Une diversité de sources d'énergie utilisables par l'Humanité

Le programme demande explicitement une « analyse critique du vocabulaire d'usage courant : énergie propre, énergie fossile, énergie renouvelable, source d'énergie, ressource énergétique ». Ces mots sont employés tous les jours, dans la presse, la publicité et les discours politiques, souvent de travers. Une section entière leur est consacrée. Ce n'est pas de la pédanterie : quand un mot est faux, le raisonnement qu'il porte l'est généralement aussi.

De nombreuses sources ou flux d'énergie sont directement ou indirectement issus de l'énergie radiative transférée par le Soleil.

Directement : le solaire thermique et le photovoltaïque, qui utilisent le rayonnement tel quel. Indirectement : l'éolien (le Soleil chauffe inégalement l'atmosphère et crée les vents), l'hydraulique (le Soleil évapore l'eau, qui retombe en altitude), la houle (le vent frotte la mer), la biomasse (la photosynthèse), et les combustibles fossiles (la photosynthèse d'un passé lointain).

La Terre absorbe environ $1,2\times 10^{17}$ W d'énergie solaire. L'humanité consomme de l'ordre de $6\times 10^{20}$ J d'énergie primaire par an, soit une puissance moyenne $$P=\frac{6\times 10^{20}}{3,15\times 10^7}\approx 2\times 10^{13}\text{W}=20\text{TW}.$$ Le rapport vaut $1,2\times 10^{17}/2\times 10^{13}=6000$. Autrement dit, la Terre reçoit en $$\frac{3,15\times 10^7}{6000}\approx 5200\text{s}\approx 1\text{h}30$$ ce que l'humanité consomme en une année entière. La ressource n'est donc pas la limite ; la limite est notre capacité à la capter, à la stocker et à la transporter.

On gère un stock : on décide du rythme auquel on l'entame, sachant qu'il n'y en aura pas d'autre. On capte un flux : la seule question est de savoir combien on arrive à en intercepter, et le manque à gagner d'aujourd'hui n'est pas récupérable demain — l'énergie du vent d'hier est perdue à jamais. D'où deux problèmes techniques opposés : le stock pose un problème d'épuisement, le flux pose un problème d'intermittence et de stockage.

On appelle facteur de charge d'une installation le quotient de l'énergie réellement produite en un an par celle qu'elle aurait produite en fonctionnant sans interruption à sa puissance maximale. C'est une grandeur sans unité, qu'on exprime en pourcentage : $$f=\frac{E_{\text{produite}}}{P_{\max }\times 8760\text{h}}.$$ Les ordres de grandeur diffèrent beaucoup d'une filière à l'autre : quelques pour cent seulement pour une centrale de pointe qu'on n'allume qu'aux heures critiques, de l'ordre de $10$ à $15\%$ pour du photovoltaïque sous nos latitudes, de $20$ à $35\%$ pour de l'éolien terrestre, davantage pour l'éolien en mer, et jusqu'à $70$ ou $80\%$ pour une centrale nucléaire ou une grande centrale au charbon exploitée en base.

Ce chiffre dit une chose et une seule : combien l'installation produit par rapport à ce qu'elle pourrait. Il ne dit pas quand. Or c'est le « quand » qui pose le problème, parce que l'électricité ne se stocke pas facilement à grande échelle et que la consommation, elle, ne s'interrompt jamais. Un parc éolien à $30\%$ de facteur de charge ne produit pas $30\%$ du temps de façon régulière : il produit beaucoup certains jours et rien d'autres jours. C'est pourquoi l'intermittence se traite par le stockage (barrages de pompage-turbinage, batteries, hydrogène), par l'interconnexion des réseaux sur de vastes territoires, et par des moyens pilotables de complément.

La comparaison entre la durée de formation d'une source d'énergie et la durée prévisible d'épuisement de celle-ci en raison de son exploitation permet de distinguer une source d'énergie renouvelable d'une source d'énergie non renouvelable.

Notons $t_{\text{formation}}$ la durée nécessaire à la constitution de la source, et $t_{\text{eˊpuisement}}$ la durée au bout de laquelle l'exploitation l'aura épuisée.

• Si $t_{\text{formation}}\ll t_{\text{eˊpuisement}}$, la source se reconstitue plus vite qu'on ne la consomme : elle est renouvelable.
• Si $t_{\text{formation}}\gg t_{\text{eˊpuisement}}$, on prélève infiniment plus vite que la nature ne reconstitue : la source est non renouvelable à l'échelle des temps humains.

Le critère porte donc sur un rapport de durées, pas sur la nature du matériau. C'est pourquoi une même source peut changer de statut selon la manière dont on l'exploite.