Comment l’énergie solaire disparaît

On a coutume de dire que le Soleil nous arrose d’énergie, cinq à dix mille fois plus que ce que l’humanité ne consomme. Eh bien, c’est tout-à-fait exact ! Peut-on en déduire que nous baignons dans un océan d’énergie et que la récolter n’est qu’une affaire de financement et de volonté politique ? Est-il légitime de penser que l’on peut soutenir un mode de vie à l’occidentale en ne s’appuyant que sur les énergies renouvelables ? Et d’étendre ce mode de vie à l’ensemble de l’humanité ? On est en réalité très, très loin du compte.

L’excellent poster du GCEP permet de suivre en détail le cheminement de l’énergie solaire. On y retrouve tous les flux et tous les stocks d’énergie de notre planète. Un bijou pour qui veut comprendre en profondeur le potentiel des énergies renouvelables [1].

L’énergie solaire nous parvient sous forme de photons très chauds, environ 5.500°C. Mais à l’instant même ou un photon heurte un atome de l’atmosphère, de la mer ou du sol, la température de ce "grain" d’énergie descend jusqu’à à peine quelques (dizaines) de degrés. Il contribue ainsi à (un tout petit peu) échauffer ce qu’il a heurté. Hors c’est la température de l’énergie thermique qui détermine son utilité, c’est-à-dire la possibilité de la transformer en travail. Lorsque la température d’un corps est égale à la température ambiante, son énergie thermique ne peut plus fournir aucun travail. Son exergie   est nulle.

On peut observer cette annihilation d’exergie   dans les zones cerclées de rouge sur graphique de droite. Cette annihilation fait immédiatement disparaître 99% de l’énergie utile du rayonnement solaire. Néanmoins, le un pour cent restant est indispensable au bon fonctionnement de la geo-biosphère. Il est à la base de toutes les dynamiques atmosphériques et marines, de la croissance des plantes et ... des énergies renouvelables que l’humanité utilise depuis toujours.

En pénétrant un peu plus en détail dans le graphique, on observe que l’énergie du Soleil qui atteint notre Planète est répartie en quatre parts plus ou moins égales.

• Réflexion : Un quart de l’énergie solaire est renvoyée telle quelle dans l’espace (dans l’ovale bleu). Les photons solaires sont réfléchis au sein de l’atmosphère (sur les nuages par exemple) ou par la surface terrestre (la banquise ou les déserts par exemple). On notera au passage que la diminution de l’albédo de la Terre (son pouvoir réfléchissant), suite par exemple à la fonte des banquises, est un facteur aggravant important du réchauffement climatique.
• Absorption atmosphérique : Un quart de l’énergie solaire est absorbée par l’atmosphère lorsque les photons solaires heurtent une molécule quelconque. Cette collision provoque son échauffement (son agitation thermique) et est à l’origine des mouvements de l’atmosphère et de ceux des océans.
• Évaporation : Un quart de l’énergie solaire est responsable de l’évaporation de l’eau, principalement à la surface des océans et surtout en zone intertropicale.
• Absorption de surface : Un quart de l’énergie solaire échauffe la surface des continents et des océans. Même si seule une petite partie de cette énergie est utilisée par la photosynthèse, son importance est vitale.

Pour percevoir plus finement le défi que représente la récolte de ces énergies renouvelables, il sera particulièrement instructif d’examiner plus loin dans l’article le cas du cycle de l’eau.

Donc, il faut le répéter, à l’instant même de la réception du rayonnement solaire des irréversibilités thermodynamiques lui font immédiatement perdre nonante neuf pour cent de son énergie — en réalité il faudrait parler d’exergie  . Le un pour cent restant de cette énergie se retrouve sous forme d’énergies nobles et d’une forme moins noble. La partie noble, la plus utile, est représentée par l’énergie cinétique (mouvements atmosphériques et océaniques) et l’énergie chimique (contenue dans la biomasse). La partie peu noble et donc très peu utile est l’énergie thermique (chaleur, dont la chaleur latente de la vapeur d’eau) dont la température atteint tout au plus quelques dizaines de degrés centigrades.

L’énergie des photons solaires est convertie en énergie "utile" par deux effets physiques différents :

• l’effet électro-chimique, lorsqu’un photon "arrache" un électron qui, s’il ne "retombe" pas immédiatement, pourra provoquer une réaction chimique ou produire un courant électrique. C’est ce mécanisme qui assure la photosynthèse, mécanisme à la base de la croissance des plantes et de la production du bois. La version contemporaine pour l’utilisation de l’effet photo-électrique se nomme... panneaux photovoltaïques.
• l’effet thermodynamique, lorsque le photon fait "seulement" vibrer un atome, élevant aussi (un peu) sa température. Ce tout petit grain d’énergie multiplié par l’énorme quantité de photons reçus est à l’origine de tous les mouvements de l’atmosphère et de la transformation de l’eau en vapeur. Une version contemporaine de l’utilisation de cet effet permet la centrale solaire thermodynamique. Des miroirs concentrent l’énergie du soleil sur une chaudière située en haut d’une tour.

De ces différentes formes d’énergie, l’humanité ne récupère ensuite, très difficilement, qu’environ 1%. Ce sont les énergies dites ’renouvelables’. Le reste est progressivement et naturellement dissipé sous forme de chaleur à température ambiante (exergie   pratiquement nulle). Et puisqu’on ne récupère (difficilement) qu’environ 1% des diverses énergies renouvelables qui, elles-mêmes, ne représentent que 1% de l’énergie solaire incidente, on ne récupère au total qu’environ un dix millième de l’énergie solaire reçue par la Terre. Pour se convaincre des limites pratiques à une collecte massive d’énergies renouvelables, collecte qui à elle seule serait suffisante pour soutenir le mode de vie des habitants des pays développés, on lira notre simulation appliquée à quelques pays développés : 100% énergies renouvelables.

Pour aller un peu plus loin et percevoir plus finement le défi que représente la récolte de ces énergies renouvelables, il est particulièrement instructif d’examiner l’exemple de l’énergie hydraulique alimentée par le cycle de l’eau. On pourra ensuite répéter l’analyse avec l’énergie éolienne (mouvements atmosphériques) ou celle de la biomasse (énergie obtenue par photosynthèse).

 Énergie hydraulique

Tout démarre à la base des cellules de Hadley, là où l’apport solaire est le plus important. C’est là que la dynamique de la grande machinerie de la circulation atmosphérique se met en place. L’air s’échauffe et un peu d’eau de surface s’évapore. Cet air chaud et humide s’élève, emportant la vapeur d’eau et son double contenu en énergie : chaleur latente, qui se concrétisera lors de la condensation de la vapeur et d’autre part l’énergie gravitationnelle qui se libérera lors de la chute de la pluie suivie par son écoulement vers la mer.

Comme déjà dit, 99% de l’exergie   solaire a été dissipée dès le départ du processus, dès l’instant où les photons solaires ont été absorbés. Ensuite, au gré des vents et en raison des températures plus fraîches en altitude, la vapeur d’eau se condense en nuage. L’énergie de ces nuages est alors pour trois quart sous forme d’énergie gravitationnelle, proportionnelle à l’altitude, et pour un quart sous forme de chaleur de condensation que l’on n’imagine pas pouvoir récupérer comme on le fait dans une chaudière à condensation. Comme il n’est pas (encore ?) imaginable de placer des entonnoirs juste sous les nuages pour récupérer leur énergie gravitationnelle en canalisant leur eau vers une turbine hydraulique, il faudra attendre que la pluie dépose cette eau sur le sol puis dans les rivières pour pouvoir l’exploiter dans des centrales hydroélectriques ou des moulins à eau. Il ne reste alors que 2,5% de l’énergie gravitationnelle des nuages, concentrée sur les continents.

Finalement, ce sont 5% de cette énergie gravitationnelle résiduelle qui sont stockés derrière des barrages puis transformés en électricité dans les centrales hydrauliques. En Europe, avec une longue histoire de l’énergie hydraulique, ce taux de récupération est nettement plus élevé. Ailleurs, il reste des possibilités pour créer de nouveaux barrages mais on sait combien ces projets soulèvent des difficultés en raison de la dégradation des écosystèmes qu’ils provoquent et en raison des incompatibilités avec d’autres usages des fleuves et des rivières revendiqués par des populations parfois fort anciennes dont on détruirait le milieu de vie.

Résumons-nous. Au total, sur le quart de l’énergie solaire servant à l’évaporation d’eau, moins d’un cent millième est récupérée sous forme d’électricité. La cascade de chiffres :

• 162.000TW (térawatt ou milliers de milliards de watts) d’énergie totale des photons solaires incidents — soit 100%,
• 41.000TW des photons qui assurent l’évaporation — soit 25%,
• 300TW gravitationnels et 90TW thermiques qui formeront les nuages — soit 2,4%,
• 7,2TW gravitationnels et 5,4TW thermiques dans les rivières. C’est ce qu’il reste après la pluie — soit 0,008%,
• 0,36TW finalement récupérés. Ils sont la partie résiduelle de l’énergie gravitationnelle et sont, pour l’essentiel, transformés en électricité dans les centrales hydrauliques — soit 0,00022%.

Cette analyse énergétique ne doit cependant pas faire oublier combien le cycle de l’eau est essentiel pour la vie de l’humanité. Pas de vie sans eau ! Plantes, animaux et humains en dépendent pour s’hydrater. Les fonctions que le cycle de l’eau remplit sont très nombreuses et parfois vitales, allant de l’arrosage et de l’irrigation des cultures au transport fluvial ou à l’agrément des plans d’eau bucoliques.

 Énergie éolienne

Lorsque les photons solaires heurtent des molécules de l’atmosphère, des océans ou du sol, ils les bousculent, modifiant leur mouvement, leur rotation ou leur vibration. L’énergie des photons est ainsi transformée en chaleur avec, au passage, une dissipation massive d’exergie   puisque la température passe de près de 5.500°C à quelques dizaines de degrés. C’est cette chaleur qui alimente la machine thermodynamique des circulations atmosphériques. Ce sont les mouvements ascendants de l’air chaud tropical qui en constituent le point de départ. Cette énergie du vent est de l’énergie cinétique, proportionnelle au carré de la vitesse. En raison des irréversibilités inhérentes à la transformation de l’énergie des photons en énergie cinétique du vent, cette dernière ne représente plus que 2,6% de celle des photons de départ.

Une partie de l’énergie du vent, environ 7%, est transférée aux océans par frottements. Le vent qui souffle à la surface des océans engendre une houle qui emporte une partie de son énergie. Quelques recherches et prototypes s’attachent à récupérer un peu de cette énergie de la houle.

Bien entendu, il y a des vents partout dans l’atmosphère, au-dessus des terres aussi bien qu’au-dessus des océans, depuis le sol et jusqu’à des milliers de mètres en altitude. Dans la couche d’air proche du sol, le vent est ralenti, plus ou moins fort, par les frottements avec le paysage. Il y perd une bonne partie de sa vitesse. On parle de couche limite dont l’épaisseur avoisine souvent la centaine de mètres. C’est ce qui explique pourquoi on fait des éoliennes assez hautes et pourquoi les petites éoliennes sont peu efficaces.

Un développement massif des éoliennes ne serait pas sans conséquences sur le climat. Des simulations informatiques ont montré que de très grands champs d’éoliennes provoquaient un ralentissement significatif du vent. Elles ne doivent dès lors pas être trop proches, de l’ordre d’une éolienne de 4 mégawatts par kilomètre carré. Des simulations plus poussées devraient être entreprises pour évaluer les effets météorologiques en termes de nébulosité et de régime des pluies.

Au total, sur le quart de l’énergie solaire à l’origine des mouvements atmosphériques, moins d’un cent millième est récupéré sous forme d’électricité. La cascade de chiffres va de :

• 162.000TW d’énergie totale des photons solaires incidents à
• 33.000TW pour ceux assurant les circulations atmosphériques puis à
• 810TW pour les vents et 60TW pour la houle. Finalement,
• 0,1TW de l’énergie du vent sont transformés en électricité. La production à partir de la houle reste insignifiante.

Comme pour l’énergie hydraulique, l’énergie du vent (et celle de la houle) remplit différentes fonctions indispensables à l’équilibre de la biosphère. On pensera simplement à la répartition des pluies sur l’ensemble du globe terrestre.

 Énergie de surface

Après les photons solaires reflétés dans l’espace, après les photons solaires absorbés par l’atmosphère, après les photons solaires ayant servi à évaporer de l’eau, il reste environ un quart des photons solaires. Dans leur très grande majorité, ces photons réchauffent la surface du sol et celle des océans. Une toute petite partie d’entre eux, de l’ordre de 0,2%, sont transformés en énergie chimique par la photosynthèse.

L’élévation de température à la surface des terres et des océans est assez faible. Par rapport à la température un peu plus en profondeur, quelques mètres pour les terres et quelques dizaines de mètres pour les océans, la hausse de température dépasse rarement une trentaine de degrés centigrade. Cet écart est trop faible pour imaginer un cycle thermodynamique qui en vaille la peine. Pour l’anecdote, il existe néanmoins un projet de recherche à Hawaï qui tente de récupérer un peu de cette énergie thermique des mers (ou OTEC : Ocean thermal energy conversion).

Pour exploiter ces photons qui viennent heurter le sol, il faudrait pouvoir les rassembler, les concentrer, afin d’atteindre des températures nettement supérieures à 100°C. Et c’est ce que font les centrales solaires à concentration. Elles parviennent à créer des écarts de température suffisants, parfois deux ou trois cents degrés, nécessaires pour permettre le fonctionnement d’une centrale électrique. Pour ce faire, des centaines de miroirs réfléchissent le rayonnement solaire vers un réservoir situé en haut d’une tour. Si ces techniques sont réalistes, elles n’en sont pas moins consommatrices de territoires et d’installations techniques importantes. La compétition pour l’usage des territoires est un problème mais le montant des investissements nécessaires est probablement un facteur limitant plus important.

Enfin, bien connus de tous, les panneaux photovoltaïques convertissent directement l’énergie des photons solaires en énergie électrique. Leur rendement pratique, en exploitation réelle, se situe entre 10% et 15%. Pour augmenter nettement ce rendement il faut mettre en œuvre des techniques beaucoup plus complexes (concentration, multicouches...) ce qui explique pourquoi on préfère généralement investir dans une plus grande surface de panneaux ordinaires que d’investir dans ces systèmes coûteux et complexes, qui sont par exemple utilisés dans les équipements spatiaux.

 Biomasse

Le soleil, c’est la vie ! Grâce à l’énergie du soleil et à condition de disposer d’eau, les plantes croissent.

Seule une fort petite partie de l’énergie solaire est transformée en biomasse. Cependant cette transformation se fait sur de très grandes surfaces. De plus, les plantes et arbres se reproduisent naturellement. Nul besoin d’entretien, de réparation ou d’usines à fabriquer des arbres. Il s’agit donc d’un système pérenne, durable et résilient.

L’humain a toujours utilisé la biomasse. D’abord pour se nourrir, ensuite pour cuisiner et se chauffer, pour produire ses vêtements, mais aussi pour construire des habitations, des bateaux ainsi que de multiples objets en bois.

Durant des centaines millions d’années, une fraction de la biomasse — moins de 1% — s’est retrouvée piégée dans le sol ou au fond des océans. Cette biomasse piégée s’est ensuite transformée en charbon, en pétrole et en gaz, les combustibles fossiles dont nous dépendons aujourd’hui pour assurer le mode de vie "moderne", jugé indispensable dans les pays (sur)développés. Celui-ci nous "oblige" à une consommation annuelle de combustibles fossiles que la nature a mis un million d’années à produire ! S’il a fallu un million d’années pour produire notre consommation annuelle, difficile d’imaginer que l’on puisse se contenter de la production d’une seule année.

La cascade d’énergie va ainsi de :

• 162.000TW (térawatt) d’énergie totale des photons solaires incidents,
• 90TW font grossir la biomasse chaque année,
• 1,2TW sont récoltés pour les usages traditionnels, essentiellement cuisine et chauffage,
• 0,15TW sont commercialisés et...
• 0,85TW servent à l’alimentation humaine.

D’autre part, le graphique permet aussi de voir qu’une petite partie de la biomasse est enfouie, 0,04TW par an sur les 90TW annuels assurant la croissance de la biomasse. Ces 0,04TW d’énergie se transformeront en pétrole gaz et charbon au cours des millions d’années qui viennent. On sait aujourd’hui qu’il est indispensable d’abandonner l’essentiel de ces réserves fossiles sauf si l’on accepte un réchauffement climatique tel que l’humanité ne puisse plus y résister.