Thème 2 : Le futur des énergies

2.1 Deux siècles d’énergie électrique

Depuis le XIXe siècle, les progrès de la recherche scientifique fondamentale et de l’invention technique ont conduit à développer des générateurs électriques pratiques, performants, à l’impact climatique et environnemental de moins en moins marqué.
Historiquement, le développement des techniques d’obtention d’énergie électrique s’est appuyé sur des découvertes expérimentales et des avancées théoriques qui furent souvent le résultat de recherches dont ce développement n’était pas le but premier. Il est ainsi fréquent que les résultats de la recherche fondamentale aboutissent à des innovations technologiques non anticipées.

Les alternateurs électriques exploitent le phénomène d’induction électromagnétique découvert par Faraday puis théorisé par Maxwell au XIXe siècle.

Ils réalisent une conversion d’énergie mécanique en énergie électrique avec un rendement potentiellement très proche de 1.
Au début du XXe siècle, la physique a connu une révolution conceptuelle à travers la vision quantique qui introduit un comportement probabiliste de la nature. Le caractère discret des spectres de raies d’émission des atomes s’explique de cette façon.

L’exploitation technologique des matériaux semi-conducteurs, en particulier du silicium, en est également une conséquence.
Ces matériaux sont utilisés en électronique et sont constitutifs des capteurs photovoltaïques. Ceux-ci absorbent l’énergie radiative et la convertissent en énergie électrique.

2.2 Les atouts de l’électricité

L’énergie électrique présente de nombreux avantages : une distribution aisée, sûre et à faible impact écologique ; l’existence de réseaux de distribution très étendus ; la disponibilité de convertisseurs de bon rendement permettant de transformer l’énergie électrique en d’autres formes d’énergie ou, symétriquement, d’obtenir de l’énergie électrique. L’existence de procédés d’obtention d’énergie électrique sans combustion justifie le rôle central que cette forme d’énergie est amenée à jouer à l’avenir.

Trois méthodes permettent d’obtenir de l’énergie électrique sans nécessiter de combustion :

• la conversion d’énergie mécanique, soit directe (dynamos, éoliennes, hydroliennes, barrages hydroélectriques), soit indirecte à partir d’énergie thermique (centrales nucléaires, centrales solaires thermiques, géothermie) ;
• la conversion de l’énergie radiative reçue du Soleil (panneaux photovoltaïques) ;
• la conversion électrochimique (piles ou accumulateurs conventionnels, piles à
  hydrogène).

Ces méthodes sans combustion ont néanmoins un impact sur l’environnement et la biodiversité ou
présentent des risques spécifiques (pollution chimique, déchets radioactifs, accidents industriels, …).
Pour faire face à l’intermittence liée à certains modes de production ou à la consommation, l’énergie
électrique doit être convertie sous une forme stockable :

• énergie chimique (accumulateurs) ;
• énergie potentielle (barrages) ;
• énergie électromagnétique (super-capacités).

2.3 Optimisation du transport de l’électricité

La minimisation des pertes par effet Joule dans la distribution d’électricité le long d’un réseau entre dans le cadre général des problèmes mathématiques de transport et d’optimisation sous contraintes. Ces problèmes, très difficiles à résoudre car non linéaires, nécessitent des traitements numériques lorsqu’ils mettent en jeu un nombre important d’inconnues ou de données.
Présentés ici dans le cadre du transport d’électricité, les graphes sont des modèles mathématiques utilisés pour traiter des problèmes relevant de domaines variés : transport d’information dans un réseau informatique, réseaux sociaux, transactions financières, analyses génétiques, etc.

Au cours du transport, une partie de l’énergie électrique, dissipée dans l’environnement par effet Joule, ne parvient pas à l’utilisateur.
L’utilisation de la haute tension dans les lignes électriques limite les pertes par effet Joule, à puissance transportée fixée.

Un réseau de transport électrique peut être modélisé mathématiquement par un graphe orienté dont les arcs représentent les lignes électriques et dont les sommets représentent les sources distributrices, les nœuds intermédiaires et les cibles destinatrices.
Dans ce modèle, l’objectif est de minimiser les pertes par effet Joule sur l’ensemble du réseau sous les
contraintes suivantes :

• l’intensité totale sortant d’une source est limitée par la puissance maximale distribuée ;
• l’intensité totale entrant dans chaque nœud intermédiaire est égale à l’intensité totale qui
  en sort ;
• l’intensité totale arrivant à chaque cible est imposée par la puissance qui y est utilisée.

2.4 Choix énergétiques et impacts sur les sociétés

Pour les sociétés, l’enjeu climatique et environnemental est celui d’une transition entre la situation actuelle et un développement fondé sur un régime durable de conversion et d’utilisation de l’énergie. La complexité de cette transition impose de connaître, comprendre et hiérarchiser les paramètres sur lesquels il est possible d’agir, individuellement et collectivement.

Pour que soit mise en œuvre une adaptation efficace aux changements inéluctables et qu’en soit atténué l’impact négatif, les choix énergétiques supposent une compréhension globale du système Terre.
Ces choix doivent tenir compte de nombreux critères et paramètres : disponibilité des ressources et adéquation aux besoins, impacts (climatique, écologique, sanitaire, agricole), vulnérabilités et gestion des risques, faisabilité, conséquences économiques et sociales.

« Les méfaits de la pollution lumineuse » Pour la Science avril 2020

« L’éclairage au XXIe siècle : une approche globale est indispensable » Pour la Science septembre 2016

L’analyse de ces éléments de décision conduit le plus souvent à une recherche de diversification ou d’évolution des ressources (mix énergétique).

Article de PLS/Engie avril 2020

Les durées longues, liées à l’inertie de certains systèmes (infrastructures énergétiques, transports, production industrielle), sont à confronter à l’urgence de l’action.
La transition écologique des sociétés repose sur la créativité scientifique et technologique, comme sur l’invention de nouveaux comportements individuels et collectifs (consommations, déplacements, relations Nord-Sud).