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Pour pouvoir comprendre l’aspect technique du management de l’énergie, il convient d’expliquer quelques notions de base de la physique. Un responsable de l’énergie doit pouvoir comprendre et différencier ces notions, afin de pouvoir par la suite appréhender et évaluer les bénéfices de mesures énergétiques.
2.4.1 Force
Presque tout, dans notre quotidien, nécessite une forme quelconque de force, que ce soit pour ouvrir la porte, pour monter les escaliers ou pour porter l’ordinateur portable dans sa housse. En mécanique classique, on écrit:
Force = Masse multipliée par accélération
Dans notre quotidien, nous sommes familiarisés avec cette définition mécanique de la force. Lorsque nous nous asseyons dans une voiture et accélérons, cela nous pousse dans notre siège. Dès que la voiture roule à une vitesse constante, nous ne sentons plus cette force, l’accélération est égale à zéro, donc la force également. Mais si la voiture freine, nous sommes poussés contre la ceinture de sécurité et ressentons la force de freinage. Il s’agit en fait d’une accélération, mais en sens inverse. En termes physiques, on parle toujours d’accélération lorsque la vitesse varie, c’est-à-dire augmente ou diminue. En outre, toute chose possède une vitesse dès lors qu’elle change de lieu. La distance l entre deux lieux peut être mesurée en mètres (m). Si l’on veut connaître le temps nécessaire pour parcourir une distance d’un lieu à un autre, il faut mesurer le temps t, mesuré par exemple en secondes (s). La vitesse exprime ainsi la rapidité avec laquelle un objet change de lieu:
Vitesse = Distance entre un lieu et un autre par unité de temps
De façon analogue, l’accélération nous informe de la rapidité avec laquelle la vitesse varie:
Accélération = Variation de la vitesse
Dans la nature et dans la technique, les forces interviennent sous de multiples formes, qu’il s’agisse de la gravité, du frottement, de la force électromagnétique ou d’une tout autre forme. Elles sont calculées de façon différente mais sont toujours mesurées en newtons (N). Par conséquent, les forces peuvent être additionnées entre elles, soustraites et comparées.
2.4.2 Energie et travail
L’énergie est la clé de la vie. C’est pourquoi il est important de connaître la signification physique de cette notion. La notion d’énergie est étroitement liée à la notion de travail.
Lorsque nous faisons du vélo, nous savons que cela nécessite de l’énergie ou que nous devons fournir du travail pour, par exemple, parcourir le bord du lac de Zurich jusqu’à Rapperswil. Tout d’abord, nous devons accélérer, et pour cela nous avons besoin de force pour pédaler, ce qui nous permet de parcourir une certaine distance. Ensuite, pour ne pas ralentir, nous devons continuer à apporter de la force, c’est-à-dire continuer de pédaler jusqu’à Rapperswil. Ainsi, lorsque nous travaillons sur le vélo, nous apportons de la force pour le pédalage, ce qui permet de faire tourner les roues et de parcourir une certaine distance. Cette force permet de surmonter le frottement qui, sinon, nous freinerait. À l’inverse, il est impossible de pédaler sans parcourir aucune distance. On peut donc établir que:
Travail = Force multipliée par distance
Unité: Joule J = N · m = Nm
Il est néanmoins possible de dévaler une pente sans pédaler. Nous parcourons alors une distance sans devoir apporter de la force. Avec la définition du travail, nous comprenons facilement que nous ne travaillons pas, ce qui coïncide naturellement avec notre expérience.
Pour faciliter notre trajet de Zurich à Rapperswil, nous pouvons également utiliser un vélo électrique. Nous avons alors besoin de travailler moins, car le moteur électrique fournit le reste du travail. Pour que le moteur électrique puisse travailler, il a besoin d’énergie électrique qu’il tire d’une batterie. Lorsque la batterie est vide, le moteur cesse de travailler. Pour résumer: sans énergie, pas de travail.
En termes physiques, l’énergie est appelée « capacité de travail ». En tant que notion physique, le travail peut être compris comme le bénéfice de l’énergie. À l’inverse, l’énergie est un travail « stocké » ou « potentiel ». Un certain travail consomme toujours une quantité correspondante d’énergie. L’unité et la valeur sont identiques, à condition qu’il n’y ait aucun effet secondaire inopportun, ce qui n’est jamais le cas dans la réalité. Si l’on apporte 100 joules de travail, on a besoin pour cela de 100 joules d’énergie. Dans le monde réel, les 100 joules d’énergie correspondent à l’apport énergétique minimal théorique.
Afin que la batterie puisse à nouveau fournir de l’énergie, elle doit tout d’abord être rechargée. En d’autres termes, elle absorbe de l’énergie électrique via un câble réseau et la stocke, afin de pouvoir à son tour la céder ultérieurement. Nous-mêmes, après avoir effectué un travail, avons faim et avons besoin d’énergie nouvelle que nous absorbons sous forme de nourriture et stockons pour une utilisation ultérieure. L’énergie apportée est chimiquement liée dans la batterie comme dans notre corps.
Que devient à présent l’énergie que nous consommons lors d’un trajet en vélo? Avec l’énergie nécessaire au début du trajet pour l’accélération, c’est assez clair: à la fin du trajet, elle permet de faire chauffer les disques de frein. Ceux-ci chauffent lors du freinage. Le reste de l’énergie permet également de chauffer l’environnement (le frottement génère de la chaleur), de sorte que théoriquement, les habitants situés à proximité de la piste cyclable peuvent jouir de températures de l’air légèrement supérieures. Néanmoins, cette augmentation de température est si faible que personne ne la ressent, et ne songe à nous en remercier.
À présent, nous pouvons entrevoir des rapports tout à fait fondamentaux et essentiels. L’énergie peut apparaître sous différentes formes (travail mécanique, chaleur, énergie chimiquement liée, énergie électrique etc.). Elle doit venir de quelque part, et est transformée en une autre forme d’énergie. Généralement, l’énergie a tendance à se transformer en chaleur, qui elle-même tend à se « diffuser », par exemple la chaleur issue du frottement. L’apport de chaleur entraîne une augmentation de la température. Néanmoins, lorsque la diffusion de l’énergie ou de la chaleur est si importante que l’augmentation de température n’est que très faible, cette énergie ne sert plus à rien. On dit qu’elle est perdue, bien qu’elle soit toujours présente, car elle n’est plus perceptible et n’est donc plus utilisable. Dans cette optique, on peut différencier les formes d’énergie utiles et les formes d’énergie inutiles. Tant que nous pouvons tirer profit d’une forme d’énergie, celle-ci nous est utile et nous sommes prêts à payer pour cela. Par exemple, nous achetons du pétrole ou du gaz naturel pour chauffer notre maison, et payons pour l’énergie électrique qui fait fonctionner tous nos appareils électriques. Ensuite, nous transformons cette précieuse énergie en chaleur, qui se diffuse jusqu’à perdre totalement son utilité. L’énergie est encore là, mais elle nous est devenue inutile. Cette « déperdition d’énergie » par diffusion de chaleur est appelée dissipation.
Ces rapports sont définis comme suit dans la première loi fondamentale de la thermodynamique, qui s’applique à un cas stationnaire de cette manière:
La somme de toute l’énergie apportée et retirée à un système est nulle.
On admet donc que l’énergie ne peut pas être consommée, mais seulement transformée. Il paraît donc impossible (et apparemment insensé) d’économiser de l’énergie. Pourtant, nous savons que ce que l’on appelle la consommation d’énergie représente l’un des plus grands problèmes de l’humanité. Nous sommes confrontés à ce problème lorsque nous prenons conscience que nous transformons de plus en plus de formes d’énergie utiles en rejets thermiques inutilisables.
Le principe fondamental ci-dessus peut également s’écrire comme suit:
L’énergie peut être transformée d’une forme en une autre, mais n’est jamais perdue.
L’unité de mesure de l’énergie est le joule (J), un joule étant la quantité d’énergie nécessaire pour parcourir 1 mètre avec la force d’un newton: 1 joule = 1 newton · mètre (1 J = 1 N · m). Un joule correspond donc à une très faible quantité d’énergie, c’est pourquoi on utilise la plupart de temps le kilojoule (kJ) (correspondant à 1000 joules) ou le mégajoule (MJ), qui correspond à 1 million de joules.
Une autre grandeur fréquente et pratique permettant de mesurer l’énergie est le kilowattheure, en abrégé kWh. Nous connaissons le kilowattheure car il figure sur notre facture d’électricité. Sur celle-ci, le mot « électricité » est toutefois inapproprié: en effet, nous ne payons pas l’électricité, mais l’énergie, justement les kilowattheures. Notre facture d’électricité est en réalité une facture d’énergie.
À partir des joules (Ws), on obtient des kilowattheures en effectuant la conversion suivante 1 kWh = 1000 (pour kilo) · 1 W · 3600 s = 3 600 000 Ws (= J) = 3600 kJ = 3,6 MJ (mégajoules), ou en bref:
1 kWh = 3,6 MJ
L’ancienne unité de mesure de l’énergie ou du travail est la calorie. Dans notre quotidien, cette unité est utilisée pour indiquer les calories (cal) contenues dans des aliments. On a:
1 cal = 4,18 J ou 1 kcal = 4,18 kJ
2.4.3 Puissance
Après l’énergie (et le travail), il nous faut désormais introduire la notion de puissance. Comme pour la masse et le poids, on confond souvent puissance et énergie, ou inversement. Il existe bien un rapport, mais les deux notions ne signifient pas la même chose et se différencient sur le plan temporel. La puissance indique à quelle vitesse nous consommons l’énergie ou effectuons un travail. Nous pouvons effectuer un travail rapidement ou lentement, le travail reste le même, mais la puissance change. Nous ne pouvons pas travailler sans fournir de puissance, ou inversement. Reste à savoir si cela nous intéresse de déterminer à quelle vitesse un travail est réalisé ou si l’on préfère déterminer ce qui est réalisé, donc si l’on préfère s’intéresser à la puissance ou au travail/à l’énergie. La puissance est définie comme suit:
Puissance P = Energie E par unité de temps t
Unité: watt = joule par seconde
Un watt est une très faible puissance. Même lorsque nous sommes assis, notre corps transforme quasiment 100 watts qu’il émet sous forme de chaleur. Lorsque nous faisons du vélo, selon la vitesse (et la pente), nous transformons jusqu’à 500 watts. En termes techniques, les puissances sont ainsi indiquées la plupart du temps en kilowatts (1 kW = 1000 W) (similaire à gramme g et kilogramme kg).
Le kilowatt (kW) étant une grandeur « pratique », on utilise souvent cette unité, combinée à une unité de temps, pour désigner l’énergie. L’heure (h) étant l’unité le temps la plus appropriée, on obtient donc le kilowattheure (kWh) pour la mesure de l’énergie.
Une autre unité de puissance, plus démodée, est la puissance en chevaux (ch, 1 ch = 0,736 kW). Cette unité n’est plus utilisée, sauf dans l’automobile.
2.4.4 Rapport entre énergie et puissance
La relation entre énergie et puissance mérite quelques approfondissements et explications à l’aide d’un exemple. Considérons un appareil à raclette et l’horloge d’une cuisinière. L’appareil à raclette possède une puissance de 1000 W = 1 kW. Il est allumé 8 fois par an pendant chaque fois 1 heure et 6 minutes. L’horloge de la cuisinière (une horloge numérique avec affichage à diodes) consomme une puissance de 2 watts. Mais comme elle ne peut pas fonctionner à une tension de 230 V sur la prise de courant, elle requiert une alimentation qui transforme la tension de réseau en basse tension. Celle-ci ne peut être optimisée que de façon coûteuse et possède donc une puissance perdue de 8 watts, de sorte que la cuisinière tire toute l’année plus de 10 watts sur le réseau. Lequel des deux appareils consomme le plus d’énergie?
Appareil à raclette: 8 fois 1 heure 6 minutes égalent 8 fois 1,1 h = 8,8 h
Energie = puissance · temps = 1 kW · 8,8 h 8,8 kWh
Horloge de la cuisinière: fonctionne toute l’année: 365 jours à 24 h égalent 8760 h.
Energie = 10 W · 8760 h = 87 600 Wh = 87,6 kWh
L’horloge de la cuisinière consomme environ 10 fois plus d’énergie, malgré sa faible puissance!
L’unité énergétique qu’est le kilowattheure (kWh) est en effet très pratique. Après conversion en l’unité de base de l’énergie, le joule, on obtient:
8,8 kWh = 8,8 · 1000 W · 3600 s = 31 680 000 J ou 31 680 kJ ou 31,68 MJ.
Etant donné qu’un joule est une très petite unité d’énergie, on réalise généralement directement la conversion en mégajoules (MJ). Le facteur de conversion est de 3,6 MJ/kWh (voir ci-dessus).
Notre facture d’électricité, qui est en fait une facture d’énergie, indique des kilowattheures. Selon le produit (électricité solaire, hydraulique, nucléaire ou autre mix électrique) et la saison, les prix de l’énergie varient. Pour un kilowattheure, nous payons environ CHF 0,15. Un joule coûte ainsi, selon la conversion ci-dessus, CHF 0.000000040. Le joule est donc totalement inapproprié pour la facture. Le mégajoule à CHF 0,040 serait déjà bien plus pratique. Mais nous sommes habitués au kilowattheure, et au vu des chiffres, cela a également du sens.
L’énergie (généralement indiquée en kWh au « quotidien » et également facturée de la sorte) et la puissance (généralement en kW) doivent être considérées de façon strictement séparée. Une puissance élevée ne signifie pas obligatoirement une grande quantité d’énergie, tandis qu’une faible puissance, mais qui reste activée longtemps, peut correspondre à beaucoup d’énergie.
Souvent, un appareil possède une puissance variable, par exemple une photocopieuse qui possède un chauffage puissant, mais qui n’est utilisé que pour le préchauffage. Lors de la copie, la photocopieuse a besoin de puissance pour le transport mécanique du papier et la lumière, tandis qu’en mode veille (dans l’état activé prêt à copier, en attente), elle n’a besoin que d’une faible puissance pour maintenir au chaud le rouleau de fixage. Elle peut même posséder une fonction d’économie d’énergie, dans laquelle le rouleau de fixage est maintenu à une température plus basse, la puissance de veille étant alors encore inférieure (ce mode implique un petit temps d’attente avant la prochaine copie). La puissance de chauffage reste la même, mais la consommation d’énergie peut être considérablement réduite grâce à la fonction d’économie d’énergie, car la majorité des photocopieuses restent en mode veille la plupart du temps. L’indication de puissance sur la plaque signalétique de la photocopieuse ne nous aide pas à calculer sa consommation d’énergie. La consommation d’énergie est la puissance moyenne multipliée par le temps de fonctionnement (ou mathématiquement l’intégrale de la puissance momentanée sur le temps). La puissance moyenne dépend de la consommation de la photocopieuse (usage intensif ou occasionnel, avec utilisation de la touche d’économie d’énergie etc.) et doit être mesurée dans la pratique.
2.4.5 Energie et entropie
Que signifie le principe de conservation de l’énergie dans notre vie? Manifestement, l’énergie ne peut pas être consommée, mais seulement transformée. Il est donc également impossible (et apparemment insensé) d’économiser de l’énergie. Pourtant, nous savons que ce que l’on appelle la consommation d’énergie est l’un des grands problèmes de l’humanité. Il se manifeste très bien au travers de notre périple à vélo au bord du lac de Zurich: l’énergie a tendance à se dissiper. Toute l’énergie est finalement transformée en chaleur, et cette chaleur se dissipe ou baisse en température, jusqu’à ce que l’augmentation de température ne soit plus utilisable. D’une source d’énergie dans laquelle l’énergie est stockée sous une forme concentrée et utilisable, on obtient finalement un rejet thermique diffus et inutilisable. La qualité ou l’ordre diminue, et cette évolution ne peut plus être inversée. Une augmentation de température de moins d’un millionième de degrés Celsius le long de la piste cyclable ne permet plus de fabriquer aucune barre de céréales; le processus est donc irréversible. Il en va de même, par exemple, pour les couleurs: tant qu’elles sont bien ordonnées, elles sont utiles. Mais si on les mélange (le désordre augmente), elles ne peuvent plus être « dé-mélangées », ou alors seulement au prix d’un considérable effort. Visiblement, il existe une forte tendance irréversible au désordre.
Le second principe fondamental de la thermodynamique décrit ces relations de façon simplifiée comme suit:
Le désordre d’un système augmente toujours.
Plutôt que d’économies d’énergie, on devrait donc plutôt parler de maintien de l’ordre.
En thermodynamique, on appelle ce « désordre » entropie. L’entropie (symbole mathématique S) peut uniquement augmenter ou éventuellement rester stable. Les processus sans augmentation de l’entropie pourraient être réversibles, mais n’existent pas dans la pratique. Moins un processus est réversible, plus l’augmentation d’entropie est importante.
La température peut également être considérée comme de l’ordre: plus la température est élevée, plus l’ordre est élevé. Ainsi, on peut dire que:
La chaleur évolue toujours d’une température plus élevée à une température plus basse, jamais l’inverse.
Lorsque l’on chauffe une maison au mazout, on apporte dans cette maison de l’énergie sous une forme concentrée très ordonnée (sous forme de mazout ou d’énergie chimiquement liée). Le mazout est brûlé dans la chaudière, c’est-à-dire transformé en chaleur. Cela génère une flamme qui peut atteindre 1000 à 1300 °C. Dans cet état, l’énergie est encore très concentrée (ce que l’on sentirait à coup sûr si l’on mettait la main dans la flamme). Pour le chauffage avec des radiateurs, la chaleur de la flamme est transmise à de l’eau, qui est chauffé à maximum 50 °C (jadis jusqu’à max. 80 °C). À cette température, on ne risque déjà plus de se brûler la main. Cette eau permet de chauffer la chambre (ou l’air ambiant) à 22 °C, une température perçue comme très confortable. Malheureusement, aucune maison n’est isolée de façon idéale. La chaleur se perd plus ou moins rapidement dans l’environnement. Certes, cela réchauffe l’environnement, mais de façon si infime que même dans les centres urbains (p. ex. à Zurich), l’air extérieur se réchauffe d’environ 1 °C, ce qui permet de diminuer la quantité de neige à évacuer, mais pour le reste, l’augmentation de température n’est pas sensible. La chaleur ambiante, même si elle a très légèrement augmenté, ne permet pas de chauffer la maison voisine, excepté si l’on utilise une astuce technique: la pompe à chaleur. Mais pour cela, une part d’énergie précieuse, à nouveau très ordonnée (sous forme d’électricité ou éventuellement de combustible) doit être apportée.
La principale grandeur, du point de vue de la physique, n’est donc pas l’énergie, mais l’entropie. Moins nous provoquons d’augmentation de l’entropie, moins notre « problème énergétique » est important. Toutes les mesures d’économie d’énergie entraînent finalement une réduction de l’augmentation de l’entropie, sinon elles ne sont pas réellement efficaces. A l’inverse, cela signifie qu’il faut s’efforcer de réduire l’augmentation de l’entropie, en d’autres termes éviter le désordre.
De la même manière, la consommation de matières premières peut être assimilée à une production d’entropie. Soit les matières premières sont dispersées en parties de plus en plus petites dans le monde entier, jusqu’à ne plus pouvoir être exploitées (p. ex. le cuivre, transformé en fils de plus en plus fins et de plus en plus éparpillés), soit elles sont « consommées » en étant transformées en d’autres substances qui ne sont plus utilisables (p. ex. l’utilisation d’engrais). Ces substances sont pourtant encore présentes, mais le « désordre » a fortement augmenté.
Exergie et anergie
Aujourd’hui, on distingue souvent exergie et anergie. L’exergie désigne la part d’une quantité de chaleur pouvant être transformée en énergie mécanique au moyen d’un processus cyclique thermodynamique idéal. On applique alors le rendement de Carnot, qui est d’autant plus élevé que la différence entre la température maximale et la température minimale du système dans le processus cyclique est élevée. L’anergie est alors la partie restante de l’énergie qui, conformément au rendement de Carnot, ne peut pas être transformée. Pour simplifier, on dit souvent que l’exergie est la partie utilisable et l’anergie la partie inutilisable de l’énergie. Tant du point de vue physique que pratique, cette distinction est toutefois douteuse et arbitraire. Elle dépend fortement des conditions en présence (p. ex. justement des températures du système) et du type d’utilisation souhaité de l’énergie. Par exemple, souhaite-t-on chauffer, refroidir ou éclairer? Selon le cas, l’utilité d’une quantité d’énergie donnée est très variable à un niveau de température donné.
Il est bien plus pertinent d’appréhender les notions d’énergie et d’entropie. Cela permet de rechercher des solutions optimales tout en restant toujours juste sur le plan physique.