La consommation d’énergie de l’humanité et un excellent sketch

énergie solaire

 

Déjà commençons par voir comment le Soleil « fabrique » de l’énergie

 

Le Soleil est principalement composé d’hydrogène (à plus de 92% en volume et 75% en masse).

L’hydrogène est un atome très simple, constitué d’un noyau atomique qui ne contient qu’un proton, et d’un électron qui tourne autours de ce noyau.

 

Atome d'hydrogène représenté dans le modèle de Bohr

Atome d’hydrogène représenté dans le modèle de Bohr

 

Le Soleil va tirer son énergie de la fusion des atomes d’hydrogène qui le constituent. Quand deux noyaux d’hydrogène fusionnent entre eux, ils s’assemblent pour former un atome plus lourd, un atome d’hélium. Cette réaction de fusion libère énormément d’énergie.

Il faut qu’il fasse très chaud pour que la réaction s’amorce, or il y a eu tellement de matière, attirée par la gravité et qui s’est condensée lors de la constitution du Soleil, que le seul poids de cette matière s’écrasant sur elle même a généré des pressions faramineuses et des températures colossales à l’intérieur du Soleil, amorçant ainsi les réactions de fusion de l’hydrogène qui le constitue (pour rappel la masse du Soleil représente plus de 99% de toute la masse du système solaire donc ça fait beaucoup beauuuucoup de matière).

Ensuite comme la réaction libère plus d’énergie que le Soleil n’en dissipe, eh bien… il continue de faire chaud et la réaction s’entretien :). Il règne à l’intérieur du Soleil une température de 15 millions de degrés Celsius !

 

Fusion d'atomes d'hydrogène pour donner de l'hélium en libérant au passage du rayonnement et de l'énergie.

Fusion d’atomes d’hydrogène pour donner de l’hélium en libérant au passage du rayonnement et de l’énergie.

 

Chaque seconde, le Soleil transforme 600 millions de tonnes d’hydrogène en hélium. Or 1 kilogramme d’hydrogène se transforme lors de la fusion en 0,993 kilogrammes d’hélium. Donc 0.007 kilogrammes de matière sont convertis en énergie, et vous connaissez tous la formule : E = mc². E (énergie) = m (masse) × c² (vitesse de la lumière dans le vide) = 630 000 000 000 000 de joules par kilogramme.

Or ici nous parlons de 600 milliards de kilogrammes, soit 198 000 000 000 000 000 000 000 000 de joules chaque seconde (198 millions de milliards de milliards).

 

Comment cette énergie arrive jusqu’à nous

 

Le Soleil dissipe l’énergie créée en son sein en chaleur et rayonnement. Le rayonnement peut se propager dans l’espace pour arriver jusqu’à la Terre (dans des longueurs d’onde allant de l’infra-rouge au visible puis à l’ultra-violet – la lumière du Soleil quoi). Cependant la Terre n’est touchée que par une toute petite partie de ce rayonnement.

Tout d’abord comme nous l’avons dit précédemment seule une partie de l’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaire quitte le Soleil, une autre partie est aussi consommée pour entretenir la réaction.

Ensuite l’angle solide qu’elle a avec le Soleil est assez petit, elle ne reçoit de l’énergie totale que le Soleil libère à sa surface que la fraction qui correspond à son angle solide (0,000069 stéradians).

 

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De plus une partie de ce rayonnement est réfléchi (environ 30%).

Malgré ça, il reste quand même environ 120 millions de gigawatts de puissance qui nous arrivent au sol depuis le Soleil en permanence. Soit chaque heure environ 439 000 000 000 000 000 000 de joules ! L’équivalent de la consommation énergétique mondiale (soit à peine 0,0002% de l’énergie produite par le Soleil, que nous avions calculé ci-dessus).

 

Que font les plantes avec cette énergie

 

La photosynthèse, vous connaissez ? Il s’agit de la synthèse, de la fabrication de matière organique (notamment de sucres ou de matière vivante) et d’oxygène (dioxygène – Oâ‚‚), grâce au gaz carbonique (dioxyde de carbone – COâ‚‚) contenu dans l’air, et à la lumière du Soleil.

La lumière est absorbée par la plante grâce à la chlorophylle, pigment qui donne aux plantes leur couleur verte. Seul un petit pourcentage de la lumière qui arrive sur la plante est absorbée par la plante (environ 5%), le reste est transmis, réfléchi, bref, va ailleurs. Et même sur ces 5% la plante ne converti que 1 à 2% de l’énergie solaire absorbé en énergie pour elle même (on appelle ça le « rendement »).

En absorbant la lumière, la plante va fabriquer des molécules qui pourront réagir avec le COâ‚‚ (NAPDH) d’une part, et d’autre part des molécules qui vont « stocker de l’énergie chimique » (ADP – adénosine triphosphate) qui servira ensuite aux réactions chimiques de la plante.

Au final la réaction chimique (non équilibrée, il ne s’agit que d’une illustration) est globalement celle-ci :

CO₂ + H₂O + Lumière du Soleil -> (CH₂O)ₙ + O₂ + H₂O.

(CH₂O)ₙ peut être du glucose par exemple, C₆H₁₂O₆.

Puis la plante, avec les minéraux du sol, l’eau et ces matières organiques produites lors de la photosynthèse va elle même produire sa propre matière, les tissus qui la constituent et se développer.

les-lecons-de-choses-photosynthese

 

Nous venons de voir que seuls 5% de l’énergie solaire est absorbée par la plante, puis 1% de rendement lors de la photosynthèse, donnent environ 5 × 0,01 soit 0,05% de l’énergie solaire au sol réellement absorbée par les plantes. Dans ce cas, en disant que toute la surface de la Terre est couverte de plantes (plancton à la surface des océans, forêts, steppes, etc…), alors au bout d’un an, ces 0,05% de l’énergies solaire au sol utilisée par la biomasse des plantes représente plus de 5 fois la consommation d’énergie totale de l’humanité ! (Nous allons y revenir).

 

Consommation d’énergie humaine mondiale (par an)

 

Sur Terre chaque année, nous, êtres humains, consommons environ 150 mille milliards de watts-heures (estimation 2015 et chaque année c’est un peu plus) soit 500 000 000 000 000 000 000 de joules.

C’est ce que le Soleil nous envoie en 1 heure ! Et que parfois nous tentons de capter avec des panneaux solaires.

Eh bien malgré toutes nos tentatives, nos panneaux solaires avec un rendement (énergie reçue / énergie transformée en électricité) autours de 15% ne fournissent même pas 1% de l’énergie mondialement consommée.

De plus les panneaux solaires sont faits de matériaux assez polluants (il est cependant possible de les recycler – vous trouverez de bonnes solutions par le biais d’associations comme Hespul) et nous ne savons pas encore comment imiter la photosynthèse pour en tirer de l’énergie. Alors oui nos marges de progression sont énormes et bien d’autres pistes envisageables comme l’éolien, l’hydraulique, l’atome etc… mais notez que finalement nous avons déjà, tout autours de nous, l’énergie dont nous avons besoin… reste à apprendre à la cueillir proprement ;). #confianceenlascience

 

Comme promis ce super sketch de Louis CK, c’est en anglais, ça ne se traduit pas parce que c’est très bon comme ça !

 

 

 

 

 

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6 comments

  • […] Déjà commençons par voir comment le Soleil « fabrique » de l’énergieLe Soleil est principalement composé d’hydrogène (à plus de 92% en volume et 75% en masse).L’hydrogène est un atome très simple, constitué d’un noyau atomique qui ne contient qu’un proton, et d’un électron qui tourne autours de ce noyau. Le Soleil va tirer son énergie de la fusion des atomes d’hydrogène qui le constituent.  […]

  • Bonjour, merci pour l’article. Une remarque cependant sur le caractère assez polluant des panneaux solaires et leur difficulté à être recyclé: ce n’est pas vrai! L’association hespul a réalisé une excellente analyse de cycle de vie que vous pourriez reprendre pour completer cet article….

  • […] ne doit pas pouvoir descendre en dessous d’une orbite minimale, alors là vas-y que Niel Bohr fait péter un nouveau modèle. Observant que les atomes n’émettent que certaines […]