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Le coût exorbitant de l’énergie « gratuite »
13 février 2009
En quoi l’ énergie nucléaire est-elle « plus intelligente » que le solaire et l’éolien ?par Laurence Hecht
Chaque fois que vous entendez parler de solaire ou d’éoliennes comme étant la réponse aux besoins énergétiques de l’humanité, l’image qui devrait vous venir à l’esprit est celle d’un milliard d’enfants affamés ou mourants. Si vous ne voyez pas trop le rapport pour l’instant, c’est pardonnable. Cependant, à la fin de cet article, nous devrions vous avoir communiqué des concepts et des faits rudimentaires vous permettant de saisir pleinement cette dure vérité et d’agir en conséquence. Commençons par un constat : pour offrir à l’ensemble de la population mondiale un niveau de vie décent en ce XXIème siècle, les capacités énergétiques de la planète devraient fournir au moins 3 à 5 kilowatts par habitant. Or, aujourd’hui, seuls les États-Unis, le Japon et l’Europe de l’Ouest atteignent ce niveau. Éclaircissons ce point, avant d’examiner comment satisfaire cette demande. Le « kilowatt » est une mesure de puissance électrique, soit la quantité de travail pouvant être accomplie par unité de temps. L’une des premières façons de mesurer la puissance consistait à la comparer à celle d’un cheval. La puissance d’un cheval standard « ch. » équivaut à environ 750 watts électriques (1ch =735,5W). Cela veut dire qu’il faut 750 watts d’électricité pour accomplir le même travail (faire tourner un moteur ou autre appareil) que fournirait un cheval de labeur. Ainsi, un kilowatt (1000 watts) électrique équivaut au travail d’environ 1,33 chevaux musclés. Toutefois, le cheval ne peut travailler toute la journée, mais pendant un tiers environ, une fois soustrait le temps de s’alimenter et se reposer. Il s’ensuit qu’un kilowatt de production d’électricité installée, disponible jour et nuit, accomplit le travail de 3 fois 1,33, soit 4 chevaux. Les États-Unis disposent actuellement d’environ 3 kilowatts de puissance par habitant, soit beaucoup moins que le niveau nécessaire pour assurer une vraie économie productive, mais néanmoins beaucoup plus que la plupart des autres pays. On peut donc dire que chaque Américain dispose en moyenne, à chaque heure du jour et de la nuit, de 12 chevaux sous forme d’électricité [1].
Sans électricité, ce travail doit être accompli par des hommes et des femmes, actionnant les pompes, transportant l’eau sur leur tête, passant des journées entières à laver le linge, privés de services élémentaires comme l’eau courante et le tout-à-l’égout, la réfrigération et même les ampoules lumineuses. Tel est, sinon pire, le lot de la majorité de la population mondiale, dont environ 1,7 milliard vivent entièrement sans électricité et plusieurs milliards n’en disposent que quelques heures par jour dans des conditions précaires. La Chine, par exemple, qui produit une grande partie des produits manufacturés consommés aux États-Unis, ne disposait en 2005 que de 0,3 kilowatt de puissance installée par habitant, pour atteindre, selon les estimations, 0,5 kilowatt en 2008. Plus de la moitié de cette électricité sert à alimenter l’industrie, dont la production est surtout destinée à l’exportation. Ainsi, en Chine, la quantité d’énergie disponible est inférieure à 0,25 kilowatt par habitant, soit à peu près le tiers d’un « cheval ». On peut considérer que le Chinois dispose quotidiennement d’un cheval, contre douze pour l’Américain. La plupart des produits manufacturés distribués aux États-Unis sont fabriqués par des millions de Chinois sous-payés, dont les familles n’ont même pas accès à l’éclairage électrique. Au Mexique, autre source majeure de produits destinés aux États-Unis, l’électricité disponible par personne est du même ordre qu’en Chine. En Inde, en Égypte, dans la majorité des pays africains et dans de larges zones d’Amérique du Sud, c’est encore pire. Une telle injustice ne peut guère durer. Comment y remédier ? Ce n’est pas sérieux de penser à combler la pénurie énergétique dans le monde par des éoliennes ou des panneaux solaires. Les promoteurs de ces systèmes ne prennent jamais en compte les besoins réels mondiaux, si ce n’est pour proposer d’absurdes schémas de réfrigérateurs alimentés en énergie solaire pour les villages africains, qui ne fonctionnent, au mieux, que lorsque le soleil brille. Mais proposer d’utiliser le solaire et l’éolien dans les pays développés est aussi un leurre. Malgré les deniers publics dont ils bénéficient sous forme de crédit d’impôt ou de subventions, on n’a jamais démontré ni leur rentabilité énergétique ni leurs avantages économiques. Pour fournir à notre population mondiale de 6,7 milliards d’individus un niveau de 1,5 kilowatt de puissance électrique installée par habitant, il faudrait construire 6000 gigawatts de puissance supplémentaire. La seule manière d’y parvenir est de s’engager dès maintenant dans un programme à marche forcée de construction de centrales nucléaires, mettant à contribution les moyens existants, et de lancer, entre autres, la production en série des nouveaux réacteurs à haute température de quatrième génération, refroidis à l’hélium. La générosité du vent ou du soleil aurait-elle la moindre chance de combler le déficit mondial d’électricité ? La plus grande centrale solaire thermique existante, la Nevada Solar One, bien qu’enregistrant des pics de 63 mégawatts à midi, produit en moyenne moins de 15 mégawatts par jour [2]. La plus grosse centrale solaire utilisant des panneaux photovoltaïques se trouve à Jumilla, dans le sud-est de l’Espagne. Sa capacité théorique est estimée à 23 mégawatts, chiffre qui, une fois divisé par quatre, nous donne une production moyenne réelle de moins de 6 mégawatts ! En comparaison, une grande centrale nucléaire peut produire à elle seule au moins 1000 mégawatts (1 gigawatt) d’électricité, et ce, toute la journée, tous les jours, quelle que soit la météo, et sur une superficie plusieurs centaines de fois inférieure à celle exigée par les panneaux solaires ou les fermes éoliennes. Qu’est-ce que la densité énergétique ?Mais le vent et le soleil sont « gratuits », nous dit-on : l’énergie est là, comme un don de la nature, nous n’avons plus qu’à nous servir. Après examen, on s’aperçoit pourtant que cet argument est un pur sophisme. Charbon, pétrole et uranium sont « gratuits » au même titre. Une certaine quantité de travail doit être fournie pour les extraire et les transporter là où ils seront consommés, de la même manière qu’un certain travail doit être effectué pour exploiter le vent et le soleil, et même énormément de travail par rapport aux bénéfices qu’on en tire. Plutôt que de jouer sur les mots, examinons les deux concepts clés pour évaluer une source énergétique : la densité énergétique et la densité de flux énergétique. Par densité énergétique d’un combustible ou d’une source d’énergie, nous entendons la quantité de travail utile qui peut être obtenue d’une masse donnée de substance. Par densité de flux énergétique, entendons la capacité transformatrice qui attendue de cette source d’énergie ou de ce combustible. Examinons d’abord le premier terme et voyons ce que nous pouvons en apprendre. Au cours de son histoire, l’humanité a connu plusieurs augmentations progressives de la densité énergétique des combustibles employés. La transition de la combustion du bois à celle du charbon (dont la densité énergétique est quatre fois plus forte que celle du bois) se produisit en Europe au XVIIIème siècle. L’obtention de températures plus élevées et l’amélioration de la combustion du charbon permirent l’élaboration de l’acier à partir du minerai de fer et d’autres techniques. Principale source d’énergie pour l’industrie et les transports jusqu’aux années 1950, le charbon demeure à ce jour le principal combustible utilisé pour la production d’électricité dans le monde, hormis la France, la Suisse, le Japon et la Corée. Quant au pétrole, sa densité énergétique est d’environ 50% plus élevée que le charbon. Sa supériorité pour la navigation devint un facteur majeur de la géopolitique à la fin du XIXème siècle, lorsque la British Royal Navy convertit ses chaudières à charbon en chaudières à pétrole. Son poids moindre et sa facilité de maniement (sans tâcheron pour alimenter le feu) accrurent le rayon d’action et l’efficacité des navires de guerres. Les dérivés plus légers du pétrole – essence, benzène ou kérosène – figurent parmi les liquides les plus énergétiquement denses, ce qui les rendent indispensables comme carburants automobile... tant qu’il en restera. Pourtant, chacune de ces améliorations augmentant la densité énergétique des carburants fut éclipsée par la découverte de l’énergie atomique. Comme le montre le dessin ci-dessous, un grain d’uranium à peine visible, lorsqu’il est entièrement utilisé, fournit l’équivalent de 4760 litres de pétrole (pesant 4,5 tonnes), de 6,15 tonnes de charbon ou de 23,5 tonnes de bois sec. En comparant leur poids respectif, l’avantage de l’uranium sur les types de combustibles plus anciens saute aux yeux :
Avantage par unité de poids d’uranium… [3]
Précisons que ces chiffres ont été calculés en supposant que la totalité de l’uranium contenu dans la pastille de combustible brûle complètement (c.-à-d. qu’elle soit totalement fissionnée). Or, le taux de combustion dans la plupart des réacteurs actuellement en service ne dépasse guère les 4%, bien que ce taux soit nettement plus élevé pour les derniers types de réacteurs. Il faut donc diviser ces chiffres par 25, ce qui laisse encore au nucléaire un avantage en densité énergétique de seulement 88 000 à 460 000 fois sur le bois, le charbon et le pétrole respectivement ! Toutefois, grâce au retraitement du combustible, la quasi-totalité de la matière fissile peut être exploitée. Les neutrons libérés par la réaction de fission permettent d’enrichir, par transmutation nucléaire, d’autres pastilles de combustible. Ainsi, le cycle complet employant le retraitement et la régénération du combustible est pratiquement sans limite. Le combustible nucléaire est le seul qui se remplace tout en se consommant ! Densité de flux énergétiquePour passer du concept de densité énergétique à celui de densité de flux énergétique, il faut approfondir la conception de travail. Dans nos manuels scolaires de physique, l’énergie est assimilée au travail, ce qui est une perversion. Au XIXème siècle, l’une des grandes percées en physique fut de mettre en évidence une équivalence entre chaleur, électricité et mouvement mécanique, attribuant à toutes ces formes d’énergie (travail), entre autres, une mesure commune. Ainsi, la définition technique de la densité de flux énergétique serait simplement la quantité d’énergie passant par une surface donnée durant une unité de temps. Par exemple, la comparaison entre l’action de deux couteaux, l’un aiguisé et l’autre émoussé, illustre cette différence de densité de flux énergétique. Avec le couteau aiguisé, le travail exercé par la main est concentré sur une surface plus petite. La densité de flux énergétique est plus élevée et le couteau aiguisé coupe là où l’autre n’y parvient pas. Par cette méthode de calcul, on peut démontrer que la densité de flux énergétique produite par la fission d’un seul atome d’uranium est de 20 millions à 20 millions de milliards de fois supérieure à celle produite par la combustion d’une seule molécule de combustible à forte densité énergétique, comme le gaz naturel [5]. Cependant, cet avantage quantitatif ne rend pas compte de la différence essentielle. Pour comprendre la densité de flux énergétique dans le contexte de l’économie physique, une conception supérieure du travail est nécessaire ; contrairement à la physique scolaire, il ne suffit pas de considérer le travail comme une simple dépense d’énergie mesurée en calories, joules, kilowattheures ou électrons-volts. En économie physique, il faut plutôt observer la puissance transformatrice du travail. La devise des ouvriers qualifiés, « ne pas travailler dur, mais adroitement », donne une première idée du concept. Autrement dit, en faisant appel à son intelligence, une même dépense en termes d’effort sera rendue plus efficace, que ce soit en utilisant un outil différent, en en improvisant un nouveau ou en organisant différemment le processus. Dans le cas du nucléaire, à l’opposé des processus chimiques ou mécaniques, une sorte d’ordre supérieur d’innovation est à l’œuvre. Il s’agit de l’application d’un nouveau principe physique universel, issu de la révolution en chimie physique qui débuta avec la séparation du premier gramme de radium par les Curie et se poursuivit par l’identification des processus de désintégration radioactive, la transmutation nucléaire, la relation entre l’énergie et la masse, le noyau, l’isotope, le neutron, l’accélérateur, puis la découverte de la fission, la réaction en chaîne, etc. Outre les questions de coût et d’efficacité, dire que le solaire et l’éolien peuvent servir à générer de l’électricité au même titre que le nucléaire, est fallacieux précisément dans la mesure où cet argument ne tient pas compte de la puissance transformatrice que permet l’application de ce nouveau principe physique universel. L’énergie nucléaire travaille beaucoup plus intelligemment que ne le peuvent l’éolien, le solaire ou les énergies fossiles. La raison n’en est pas simplement la supériorité de sa densité de flux énergétique, mesurée en termes caloriques, mais plutôt la transformation du processus économique global qu’elle permet d’effectuer. Avec la fission de chaque noyau d’uranium, plusieurs entités minuscules, en partie corpusculaires et en partie ondulatoires, sont libérées à des vitesses approchant celle de la lumière. Ces particules-ondes, que nous appelons neutrons, peuvent pénétrer au sein du noyau d’un autre atome proche et le transformer en un nouvel élément, processus qu’on appelle transmutation. Mais ce n’est qu’un début, car ce nouvel élément peut, à son tour, muter spontanément en un autre, puis encore un autre, produisant une famille de sous-produits (isotopes) qui finissent sous une forme stable. En maîtrisant la chimie de ces transformations, nous avons la possibilité de fabriquer de nouveaux matériaux, certains connus et d’autres restant à découvrir, qui seront bénéfiques à la vie humaine future. Nous bénéficions aussi des rayonnements émis par ces isotopes, d’au moins trois types différents, chacun d’une dureté particulière. Leur utilité dans le diagnostic et le traitement d’une palette de maladies graves est avérée, et chaque jour ouvre de nouvelles perspectives.
Le nucléaire pour le carburant et l’eauDans de nombreuses régions du monde, y compris certaines densément peuplées comme la côte est de l’Inde, l’approvisionnement en eau potable se tarit. Les puits sont contaminés tandis que les eaux fossiles s’épuisent. Même aux États-Unis, notamment dans le sud de la Californie, on atteint des limites critiques. La solution est pourtant connue. L’efficacité de la production d’eau douce par le dessalement de l’eau de mer et des nappes saumâtres a été largement démontrée. Actuellement, 40 millions de mètres cubes d’eau sont produits chaque jour par dessalement, essentiellement au Moyen-Orient et en Méditerranée. Les principales méthodes sont l’osmose inverse (on utilise des pompes électriques pour faire passer l’eau salée ou saumâtre dans des membranes spécialement conçues) et la distillation flash. Toutefois, le dessalement est un processus qui nécessite beaucoup d’énergie. La faisabilité du nucléaire pour dessaler de grandes quantités d’eau fut démontrée pour la première fois il y a quarante ans, au Kazakhstan soviétique. Pendant vingt-sept ans, le réacteur à neutrons rapides d’Aktau a produit 80000 mètres cubes d’eau potable par jour et en même temps, jusqu’à 135 mégawatts d’électricité. Le Japon fait tourner dix usines de démonstration de dessalement, couplées à des réacteurs nucléaires, et l’Inde a mis en service en 2002 une usine de démonstration de dessalement à la Madras Atomic Power Station, dans le sud-est, qui produit journellement 6300 mètres cubes. A la différence des centrales nucléaires, éoliennes et panneaux solaires ne peuvent assumer la fourniture de grandes quantités d’eau douce. Le nucléaire permettra aussi de ne plus dépendre du pétrole importé. La clef se trouve dans les deux atomes d’hydrogène contenus dans chaque molécule d’eau (H2O). L’hydrogène est un carburant qui peut être utilisé tel quel ou combiné à des sources de carbone pour produire des carburants liquides tout à fait similaires à ceux que nous utilisons aujourd’hui. On peut l’obtenir à partir de l’eau, par électrolyse ou décomposition thermochimique. Les hautes températures fournies par la nouvelle génération de réacteurs refroidis à l’hélium permettent d’améliorer largement l’efficacité de ces deux processus. L’hydrogène ou les carburants à base d’hydrogène produits grâce au nucléaire, combinés à une électricité abondante pour des véhicules électriques, fourniront l’approvisionnement local en carburant automobile. Au lieu d’enrichir les cartels anglo-saoudiens en acheminant le pétrole par mer sur des milliers de kilomètres, le carburant serait produit sur place, en même temps que l’électricité, grâce aux centrales nucléaires disponibles. Voilà ce que nous réclamons en tant que nation et c’est aussi ce dont le monde a besoin. Ce sont les retombées pratiques des révolutions scientifiques du XXème siècle. L’avenir est plein de promesses : des percées, comme la fusion thermonucléaire, sont à portée de main, d’autres suivront. Le retour à des modes de production énergétiques d’avant le XVIIIème siècle provoquera un effondrement de la civilisation, un « nouvel âge de ténèbres » dont nous risquons de ne pas nous remettre avant longtemps. Notes : [1] Un outil pédagogique utile, que l’on trouve couramment dans les musées scientifiques et autres expositions publiques, est le générateur (dynamo) de bicyclette. En pédalant, le curieux découvre combien de travail il faut fournir pour allumer une ampoule de 100 watts. Voilà un moyen sensuel d’apprécier l’économie de travail rendue possible par la production électrique moderne ! [2] Méfiez-vous des apparences ! La centrale a un pic de production énergétique de 64 mégawatts. Mais comme toute centrale solaire, il s’agit de la quantité qu’elle peut produire à l’heure de midi. A mesure que le soleil décline, la production baisse d’autant, jusqu’à la tombée de la nuit où elle ne produit plus rien du tout. [3] Source des données du tableau : [4] La comparaison entre le poids du charbon et celui du pétrole est d’autant plus pertinente que le premier représente à l’heure actuelle presque la moitié du tonnage transporté par rail aux États-Unis, et 85% en Chine ! [5] Précisons que les États-Unis sont en retard dans l’utilisation des isotopes médicaux, parce que leurs capacités de production ont été pratiquement éliminées, sauf pour les plus communs d’entre eux. 90% des isotopes médicaux sont importés. Les chances de survie face à certains types de cancer sont bien plus grandes dans un hôpital européen qu’aux États-Unis, parce que les médecins américains n’ont pas recours aux thérapies radio-isotopiques appropriées. |
Rédacteur-en-chef du magazine américain 21st Century Science & Technology.
