L`énergie au quotidien - Page d`accueil pour l`enseignement du

L’énergie au quotidien:
Et alors?
Professeur Marcel Lacroix
Faculté de génie
Université de Sherbrooke
Canada
M. Lacroix
Énergie au quotidien
1
C’est quoi l’énergie?
M. Lacroix
Énergie au quotidien
2
Difficile à dire …
M. Lacroix
Énergie au quotidien
3
Énergie, travail et puissance
• L’énergie reflète la capacité à faire du
travail.
• L’argent en banque reflète la capacité à
dépenser.
• Le travail est l’action de convertir
l’énergie d’une forme à une autre.
• La puissance reflète le taux auquel la
conversion a lieu.
M. Lacroix
Énergie au quotidien
4
Énergie potentielle convertie en travail
Énergie potentielle élevée
Machine
Travail
Énergie potentielle basse
M. Lacroix
Deuxième loi
5
Chaleur convertie en travail
Température élevée TH
Machine
Travail
Température basse TC
M. Lacroix
Deuxième loi
6
Unités d’énergie et de puissance
• Travail et énergie:
(1 Joule) = (1 Newton) x (1 mètre)
James Joule (1818-1889)
• Puissance:
(1 Watt) = (1 Joule)/(1 seconde)
James Watt (1736-1819)
M. Lacroix
Énergie au quotidien
7
Énergie en Joules ou en kilowattheure
• 1 kWh = 1 000 Watts x 3 600 secondes
= 3,6 x 106 Joules = 3 600 kJ
M. Lacroix
Énergie au quotidien
8
Points de repère: puissance
M. Lacroix
Adulte (65 kg) au repos
~ 100 W
Athlète (lutte olympique)
~ 1000 W
Ampoule à incandescence
~ 100 W
Séchoir à cheveux
~ 1 500 W
Pavillon (120V, 200A)
~ 24 kW
Moteur de voiture (135 cv)
~ 100 kW
Énergie au quotidien
9
Points de repère: énergie
Soulèvement de 1 kg
~ 10 J
d’une hauteur de 1 m
Personne 50 kg montant
~2 500 J
2 étages (5 mètres)
Un litre d’eau du robinet
~400 kJ
chauffée à 1000C
Métabolisme adulte/jour ~ 8 600 kJ
Chaleur dégagée par un ~ 36 000 kJ
litre essence
M. Lacroix
Énergie au quotidien
~ 0,003 Wh
~0,7 Wh
~0,11 kWh
~ 2,4 kWh
~ 10 kWh
10
L’omniprésence de l’énergie
M. Lacroix
Énergie au quotidien
11
Exemples de conversion
d’énergie d’une forme à
l’autre
M. Lacroix
Énergie au quotidien
12
DE POTENTIEL À CINÉTIQUE
M. Lacroix
Énergie au quotidien
13
DE MÉCANIQUE À POTENTIEL
M. Lacroix
Énergie au quotidien
14
DE MÉCANIQUE À MÉCANIQUE
Engrenages
Transmission
Piston
M. Lacroix
Énergie au quotidien
15
DE MÉCANIQUE À ÉLECTRIQUE
Dynamo
Générateur
Alternateur
M. Lacroix
Énergie au quotidien
16
DE MÉCANIQUE À CHALEUR
Freins à disques
M. Lacroix
Énergie au quotidien
17
DE CHALEUR À MÉCANIQUE
Turbines à gaz
Locomotive à vapeur
M. Lacroix
Énergie au quotidien
18
DE CHALEUR À CHALEUR
Échangeurs
de chaleur
M. Lacroix
Énergie au quotidien
19
DE CHALEUR À ÉLECTRIQUE
Thermocouple
Pile thermoélectrique
Réfrigérateur
thermoélectrique
M. Lacroix
Énergie au quotidien
20
DE ÉLECTRIQUE À MÉCANIQUE
Moteurs électriques
M. Lacroix
Énergie au quotidien
21
DE ÉLECTRIQUE À CHALEUR
M. Lacroix
Énergie au quotidien
22
DE ÉLECTRIQUE À CHIMIQUE
Chargement d’une batterie
M. Lacroix
Énergie au quotidien
Électrolyse
23
DE CHIMIQUE À MÉCANIQUE
Combustion d’hydrocarbures et
oxydation d’hydrates de carbone
M. Lacroix
Énergie au quotidien
24
DE CHIMIQUE À ÉLECTRIQUE
Déchargement d’une batterie
M. Lacroix
Énergie au quotidien
Piles à combustible
25
DE CHIMIQUE À CHALEUR
M. Lacroix
Énergie au quotidien
26
DE SOLAIRE À MÉCANIQUE
Moudre le grain
M. Lacroix
Énergie au quotidien
Déplacement
27
DE SOLAIRE À ÉLECTRIQUE
Cellules photovoltaïques
M. Lacroix
Énergie au quotidien
28
DE SOLAIRE À CHALEUR
Capteurs solaires
M. Lacroix
Énergie au quotidien
29
DE SOLAIRE À CHIMIQUE
Photosynthèse
M. Lacroix
Énergie au quotidien
30
DE NUCLÉAIRE À CHALEUR
Réacteurs nucléaires
M. Lacroix
Énergie au quotidien
31
CONVERSION SOLAIRE - ÉNERGIE
POTENTIELLE – ÉNERGIE CINÉTIQUE MÉCANIQUE - ÉLECTRICITÉ
Centrale hydroélectrique
M. Lacroix
Énergie au quotidien
32
CONVERSION SOLAIRE – MÉCANIQUE
- ÉLECTRICITÉ
Parc
d’éoliennes
M. Lacroix
Énergie au quotidien
33
CONVERSION NUCLÉAIRE - CHALEUR
– MÉCANIQUE - ÉLECTRICITÉ
Centrale nucléaire
M. Lacroix
Énergie au quotidien
34
DE NUCLÉAIRE À CHALEUR … À LA VIE
M. Lacroix
Énergie au quotidien
35
Tout cela est bien intéressant mais
combien d’énergie un habitant d’un
pays développé comme la France
consomme-t-il quotidiennement?
M. Lacroix
Énergie au quotidien
36
Voiture
8⋅l
50km
10kWh
40kWh
⋅
⋅
≈
100 ⋅ km Jour ⋅ hab
l
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
37
Avion
Boeing 747-400
240 000 litres
14 200 km
416 passagers
2 ⋅ 240000l
10kWh 1voyage
30kWh
⋅
⋅
≈
416hab ⋅ voyage
l
365Jours Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
38
Chauffage
Maison ~ 100 m2
4radiateurs
1kW
24h 1maison
25kWh
⋅
⋅
⋅
≈
maison
radiateur Jour 4hab
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
39
Eau chaude sanitaire
50 cm x 15 cm x 150 cm ~ 110 litres
1bain
4,2kJ 1kWh 110l
5kWh
0
⋅ 0 ⋅
⋅
⋅ 40 C ≈
Jour ⋅ hab l ⋅ C 3600kJ bain
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
40
Eau chaude sanitaire
Lave-linge ~
Sécheuse ~ Lave-vaisselle ~
1,0 kWh/Jour 2,0 kWh/Jour 1,5 kWh/Jour
4,5kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
41
Appareils de cuisine
Micro-ondes ~
Bouilloire ~ 0,5 kWh/Jour Cuisinière ~
3,0 kWh/Jour
1,0 kWh/Jour
Frigo ~
3,0 kWh/Jour
7,5kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
42
Éclairage
À la maison
10ampoules 0,1kW
5h 1maison
2,5kWh
⋅
⋅
⋅
≈
maison
ampoule Jour 2hab
Jour ⋅ hab
Au bureau
4tubes 0,05kW 8h
1,5kWh
⋅
⋅
≈
hab
tube Jour Jour ⋅ hab
4,0kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
43
Gadgets
Gadget
Puissance on
Puissance off
Ordinateur
~ 80 W
~ 55 W
Télé
~ 100 W
0W
Imprimante
(laser)
~ 500 W
~ 17 W
Playstation 3
190 W
0W
Aspirateur
1600 W
0W
5kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
44
Alimentation
Fruits/légumes:
3kWh
≈
Jour ⋅ hab
Œufs:
Produits laitiers:
1kWh
≈
Jour ⋅ hab
1,5kWh
≈
Jour ⋅ hab
5,5kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
45
Alimentation: 200 g de viande par jour
1000 Jours 200 g 200kg
⋅
≈
boeuf
Jour boeuf
1
boeuf ≈ 65kg
3
50 Jours 200 g
10kg
⋅
≈
poulet Jour poulet
1
poulet ≈ 3kg
3
400 Jours 200 g 80kg
⋅
≈
porc
Jour porc
1
porc ≈ 25kg
3
3 3,0kWh / Jour
kWh
Total ≈ 93kg ⋅ ⋅
≈ 6,5
2 65kg ⋅ hab
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
46
Agriculture
Europe ≈
2kWh
Jour ⋅ hab
1
kWh
Europe ≈
Jour ⋅ hab
3,0kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
47
Contenants
0,6kWh 2contenants
1,2kWh
≈
⋅
≈
contenant Jour ⋅ hab
Jour ⋅ hab
0,7kWh 2contenants
1,5kWh
≈
⋅
≈
contenant Jour ⋅ hab
Jour ⋅ hab
3,0kWh
Total ≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
48
Emballages
0,400kg 10kWh
4,0kWh
Total ≈
⋅
≈
Jour ⋅ hab
kg
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
49
Ordinateurs
1800kWh 1ordinateur
2ans
2,5kWh
Total ≈
⋅
⋅
≈
ordinateur 2ans ⋅ hab 730 Jours Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
50
Journaux et magazines
0,200kg 10kWh
2,0kWh
Total ≈
⋅
≈
Jour ⋅ hab
kg
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
51
Construction maison et voiture
Durée de vie: 100 ans
1,0kWh
≈
Jour ⋅ hab
Durée de vie: 15 ans
76000kWh voiture
1an
14kWh
≈
⋅
⋅
≈
voiture ⋅ hab 15ans 365 Jours Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
52
Réseau routier français
Nationales
11 800 km
Départementales
377 000 km
Communales
550 000 km
Autoroutes à péage
6 300 km
945000km 7600kWh 1000m 1route
≈
⋅
⋅
⋅
route ⋅ France
m
km
40ans
1an
France
8kWh
⋅
⋅
≈
6
365Jours 60 ⋅ 10 hab Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
53
Transport de marchandises
7,0kWh
≈
Jour ⋅ hab
4,0kWh
≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
54
Armement
4,0kWh
≈
Jour ⋅ hab
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
55
Élément
kWh/(Jour*hab)
Voiture
40,0
Avion
30,0
Chauffage
25,0
Eau sanitaire
9,5
Cuisine
7,5
Éclairage
4,0
Gadgets
5,0
Alimentation
12,0
Agriculture
3,0
Produits
26,5
Routes
8,0
fret
11,0
Armement
4,0
Total
~ 186
M. Lacroix
Énergie au quotidien
Et le total est ~
186
kWh/(Jour*hab)
Mais que signifie
ce nombre?
56
IEA – OECD en 2006
Pays
Énergie totale
(kWh/hab.jour)
Énergie
Renouvelable
Islande
Luxembourg
Canada
USA
Suède
Québec
France
Allemagne
Danemark
Suisse
Turquie
389
323
270
251
184
174
140
133
116
115
38
78%
1%
16%
5%
29%
47%
7%
6%
15%
16%
12%
57
1.
2.
3.
4.
5.
Bienfaits de la maîtrise
des combustibles fossiles
Services énergétiques de qualité inégalée
dans l’histoire (mécanique, chaleur et
éclairage).
Abondance et variété des aliments…
santé.
Urbanisation… éducation et culture.
Mobilité… liberté, échanges, …
Accès à l’information… démocratisation
du savoir et démocraties.
Pays
Énergie totale
(kWh/hab.jour)
IDH
Islande
Luxembourg
Canada
Suède
France
Suisse
Togo
Éthiopie
R.D. Congo
Érythrée
Bangladesh
Chasseur ~ 105 ans
389
323
270
184
140
115
10,4
9,7
9,4
5,6
5,4
~5
0,969
0,960
0,966
0,963
0,961
0,960
0,499
0,414
0,389
0,472
0,543
-
Données
IEA
OECD
et
UNDP
en
2006
59
Consommation d’énergie
(kWh/habitant-jour)*
Période
Société
A
B
C
D
Total
1
14
63
2
5
12
26
77
230
-106 ans
primitive
2
- 105 ans
chasseur
3
-7000 ans agriculture primaire 4
1400
agriculture avancée 6
1850
industrielle
7
2000
technologique
10
2
4
12
32
66
4
7
24
91
A:alimentation; B:chauffage central; C:industrie et agriculture;
D:transport.
*P. Kruger, Alternative Energy Resources, 2006
M. Lacroix
Introduction
60
Et si on corrélait les statistiques de la
United Nations Development Program à
celles de l’International Energy Agency …
M. Lacroix
Énergie au quotidien
61
1
Cuba
USA
0,8
Canada
Trinidad Tobago
France
IDH
Islande
0,6
Mozambique
0,4
Nigeria
0,2
R.D.Congo
Indice de Développement Humain
(130 pays)
0
0
100
200
300
Consommation kWh/(hab*jour)
Introduction
400
62
16,0
Nigéria
kWh/$ US 2007
14,0
Tunisie
12,0
R.D. Congo
10,0
Intensité énergétique
(130 pays)
Ouzbékistan
Turkménistan
8,0
Trinidad Tobago
Mozambique
6,0
Islande
Canada
4,0
2,0
France
0,0
0
USA
Luxembourg
100
200
300
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
400
63
Méfaits des combustibles fossiles
(ou méfaits de ne pas les maîtriser)
1. Impacts sur l’environnement.
2. Accroissement des inégalités entre
les états riches et pauvres.
Dégradation de l’environnement
M. Lacroix
Énergie au quotidien
65
Tonnes CO2/habitant*année
40,0
Kuwait
35,0
UAE
30,0
Émissions de CO2 en 2004
USA
(130 pays)
25,0
20,0
Danemark
15,0
Canada
10,0
Islande
5,0
Suisse
0,0
0
France
100
200
300
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
400
66
Tonnes CO2/1000 $ US 2000
3,50
Ouzbékistan
Intensité du carbone en 2004
(130 pays)
3,00
2,50
Trinidad Tobago
2,00
1,50
France
Canada
1,00
Islande
0,50
Suisse
0,00
0
USA
100
200
300
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
400
67
7,00
Algérie
Tonnes CO2/tep
6,00
Intensité du carbone en 2004
(130 pays)
5,00
Estonie
Kuwait
4,00
3,00
2,00
Canada
1,00
Suisse
0,00
0
Islande
France
100
200
300
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
400
68
Ouais mais toutes ces tonnes de
CO2 c’est loin du quotidien...
Qu’en est-il de la corrélation
vie/énergie?
M. Lacroix
Énergie au quotidien
69
90
80
70
Canada
Années
60
France
Trinidad Tobago
Islande
50
40
Afrique du Sud
30
Zambie
20
10
Espérance de vie
(130 pays)
0
0
100
200
300
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
400
70
250
Mortalité chez les enfants de moins
de 5 ans par 1000 habitants
(130 pays)
200
Nigéria
Décès
Turkménistan
150
100
50
0
0
20
40
60
80
100
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
120
71
Pourcentage
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Population vivant avec
moins de 2 $ US par jour
(130 pays)
Tanzanie
Nigéria
Ouzbékistan
0
20
Turkménistan
40
60
80
100
Consommation kWh/(hab*jour)
Marcel Lacroix
120
72
L’électricité pour tous!
Enfin presque…
M. Lacroix
Énergie au quotidien
73
Marcel Lacroix
74
L’électricité propre!
Enfin presque…
M. Lacroix
Énergie au quotidien
75
83 g CO2 par kWh électricité
Marcel Lacroix
76
87 g CO2 par kWh électricité
Marcel Lacroix
77
220 g CO2 par kWh électricité
Marcel Lacroix
78
601 g CO2 par kWh électricité
Marcel Lacroix
79
881 g CO2 par kWh électricité
Marcel Lacroix
80
On n’échappe pas aux lois
fondamentales de la
thermodynamique
1. On ne produit ni détruit l’énergie. On
ne fait que la transformer (1ère loi).
2. Toute transformation dégrade la
qualité de l’énergie (2ème loi).
Conséquence: l’environnement écope.
M. Lacroix
Énergie au quotidien
81
Solutions envisagées
(ou de quoi je me mêle?)
M. Lacroix
Énergie au quotidien
82
Pourquoi certaines sociétés
disparaissent-elles alors que
d’autres s’épanouissent?
M. Lacroix
Énergie au quotidien
83
La réponse de l’histoire est sans appel
les sociétés disparaissent parce que
la population et les dirigeants n’ont
pas su prévoir les problèmes et
gérer les crises!
M. Lacroix
Énergie au quotidien
84
Exemples
• Empire Romain: Refus de la
maîtrise de l’énergie.
• Ile de Pâques: Déforestation.
• Vikings au Groenland:
déforestation et changement
climatique.
M. Lacroix
Énergie au quotidien
85
La solution est …
l’éducation!
M. Lacroix
Énergie au quotidien
86
Avantage de l’éducation
Si un jour notre espèce
disparaît, au moins nous
saurons pourquoi!
M. Lacroix
Énergie au quotidien
87
1. Développement de formes
d’énergie renouvelable?
2. Conservation de l’énergie
utile?
3. Efficacité énergétique?
4. Nouvelle technologie?
M. Lacroix
Énergie au quotidien
88
1. Formes d’énergie renouvelable?
(ou comment être populaire)
M. Lacroix
Énergie au quotidien
89
2. Conservation de l’énergie utile?
(ou comment être vertueux)
Moyen
Voiture
Avion
Bateau
Autobus
Train
Métro
Vélo
M. Lacroix
kWh/(100 km*hab)
~ 80
~ 41
~ 21
~7
~ 3-9
~4
~ 2,5
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
90
3. Efficacité énergétique?
(ou comment être à la mode)
• Notion relative et non absolue.
• Du point de vue de l’environnement, ce
n’est pas la consommation d’essence en
Litres/100 km ou la pollution en
grammes de CO2 par kWh d’électricité
qui importe mais la consommation en
Litres et la pollution en grammes de
CO2.
M. Lacroix
Énergie au quotidien
91
3. Efficacité énergétique: voiture?
• La consommation d’essence (L/100 km)
des voitures de même masse a diminué
de 40% depuis 1960 (USA, Canada).
• Le poids des voitures n’a toutefois pas
cessé de croître depuis.
• 1970: 3 hab/véhicule, 15 000 km/an;
2005: 2 hab/véhicule, 20 000 km/an.
• Résultat net: de 1980 à 2000, la
consommation d’essence a cru de 35%!
M. Lacroix
Énergie au quotidien
92
3. Efficacité énergétique: éclairage?*
Année Efficacité
relative
1800
1850
1900
1950
2000
1
4
7
331
714
Prix par
lumen
Consommation
Lumen*heure par
habitant
PIB/habitant
100
26.8
4.2
0.15
0.03
1
4
86
1544
6641
1
1
3
4
15
De la lampe à huile en 1800 à la lampe électrique en 2000,
l’efficacité relative a été multipliée par ~ 700. La consommation
d’énergie a toutefois été multipliée par ~ 6500!
*Fouquet & Pearson, Energy Journal, 27 (1), 139-176, 2006
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
93
Paradoxe de Jevons*
(ou l’effet rebond)
Toute amélioration de l’efficacité
énergétique finit par stimuler la
consommation d’énergie.
*Stanley Jevons, The coal question, 1865.
M. Lacroix
Énergie
Marcel
auLacroix
quotidien
94
4. Nouvelle technologie?
(ou comment être cool)
M. Lacroix
Énergie au quotidien
95
Conclusions
1. La Consommation d’énergie
optimale (IDH>0,95) est ~ 100
kWh/(hab.*jour).
M. Lacroix
Énergie au quotidien
96
Conclusions
2. Une consommation d’énergie
supérieure à ~ 150 kWh/(hab.*jour)
NE GARANTIT PAS (1) un niveau
de vie plus élevé, (2) une plus
grande sécurité, (3) une prospérité
économique supérieure, (4) une
culture plus florissante, (5) la
stabilité sociale ou (6) une efficacité
accrue des systèmes énergétiques.
M. Lacroix
Énergie au quotidien
97
Conclusions
3. Une consommation d’énergie
supérieure à ~ 150 kWh/(hab.*jour)
GARANTIT toutefois la
dégradation de l’environnement.
M. Lacroix
Énergie au quotidien
98
Lecture incontournable
(ou comment s’endormir)
99