Futures révolutions énergétiques

Jul 16, 2023

La semaine dernière, nous avons discuté de toutes les principales révolutions énergétiques de l'histoire humaine. Nous avons vu que de meilleures formes d'énergie remplacent les formes obsolètes.

Il semble donc que nous ayons pratiquement éliminé le bois et le charbon, mais nous dépendons toujours du pétrole et du gaz, n'est-ce pas ?

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Oh oh. La vérité est que nous sommes encore proches du pic de consommation de bois, de charbon et de pétrole, et que la consommation de gaz explose. C'est parce que même s'ils diminuent en tant que part de l'énergie consommée, nous consommons beaucoup plus d'énergie.

Nous savons que nous devons sortir de ce paradigme le plus rapidement possible. Alors que va-t-il se passer ?

Nous avons mentionné dans l'article précédent que toutes les premières sources d'énergie se résumaient au Soleil. Mais ce n'est plus vrai. À notre connaissance, il y en a fondamentalement quatre : le Soleil, la Terre, la Lune et les atomes.

Comme nous l'avons vu, l'humanité a fait d'énormes progrès chaque fois qu'elle a trouvé une nouvelle façon d'exploiter plus d'énergie : élevage, moulins à eau, voiles, charbon…

Si nous voulons que l'humanité passe au prochain niveau de progrès, nous devons augmenter l'énergie que nous exploitons. L'énergie est bonne. Ce qui est mauvais, c'est de le faire d'une manière qui a des coûts importants. Malheureusement, nous n'allons pas dans la bonne direction, pas seulement à cause de la consommation d'énergies fossiles.

Bien sûr, cela correspond exactement à la grande stagnation de la productivité américaine :

La chute de l'énergie n'est pas la seule responsable du ralentissement de la productivité, mais elle y contribue.

La consommation d'énergie par personne dans le monde développé suivait une exponentielle, mais elle a maintenant chuté et a plutôt diminué.

Ce n'est pas bon en soi : nous aimons l'énergie ! Nous aimons en utiliser beaucoup! Il nous réchauffe quand nous avons froid, nous rafraîchit quand nous avons chaud, éclaire l'obscurité, alimente nos ordinateurs et nous aide à faire tout ce pour quoi nous avons besoin d'aide.

Ce qui est bien avec moins de consommation d'énergie par personne, c'est qu'on pollue moins. Mais cela nous oblige à faire un compromis malheureux entre l'utilisation de l'énergie et l'environnement. Cela réduit notre épanouissement au nom de la durabilité. Et si nous n'avions pas besoin d'un tel compromis ? C'est ce que l'avenir de l'énergie devra offrir.

Le schéma ci-dessus nous indique nos options énergétiques pour y parvenir. Tout d'abord, du côté de la production d'énergie :

Solaire—thermosolaire ou photovoltaïque

Vent

Marée

Fission nucléaire

La fusion nucléaire

Géothermie

Parmi ceux-ci, le photovoltaïque semble meilleur que le thermosolaire, l'éolien semble plafonné

Cependant, il ne s'agit pas seulement de sources. Comme nous l'avons vu plus tôt cette semaine avec la valeur de l'électricité ou des moteurs à combustion, il y a d'autres aspects de l'énergie qui sont aussi importants que les sources. Que sont-ils?

Vous ne voulez pas seulement produire de l'énergie et l'utiliser. Vous voulez pouvoir le transformer, le stocker et le transporter de la manière la plus simple, la moins chère et la plus propre possible.

Il est 10 000 av. Vous et votre groupe de 20 personnes vivez à proximité d'une immense forêt. Vous voulez construire un monticule.

​​Vous avez beaucoup d'énergie stockée dans ces arbres ! Mais pouvez-vous l'exploiter pour construire ce monticule? Non, parce que vous n'avez aucun moyen de transformer l'énergie du soleil, stockée chimiquement dans ces arbres, en énergie pour déplacer le sol. Vous ne pouvez même pas utiliser les arbres pour nourrir les gens afin qu'ils aient plus de bébés et que le clan grandisse et qu'il y ait finalement assez de muscles pour construire un monticule. Tout au plus, vous pouvez brûler des arbres pour cuisiner des aliments et en brûler quelques-uns pour utiliser les cendres pour fertiliser le sol. Mais c'est une façon extrêmement inefficace de transformer les arbres en énergie utilisable ! Le muscle pouvait faire des choses que le bois ne pouvait pas.

Inversement, le bois pouvait faire des choses que le muscle ne pouvait pas. Quand il faisait sombre et froid, vous ne pouviez pas utiliser l'énergie musculaire du clan pour gagner de la chaleur et de la lumière. Tout au plus, vous pourriez tous vous réunir pour un peu de chaleur, mais ce n'est pas très pratique et empêche tout le monde de travailler beaucoup. La lumière était tout simplement impossible à obtenir à partir du muscle, vous ne pouviez l'obtenir qu'à partir du bois.

Dans le passé, les gens avaient besoin d'une source d'énergie spécifique pour chaque type d'utilisation. C'est gênant. Les technologies permettant de transformer l'énergie d'une forme à une autre étaient donc très utiles.

Les animaux domestiqués ont été l'un des premiers moyens de le faire, en convertissant l'énergie des plantes en énergie flexible, en nourriture et en transport.

Les fours nous ont permis de transformer la chaleur en procédés industriels.

Le moteur à combustion nous a permis de transformer l'énergie chimique stockée dans les combustibles fossiles en énergie de transport.

La plus grande percée a sans doute été la machine à vapeur : elle nous a permis de transformer la chaleur en de nombreux types de transport et d'utilisation de l'énergie. Vous pouvez l'utiliser pour propulser des trains, des bateaux à vapeur ou tout type de machine.

C'est aussi l'une des principales raisons pour lesquelles l'électricité est si précieuse. Ce n'est pas une source ou une utilisation du pouvoir. C'est un intermédiaire. Mais il est extrêmement polyvalent : vous pouvez convertir presque n'importe quelle source d'énergie en électricité, puis vous pouvez utiliser l'électricité pour presque tous les cas d'utilisation.

L'électricité est aussi précieuse en raison d'un aspect presque magique : elle nous permet de

Comme nous l'avons dit la semaine dernière, l'importance du transport de l'énergie était la raison pour laquelle les arbres devaient être placés si près des villes, ou pourquoi il a fallu si longtemps pour que le charbon soit largement utilisé pour le chauffage.

C'est aussi l'une des raisons pour lesquelles le pétrole a remplacé le charbon : en tant que liquide, il est beaucoup plus facile à transporter par pipelines, ce qui est impossible pour le charbon. De même, l'une des raisons pour lesquelles le moteur à combustion est supérieur à la machine à vapeur est que l'huile peut être remplie dans un réservoir beaucoup plus facilement que l'alimentation en charbon d'un four.

Nous avons donc besoin que notre énergie soit facilement transformable et transportable. Dans les deux, l'électricité brille.

Quoi d'autre?

Le stockage de l'énergie a toujours été un problème. Par exemple, dans la vallée du Mississippi au XIXe siècle, le maïs était transformé en bourbon ou en jambon pour qu'il ne se gâte pas ("afin qu'il n'y ait pas de pertes de l'énergie qu'il contient sous forme de nourriture"). Le whisky avait également l'avantage d'avoir plus de calories par unité de poids, il était donc plus transportable. C'était précieux lorsque le coût du transport était si élevé, avant les chemins de fer.

Si nous revenons à nos principaux types d'énergie, l'un des énormes avantages du bois et du charbon est leur facilité de stockage : il suffit de les déposer dans un endroit sec.

Le soleil et le vent ne peuvent pas du tout être stockés, alors que l'eau est le type d'énergie le plus stockable : il suffit de la retenir.

Le pétrole a besoin de pétroliers et le gaz doit être congelé pour être comprimé, ou bien branché dans d'énormes stockages encombrants. Mais ils sont faisables. C'est pourquoi les pays ont des réserves stratégiques de ce genre de choses, mais seulement quelques mois.

Le besoin de stockage est lié au besoin de disponibilité. Vous voulez votre énergie quand vous en avez besoin, pas à un autre moment. Si vous devez attendre que l'énergie soit disponible, vous perdez votre temps. C'est le fléau des marins ou des meuniers qui attendent le vent, des automobilistes qui doivent se rendre à la station-service pour obtenir plus d'essence, des cavaliers qui doivent attendre que les chevaux mangent et se reposent, ou des centrales solaires qui attendent que le soleil se lève.

Comme vous pouvez stocker du pétrole et du gaz, ils sont disponibles dès que vous en avez besoin.

L'électricité est la plus délicate. Il a besoin de batteries pour être conservées, qui sont notoirement difficiles et coûteuses à construire. Mais au moins l'électricité est stockable d'une manière que les énergies renouvelables comme l'éolien et le solaire ne le sont pas, c'est pourquoi nous les transformons en électricité avant de les stocker. Néanmoins:

C'est la fameuse courbe de canard, quelque chose que la plupart des pays devront affronter tôt ou tard. Il montre essentiellement la quantité d'énergie nécessaire à différentes heures de la journée en Californie au printemps, à l'exclusion de l'énergie solaire et éolienne. Comme vous pouvez le voir, la nuit, la Californie a besoin d'environ 15 à 20 GW. Mais vers le milieu de la journée, il a besoin de moins en moins d'énergie chaque année. À tel point que maintenant, pendant les heures de pointe de la production solaire, il y a plus d'énergie générée que consommée. C'est problématique, car cela signifie que l'ajout de plus d'énergie solaire n'aide pas beaucoup et que chaque nouvelle installation d'énergie solaire réduira en fait l'argent gagné par les opérateurs solaires existants. C'est parce que nous ne pouvons pas facilement stocker l'énergie solaire.

Mais au moins, nous pouvons déjà utiliser des piles pour économiser de l'énergie du jour au lendemain. C'est cher, et nous en perdons une partie, mais nous pouvons le faire. Cela nous place dans une position similaire à celle de l'éclairage au gaz par rapport à l'éclairage électrique : alors que l'électricité en courant continu était chère et présentait des pertes, elle n'était pas très compétitive par rapport au gaz. Mais lorsque le courant alternatif l'a remplacé, les pertes d'électricité ont chuté, l'éclairage électrique est devenu beaucoup moins cher que l'éclairage au gaz, et il l'a finalement remplacé.

Malheureusement, nous avons un problème beaucoup plus important pour le stockage saisonnier. On peut avoir tout le soleil qu'on veut en juin, mais si on n'en a pas beaucoup en décembre, on aura quand même besoin d'autres énergies.

Qu'est-ce que cela nous dit? Que si nous voulons une nouvelle révolution énergétique, nous avons besoin d'un moyen très bon marché de stocker l'électricité. Cela signifie clairement que les batteries doivent continuer à s'améliorer rapidement pour le stockage de l'électricité pendant la nuit. Nous avons toujours besoin d'un stockage saisonnier bon marché. Ce sera la technologie clé qui libérera pleinement la combinaison du solaire et de l'électricité.

Une autre chose qui est pertinente à propos du stockage est la façon dont nous consommons l'électricité.

La chaleur a diminué et l'éclairage représente très peu de l'énergie globale. Nous voudrions plus d'électricité pour l'énergie industrielle, et comme nous pouvons le voir, l'énergie pour le transport ne cesse de croître.

Cela signifie que nous devons garder à l'esprit qu'il est crucial de déterminer comment stocker l'énergie pour le transport.

Ce qui pose un autre problème, celui de la densité énergétique, lié à la fois au stockage et au transport de l'énergie.

Puisqu'il est coûteux de déplacer de l'énergie, vous voulez une énergie aussi dense que possible, donc quelques grammes de quelque chose vous donnent beaucoup de puissance.

C'est la raison pour laquelle le kérosène est si courant dans l'aviation : il contient une tonne d'énergie par kilogramme, et lorsque vous volez, chaque kilogramme compte car il en coûte beaucoup d'énergie pour faire voler l'avion. C'est pourquoi environ 30 à 45 % du poids d'un jet est son carburant (fraction de carburant). C'est une considération encore plus importante dans les fusées, avec une fraction de carburant supérieure à 90 %

Cela a moins d'importance dans les voitures car seulement 5% ou moins du poids de la voiture est généralement du carburant. Mais ce n'est pas vrai pour les voitures électriques, dont les batteries représentent environ 25 % du poids de la voiture.

En effet, transporter de l'électricité connectée est facile et peu coûteux avec des lignes électriques. Mais au moment où vous avez besoin de détacher quelque chose, vous rencontrez le problème de la densité d'énergie. C'est pourquoi les fusées électriques, voire les avions, sont aujourd'hui une chimère : dans la plupart des cas, les batteries seront trop lourdes pour être portées par elles-mêmes.

Ce que nous voyons, c'est que les nouvelles énergies n'ont jamais remplacé les anciennes jusqu'à ce qu'elles soient moins chères :

Le charbon n'a pas remplacé le bois tant que les coûts de transport n'ont pas suffisamment diminué pour le rendre moins cher.

Le charbon a mis plusieurs décennies à remplacer le vent, car le vent était gratuit. Il a fallu de nombreux autres avantages pour surmonter cette différence de coût. Et cela ne s'est produit que lorsque le rapport coût-bénéfice s'est avéré positif : lorsque les commerçants ont remarqué que la disponibilité et la flexibilité des moteurs à vapeur offraient des opportunités commerciales difficiles d'accès pour les voiliers.

L'éclairage au gaz a mis du temps à remplacer les bougies car il nécessitait un investissement initial. Les entreprises pouvaient se le permettre et ont été les premières à le faire. Mais il est d'abord entré dans les ménages les plus riches avant de se répandre.

L'éclairage électrique n'a pas remplacé l'éclairage au gaz jusqu'à ce que le courant alternatif le rende moins cher.

Dès que le moteur à combustion est devenu moins cher que le moteur à vapeur, il l'a remplacé. Pas avant.

En d'autres termes : on peut craindre le changement climatique tant qu'on veut, mais la seule chose qui fera vraiment une différence, ce n'est pas l'action publique. C'est le coût de l'énergie qui n'émet pas de CO2 qui descend en dessous de celui des énergies fossiles.

Fait intéressant, on peut également prédire qu'à partir de maintenant, les pompes à chaleur commenceront à remplacer le chauffage au gaz. Malheureusement, cela nécessite des changements dans les installations domestiques et industrielles. Cela nécessite un coût initial, et cela le retardera, de la même manière qu'il a fallu du temps pour que l'électricité remplace l'éclairage au gaz, car cela nécessitait un nouveau câblage électrique dans les maisons. Cependant, si les sources d'énergie deviennent encore moins chères, l'écart avec le chauffage au gaz pourrait devenir si énorme que l'investissement deviendrait une évidence.

C'est une autre chose qui incline une technologie contre une autre. L'éclairage électrique est beaucoup plus facile à manipuler que les bougies ou la combustion au gaz. Jeter du charbon dans la machine à vapeur est plus facile que de manipuler des voiles complexes. Vous pouvez acheter du fourrage pour votre cheval, le ramener à la maison, le donner à votre cheval toutes les quelques heures, le nettoyer, en prendre soin, appeler le vétérinaire… Ou vous pouvez brancher la buse dans le réservoir de votre voiture.

Ici, nous avons à nouveau un grand gagnant : l'électricité.

Du côté de la production, la difficulté est l'un des principaux inconvénients de l'énergie nucléaire : c'est dangereux, donc ça demande beaucoup de gestion proactive, ce qui fait grimper les coûts. Pendant ce temps, le pétrole est particulièrement facile à manipuler, l'une des raisons pour lesquelles il est partout.

Si un type d'énergie est bon marché mais sale, les gens vont le consommer : dans la plupart des cas, ils préfèrent économiser de l'argent que leur santé

Mais à mesure que les coûts des différentes énergies deviennent comparables, la propreté redevient importante. Les taches sombres de la combustion des bougies et du gaz étaient une bonne raison pour le passage à l'éclairage électrique.

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Voici ce que nous savons :

La consommation d'énergie ralentit dans les pays développés. C'est bon pour l'environnement mais mauvais pour le progrès économique. Si nous voulons que les gens aient des opportunités illimitées, nous devons augmenter la consommation d'énergie.

Cependant, nous devons le faire d'une manière qui rende la Terre non pas pire, mais meilleure. Un monde avec plus d'énergie et plus de durabilité.

Heureusement, les trois sources d'énergie sur lesquelles nous pouvons compter n'émettent pas de CO2 : l'éolien, le solaire et le nucléaire. Nous devons tous les pousser, mais surtout le plus prometteur (le solaire) et le plus impopulaire (le nucléaire).

Nous avons déjà inventé le parfait intermédiaire de l'énergie : l'électricité. Il est bon marché à transformer et à transporter, il est facile à utiliser et à nettoyer. Son inconvénient majeur est le stockage.

Malheureusement, c'est aussi une faiblesse des trois sources d'énergie les plus prometteuses dont nous disposons. L'énergie nucléaire peut être stockée, mais il est difficile d'augmenter et de diminuer sa production. Pendant ce temps, le solaire et le vent ne peuvent pas être stockés. Cela signifie que l'offre et la demande ne peuvent pas facilement se rencontrer. La seule façon de résoudre ce problème est avec un meilleur stockage.

Les plus grandes inadéquations entre l'offre et la demande sont les pics et les creux quotidiens de la demande, par rapport aux pics quotidiens et saisonniers de l'éolien et du solaire.

Cela signifie que nous devons absolument comprendre le stockage électrique pendant la nuit. Les batteries sont notre meilleur pari pour cela. Nous avons besoin de cette technologie pour progresser aussi vite que possible.

Cela est particulièrement vrai pour les transports. C'est formidable que Tesla ouvre la voie ici.

Mais il est peu probable que les batteries électriques fonctionnent pour les navires et en particulier les avions. Nous avons besoin d'un autre moyen de stocker de l'énergie pour eux.

Nous avons encore besoin d'un moyen de résoudre l'inadéquation de l'offre et de la demande d'énergie au fil des saisons

En d'autres termes : nous devons réduire considérablement le coût de l'énergie nucléaire, de l'énergie solaire, du stockage nocturne de l'électricité par batteries et du stockage saisonnier de l'énergie.

Je vais écrire sur tout cela, alors restez à l'écoute!

Il y a encore beaucoup d'énergie éolienne disponible, mais pas autant que le solaire, et le solaire devient moins cher plus rapidement que le vent. L'énergie éolienne potentielle totale ne représente que 5 fois la consommation mondiale de 2007 selon ces articles : Lu X., McElroy MB et Kiviluoma J. : Global potential for wind-generated electric; Archer CL et Jacobson MZ : Évaluation de l'énergie éolienne mondiale. Pendant ce temps, le solaire est 30x. Nous manquerions d'énergie ce siècle si nous n'avions que du vent. Cela nous mènerait au siècle prochain avec le solaire.

J'écrirai plus sur chacun d'eux à l'avenir.

Pas vraiment instantanément, mais proche de la vitesse de la lumière.

Il suffit d'augmenter sa tension pour réduire ses pertes.

D'après ce que je peux recueillir sur des sites comme celui-ci ou celui-ci. ChatGPT et l'IA d'Edge sont d'accord.

Tant que l'impact est à long terme.

Quelques options : batteries intersaisonnières, transmission globale, énergie si bon marché à produire qu'on peut la surproduire pour répondre à n'importe quelle demande, génération spatiale et rayonnement terrestre, transformer le CO2 en méthane… J'en explorerai quelques-unes à l'avenir.

Trois d'entre eux sont des problèmes techniques, et le 4ème est social. Les problèmes techniques n'ont pas besoin de beaucoup de soutien au-delà d'investir et de travailler dessus. Le 4e, le nucléaire, est un problème de société et de communication qui a besoin d'autre chose.