouvelables, même si elles sont trop diluées pour remplacer celles qui sont couramment employées aujourd'hui, présentent des avantages qui justifient leur développement, mais à condition de les mettre en œuvre seulement pour des utilisations auxquelles elles sont adaptées. Enfin, certains besoins spécifiques peuvent appeler des solutions extrêmes : malgré le coût prohibitif de l'énergie qu'elles fournissent, piles et batteries sont irremplaçables pour montres et téléphones portable.

Prendre simultanément en compte les multiples questions énumérées dans la section 3, et les contraintes qu'elles impliquent, impose de peser le pour et le contre de chaque hypothèse. Il importe en effet de prendre conscience des diverses conséquences de chaque décision concevable, y compris celle de ne rien faire, de les comparer et de les hiérarchiser. Il est remarquable que le « principe de précaution », tel qu'il est énoncé dans la loi Barnier sur l'environnement, comporte des réserves : « l'absence de certitudes, compte tenu des connaissances scientifiques et techniques du moment, ne doit pas retarder l'adoption de mesures effectives et proportionnées visant à prévenir un risque de dommages graves et irréversibles à l'environnement à un coût économiquement acceptable  ». Les adjectifs que nous avons soulignés supposent que l'on se soit livré à une évaluation comparative raisonnée des diverses mesures envisageables. Sans ces réserves, souvent méconnues, le principe de précaution peut conduire à des décisions discutables ou même aberrantes. L'abandon par l'Allemagne de l'électronucléaire, qui la conduira inéluctablement soit à émettre plus de CO2 soit à réduire massivement et autoritairement les consommations, est-il rationnel ? Des partisans du développement des énergies renouvelables eux-mêmes en arrivent à s'opposer à tel ou tel projet de barrage ou d'éoliennes en découvrant ses nuisances. Même une mesure d'économie d'énergie peut avoir des conséquences indirectes dommageables : en Hongrie, une campagne du calfeutrage systématique des fenêtres lors du premier choc pétrolier a permis de réaliser des économies sur le chauffage, mais a conduit à une accumulation, dans l'air des appartements, de radon émis par le béton des murs ; de ce fait, la population est soumise chaque hiver à une irradiation supérieure à l'effet des retombées de Tchernobyl. Il semble par ailleurs que le calfeutrage soit, avec l'élévation de la température des appartements, l'une des causes de l'augmentation de 50% en une trentaine d'années des cas d'asthme, observée dans les pays les plus riches.

Toute réflexion sur l'énergie, avec les indispensables comparaisons qu'elle suppose, devrait s'appuyer sur des données chiffrées ou tout au moins sur des ordres de grandeur . Parmi ceux que nous avons passés en revue, certains devraient être gardés en mémoire, comme ceux qui concernent la plus ou moins grande concentration des énergies (section 3.1). On comprend également mieux les enjeux géopolitiques de l'énergie en sachant que la population mondiale est passée en cinquante ans de 2,5 à 6 milliards tandis que la production d'énergie était multipliée par 4, et que la puissance moyenne consommée est actuellement de 5 kW pour un européen, de 11 kW pour un nord-américain, de 1 kW pour un chinois et moins encore pour un africain. Ces chiffres montrent tout l'effort de développement à faire ; ils mettent aussi en évidence l'importance de la maîtrise de l'énergie, car la consommation énergétique ne reflète pas seulement un niveau de vie mais aussi un niveau de gaspillage : dans l'ex-URSS, la consommation par tête a avoisiné celle des Etats-Unis.

Parmi les problèmes de société majeurs dont l'opinion se préoccupe à juste raison, les questions énergétiques sont celles qui nécessitent le plus de faire appel à la science, en particulier à la physique. Celle-ci a un double rôle à jouer. D'une part, même si elle ne peut suffire à résoudre les multiples problèmes qui se posent, elle seule est susceptible de suggérer des solutions technologiques. Nous avons ci-dessus fait allusion à la réduction des rejets de CO2, au stockage de l'énergie, au traitement des déchets nucléaires, à l'amélioration de l'emploi des énergies chimique ou solaire, aux progrès des réacteurs à fission, aux économies d'énergie, à une meilleure exploitation des gisements d'énergie fossile, à la géothermie, aux espoirs en la fusion. Pour toutes ces questions, des recherches fondamentales et appliquées sont cruciales. Il importe en effet de faire face à un défi majeur, celui de satisfaire aux besoins des hommes en énergie à l'échelle mondiale tout en préservant l'avenir de notre planète.

D'autre part, comme nous l'avons vu, une approche scientifique est non seulement utile, mais souvent indispensable pour embrasser les problèmes énergétiques. La science fournit des bases, assez peu intuitives, nécessaires à toute prévision et à tout débat sur l'énergie. Connaître les contraintes imposées par les lois naturelles nous guide, en nous empêchant aussi bien de nous livrer au pessimisme que de pêcher par excès d'optimisme. C'est un objectif primordial pour l'enseignement que de familiariser les élèves avec une culture scientifique qui, de surcroît, est essentielle à leur formation citoyenne . Ils seront ainsi mieux armés pour jauger objectivement les propositions politiques ou économiques et participer aux décisions démocratiques dans ce domaine de l'énergie où fleurissent trop facilement les préjugés simplistes et les mythes.