Le principe de conservation de l'énergie, élément essentiel de l'Energie

A l'issue du dernier rapport du GIEC, il est bon de rappeler le principe premier de la production d'Energie. Le réchauffement climatique est d'abord du à l'usage toujours plus important de la thermodynamique. Cet usage entraîne aussi un gaspillage considérable dès la production d'électricité. Dans les centrales nucléaires par exemple, 70 % de l'énergie potentielle est perdue.

Cet article est divisée en 2 parties. La fin concerne la spécificité des Stations de Transfert d'Energie (STE), le texte est en gras.

Le principe de conservation de l'énergie, largement vérifié expérimentalement, est de première importance en physique, et impose que pour tout phénomène physique l'énergie totale initiale du système isolé soit égale à l'énergie totale finale. Un système est dit isolé ou fermé, s'il n'échange avec l'extérieur ni énergie par l'intermédiaire de forces (par exemple : gravité, magnétisme), ni matière (on n'enlève ni n'ajoute de particules ayant un une masse, au système). Le système s'applique aussi bien à la thermodynamique qu'à la mécanique, il est donc faux de dire que c'est un principe de la thermodynamique.

Autre erreur est d'assimiler le rendement au principe de la conservation de l'énergie. Le rendement décrit tout le processus de production de l'énergie et s'inscrit toujours dans un système fermé. Prenons un exemple : le soulèvement d'une charge. L'énergie dépensée sera égale à l'énergie produite par sa chute, c'est le principe de la conservation de l'énergie. Lors de la chute de cette charge, celle-ci sera ralentie par la résistance à l'air ; le rendement est toujours égal à 1 moins les différentes résistances : à l'air et aux frottements. Le mouvement perpétuel n'existe pas car il suppose que ces résistances n'existent pas.

Le principe de conservation de l'énergie n'existe pas dans un système ouvert comme, par exemple, les pompes à chaleur. On parle alors de COP (COefficient de Performance). Il se situe entre 3 et 4 pour les pompes à chaleur et pour la fusion nucléaire (Iter) il est évalué à plus de 10. Dans une pompe à chaleur, on utilise de l'électricité pour faire fonctionner le système mais on introduit un élément extérieur au système, le liquide réfrigérant. L'énergie électrique consommée, évaluée en thermies, est 3 à 4 fois moindre que l'énergie restituée.

En mécanique, pression atmosphérique et masse sont liées. A l'altitude 0, la pression atmosphérique à 1 kg au cm2. Ce qui veut dire que sur une surface de 1 m2, soit 10 000 cm2, la pression atmosphérique est de 10 tonnes. Donc une charge de 10 tonnes sur 1 m2 va comprimer l'air à 2 bars (1 bar la pression atmosphérique + 1 bar à cause de la charge). Si on place une charge de 20 tonnes sur 2 m2, la pression de l'air sera toujours de 2 bars. Or soulever une charge de 20 tonnes demande 2 fois plus d'effort qu'une charge de 10 tonnes ; mais pour l'effort de la compression de l'air, celui-ci est le même. La raison est simple, une masse en mouvement vertical est dépendante de l'accélération de la gravité (9,81 m par seconde au carré) alors que pour la compression de l'air par un compresseur placé à l'horizontale, la gravité n'intervient pas.

Dans une Station de Transfert d'Energie par Pompage (STEP) ce sont les même turbines (ou d'autres si elles tournent dans le même sens) qui servent au turbinage de l'eau et à la remontée. Si on remonte 30 000 tonnes d'eau en 1 heure sur une hauteur de 157 m, chaque seconde l'eau est remontée de : 157/3600 = 0,0436 m. En énergie 1 Watt est égal à 1 kg sur 1 mètre en 1 seconde, puis on multiplie par 9,81 pour revenir à l'élément force l el Newton. L'énergie dépensée sera donc : 30 000 000 x 0,0436 x 9,81 = 12 834,75 KWh. Avec un rendement de 0,85, l'énergie potentielle de l'eau remontée, transformée en énergie cinétique lors de la chute de l'eau est de 10 905 KWh. Le COP est donc de 10905/12834,75 = 0,85. On est bien dans un système fermé, le COP est égal au rendement.

J'ai conçu des Stations de Transfert d'Energie (STE) avec un système ouvert en utilisant l'air et la pression atmosphérique comme élément extérieurs.

La puissance du moteur d'une voiture reste toujours la même. Pour monter une côte, l'effort demandé au moteur est cependant beaucoup plus important. On réduit alors la vitesse du véhicule en utilisant des engrenages réducteurs. Dans le cas des STE, on détermine d'abord la quantité d'air que chaque pompe devra amener sous le plateau pousseur situé au bas de la colonne d'eau et ceci durant un temps déterminé. On choisit ensuite une vitesse fixe de déplacement du séparateur des pompes (piston) ; dans l'exemple choisi c'est 30 km/h. La vitesse choisie et le volume d'air à atteindre vont déterminer la surface du séparateur, ici 10 490 cm2. La pression atmosphérique étant de 1 kg au cm2 et la compression de l'air sous la charge étant de 2 bars, cela équivaut pour le séparateur à déplacer un poids de 10 490 kg. Comme je l'ai dit plus haut, 1 Watt = 1 Newton sur 1 mètre en 1 seconde, l'énergie nécessaire est donc de 10 490 x 9,81 x 8,33 = 857 214 Watt soit 857,217 KW. Contrairement à la voiture, on détermine d'abord la vitesse de déplacement afin de connaître la puissance nécessaire. Ici l'utilisation d'engrenages réducteur sert à diviser l'énergie nécessaire du moteur ; il faut noter qu'un coefficient d'engrenages réducteurs de 15x avec une vitesse de 30 km/h est impossible à obtenir en mécanique automobile. De plus, l'augmentation du couple de l'éolienne va contribuer à diminuer l'effort et donc l'énergie nécessaire.

Le COP minimum de 15 est certes une évaluation mais il repose d'abord sur des lois physiques indiscutables.

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