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Lettre de Kasuku  N°38

     Energie noble,

énergie bâtarde       

Qu’est-ce que l’énergie?

Ce n'est pas une notion bien facile à comprendre. L'énergie est invisible. Simplement dit, c'est quelque chose qui permet d’effectuer un travail, faire avancer une voiture, monter un ascenseur, chauffer ou éclairer une maison. 

Il y a diverses formes d’énergie

On devine que l'énergie peut se manifester de plusieurs manières et qu'elle peut se concentrer sous des formes diverses. Ce sont principalement :

  • l’énergie cinétique renfermée dans un corps en mouvement,
  • l’énergie potentielle d’une masse située dans une position élevée,
  • la chaleur,
  • l'énergie solaire,
  • l'énergie nucléaire issue de la fission de l'uranium,
  • l’énergie musculaire produite par la dégradation des aliments que nous absorbons.

Dans la liste ci-dessus, je n'ai pas mentionné l'électricité qui n'est pas vraiment une énergie en soi mais un vecteur d'énergie.

Ces diverses formes d'énergie ne sont pas de même qualité 

  • L'énergie mécanique peut se transformer (et se transforme inexorablement) en chaleur avec un rendement de 100 %.
  • Une source de chaleur ne peut être transformée en énergie mécanique qu'avec un rendement limité à 35 % environ, dans le meilleur des cas. Les 65 % perdus demeurent sous forme de chaleur un peu moins chaude.

Ce sont ces propriétés qui me conduisent à parler d'énergie noble pour la première et d'énergie bâtarde (ou énergie dégradée) pour la seconde. Ainsi le pétrole, le charbon, le gaz ou les combustibles nucléaires sont des formes d'énergie bâtarde dans la mesure où on veut les transformer en énergie mécanique, puisqu'on ne peut guère récupérer que le 35 % de l'énergie mécanique qu'ils renferment. Par contre, ces mêmes combustibles peuvent restituer toute leur énergie si on se contente d'utiliser la chaleur qu'ils peuvent produire à des fins de chauffage (chauffage domestique, eau chaude, fours à ciment, métallurgie).

La chaleur, une forme dégradée d'énergie

C'est une forme d'énergie qu'on pourrait qualifier de bâtarde ou de dégradée.  En réalité, il faut préciser que lorsqu'on dit chaleur, on entend source de chaleur par rapport à un environnement plus froid.

Une source de chaleur peut produire de l'énergie mécanique (énergie noble) par l'intermédiaire d'une machine thermique. Les principales machines thermiques que nous connaissons sont les machines et les turbines à vapeur, les moteurs à combustion interne, les turbines à gaz (réacteurs d'avion). Toutes ces machines sont soumises aux lois inexorables de la thermodynamique qui ne leur accordent qu’un rendement assez faible. Ainsi les vénérables locomotives à vapeur gaspillaient la plus grande partie de l'énergie - qu'elles tiraient de la combustion du charbon ou du mazout - à chauffer le ciel, car elles n’utilisaient guère que le 20% de cette énergie pour faire avancer le train. 

James Prescott Joulepère de la thermodynamique

James Joule est né en 1818 à Manchester dans une famille où l'on est brasseur de père en fils. Tout d'abord éduqué dans sa famille, il fréquente ensuite la Manchester Literary and Philosophical Society où il a la chance de suivre l'enseignement du chimiste John Dalton.

Sa contribution majeure à la science est d'avoir démontré que la chaleur était une forme d'énergie. Il mesura, dans un calorimètre, l'augmentation de la température de l'eau provoquée par le frottement d'une roue à ailettes entrainée, à l'aide d'un système de poulies et d'une masse connue.

Dans les unités de l'époque, il énonça qu'il fallait une énergie de 773 pieds-livres pour élever d'un degré Fahrenheit une livre d'eau. La thermodynamique était née !

La communauté scientifique lui a rendu hommage en donnant son nom à l'unité de mesure d'énergie, de travail et de quantité de chaleur. Un joule correspond à l'énergie nécessaire pour communiquer à une masse d’un kg une vitesse horizontale de un mètre par seconde.

L'hydrogène, une énergie bâtarde

On parle beaucoup d'hydrogène pour stocker momentanément l'électricité excédentaire. L'hydrogène libre n'existe pas dans la nature. Il faut le produire par le biais de l'électrolyse de l'eau. Le procédé de l’électrolyse est bien connu : un courant continu circule dans de l'eau légèrement salée pour améliorer sa conductibilité. L'énergie électrique dissocie les molécules d'eau. L'hydrogène se dégage au dessus de la cathode, l'oxygène au-dessus de l'anode. L'électrolyse d'un litre d'eau nécessite 5 kWh et produit un mètre cube d'hydrogène à pression ordinaire. La densité énergétique de l'hydrogène est faible : 1m3 d'hydrogène correspond à l'énergie contenue dans 0.3 litre d'essence. De plus, l'électrolyse n'a qu'un rendement d'environ 60%. L'énergie virtuelle enfermée dans 1 m3 d'hydrogène n'est que de 3 kWh alors qu'il a fallu 5 kWh pour le produire.

Comme l'hydrogène un combustible, il y a encore une perte de 65% pour le transformer en énergie mécanique. Des 5 kWh qu'il a fallu pour produire 1m3 d'hydrogène on ne retire qu 1 kWh d'énergie mécanique

Ce sont donc des sources d'énergie que je qualifie de noble qui servent à produire une énergie dégradée, puisque l'hydrogène est un combustible. 

L'énergie virtuelle  renfermée dans un mètre cube d'hydrogène est équivalente à 3 kWh. Il faut 5 kWh pour produire un m3 d'hydrogène et 0.45 kWh pour le comprimer à 700 bars. Pour extraire de l'énergie mécanique de cet hydrogène, les lois implacables de la thermodynamique ne permettent guère de récupérer plus de 35% de l'énergie contenue dans ce volume de gaz soit environ l'équivalent de 1 kWh,

Il a fallut donc 5.45 kWh pour produire ce gaz dont on ne pourra tirer qu'à peine un kWh d'énergie mécanique. A vous de tirer vos conclusions !