Le français et l'énergie

Pratiquement toutes les formes d'énergie, mécanique, hydraulique, ou thermique sont omniprésentes dans notre environnement. L'énergie potentielle contenue dans la matière qui se trouve dans cet environnement est non seulement disponible et abondante, elle est souvent, cerise sur le gâteau, gratuite et proche de nous. La masse de la matière est omniprésente dans la plupart des formules physiques qui quantifient les différentes formes d'énergies que l'homme a réussi à produire à partir de son transfert ou de sa transformation. Notre passé nous apprend qu'il a d'abord réussi à transformer cette matière en énergie thermique avec la combustion du bois ou des combustibles fossiles et plus récemment des ordures ménagères. Un passé encore récent datant des années 50 nous apprend qu'en manque d'énergie, il a également réussi à transférer l'eau de la retenue des barrages vers l'aval pour transformer son énergie mécanique potentielle en énergie électrique avec une chaîne énergétiques passant par la case hydraulique à l'aide des turbines Pelton ou Kaplan.

 

L'homme n'a jamais su stocker économiquement l'énergie électrique en très grosse quantité. Ni même l'énergie thermique que ce soit grâce à la chaleur spécifique d'une masse de fonte dans un convecteur électrique ou même d'un ballon d'eau chaude sanitaire, sauf à majorer souvent inutilement le coût et l'encombrement d'une chaufferie. La France vient heureusement de découvrir récemment et de mettre au point un dispositif appelé STEP consistant à remonter l'eau dans la retenue supérieure d'un barrage et à utiliser la chute d'eau plusieurs fois. Insatiable énergétivore, la France a été un des premiers pays à se transformer en apprenti sorcier en manipulant les chaînes atomiques de la matière avec la fission et la fusion nucléaire. La France incontestable leader dans le domaine de l’énergie électrique nucléaire a par exemple brillamment réussi, à l'occasion de ces manipulations à la faire « disparaître» en générant de l'énergie électrique après être passé par la case thermique. La célèbre formule E = mc2 reliant la masse de la matière « disparue » et l'énergie est une preuve supplémentaire de l'omniprésence de la matière dans toute forme de production d'énergie. En passant à nouveau par la case thermique et sous réserve d'obtenir un niveau de température suffisamment élevée, la France est également en passe de réussir à produire de l'énergie électrique avec la géothermie profonde et le solaire thermique à plus grande échelle, solutions assurément plus intelligentes et moins destructrices pour notre environnement que celles consistant à utiliser la combustion des combustibles fossiles pour faire tourner des turbines à gaz ou pire encore des moteurs diesels pour générer l'énergie mécanique nécessaire aux alternateurs. Ce qui est surprenant dans les chaînes énergétiques les plus récentes évoquées ci-dessus est le fait que l'on passe à chaque fois par la case thermique pour générer l'énergie électrique, quitte à revenir au thermique pour se chauffer par effet joule malgré la mauvaise efficacité d'un convecteur électrique. Quant à l'énergie électrique fournie par le solaire voltaïque, les éoliennes et les futures hydroliennes, elles ne passent pas par la case thermique, ce qui explique probablement en partie pourquoi le prix de l'électricité qu'elles fournissent est si élevé. Ne représentant pour l'instant en France qu'à peine 2% du total de notre besoin global en énergie, elles ne devraient  donc pas trop grever le prix de revient de l'électricité nucléaire et hydroélectrique avec lesquelles elles sont confondues.

 

En validant la réglementation thermique RT 2005 la France a fait une grave erreur en laissant s'implanter le chauffage électrique par effet joule dans les immeubles anciens mal isolés et en tolérant des déperditions thermiques plus importantes avec ce type de chauffage. (voir figure ci-dessous)

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La feuille de route des réglementations thermiques (Courtesy CFP)
Vu les déperditions très faibles de la RT 2012 on peut craindre qu'elle ne soit jamais adaptée à la rénovation

 (Lire du gâchis à l'intelligence)

 

 

La France saura-t-elle à l’occasion du projet de loi sur la transition énergétique se passer rapidement des énergies fossiles pour assurer son besoin en énergie ? Il semblerait qu’elle n’ait pas intégré les capacités thermiques de la rivière dans les possibilités qui s’offrent à elle. Parfaitement intégrée dans son environnement et à l’écosystème constitué par la rivière et son sous-sol une pompe à chaleur aquathermique, peut pourtant produire l’énergie thermique nécessaire à notre confort en améliorant notre pouvoir d’achat. Ceci en accélérant l’abandon des combustibles fossiles au profit d’une énergie propre et renouvelable dite « positive ». Le temps est maintenant venu pour se chauffer de concentrer notre action à la conception de composants adaptés au chauffage thermodynamique des immeubles tel qu'un condenseur permettant de récupérer la chaleur de condensation ou d’un évaporateur permettant de prélever les EnR dans la rivière ou son proche sous-sol plutôt que de tenter d'exploiter le gaz de schiste

Vous avez dit enthalpie?

 

Trop ambitieuse pour être appliquée à la rénovation de l'habitat ancien, les 1400 pages !! de cette réglementation thermique RT 2012, qui commence à paraître au journal officiel va encore grever le prix de l'habitat neuf. Notre pays n'est donc pas sorti du mauvais de la rénovation des bâtiments anciens difficiles à isoler après coup. Une faculté trop longtemps ignorée de la matière peut heureusement l'aider à produire une énergie thermique bon marché en grosse quantité. Et ceci paradoxalement avec une petite quantité de matière. Il s'agit cette fois de la faculté de la matière à générer un transfert thermique lorsque qu'elle change d'état en passant par exemple de l'état liquide à l'état gazeux et inversement. Cette faculté liée à ce qu'on appelle la chaleur latente de la matière ou enthalpie, illustrée par le tableau ci-dessous dans le cas de l'eau, ne peut bien sur être comparée avec la quantité d'énergie thermique considérable pouvant être dissipée par la fission ou la fusion nucléaire de la matière lors de la perte de masse.

 

 

Sans changement d’état

Avec changement d’état

Constante physique

Chaleur spécifique

Chaleur latente de transformation

Unités       

Joules/kg et °C

Joules/kg

Un exemple ;  l’eau

4180 Joules/kg et °C

2 250 000 Joules/kg

Comparaison

A partir des chiffres ci-dessus on constate qu’il faut 5 fois moins d’énergie pour élever un litre d’eau de 0 à 100°C (à savoir 418 kJ) que pour évaporer cette eau en la maintenant à la température constante de 100°C  (à savoir 2250 kJ).

 

Sous la surveillance de ses parents, une expérience facile et amusante permet à un enfant de vérifier l’importance relative des chaleurs spécifique et latente. Si l’on ne change pas le réglage du gaz sur la table de cuisson, il faut environ 5 fois moins de temps pour porter une petite quantité d’eau de 0 à  ébullition (100°C) que pour évaporer cette même quantité d’eau. Une remarque pour éclairer le lecteur, alors que les transferts thermiques dus à la chaleur spécifique s’établissent du fait des variations de température, ceux provoqués par les variations d’enthalpie s’effectuent à température constante.

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Figure extraite de l'aide mémoire chauffage de la société Jatech-TM  montrant la phase évaporation


.Ces transferts d'énergie thermique, lorsqu'ils sont récupérés lors de la phase condensation, avec des fluides caloporteurs performants, peuvent cependant être assez importants pour assurer le chauffage d'un immeuble en raison de l'aspect cyclique de cette transformation. Il y a donc urgence à réaliser que l'énergie thermique contenue dans la matière provenant de cette dernière transformation est une solution particulièrement intéressante pour le chauffage des copropriétés en milieu urbain. La plupart des précurseurs qui ont eu le courage pour leur maison individuelle de s'engager dans cette voie, trop longtemps négligée pour le chauffage collectif, ont été récompensés. Il est temps de réhabiliter l'énergie thermique et de considérer que cela ne fait pas "vieillot" d'en parler. Comment a-t-on pu ignorer si longtemps qu'elle est à la charnière des chaînes énergétiques les plus performantes. Au moment où l'homme est  peut être responsable du réchauffement climatique*, le principe même de la pompe à chaleur devrait pourtant le rassurer puisqu'elle présente en plus l'intérêt de refroidir notre environnement. Cerise sur le gâteau elle fournit une énergie thermique propre et gratuite puisque prélevée dans son proche environnement. Ne fournissant pas plus que le besoin énergétique, les nouveaux modes de régulation des PAC à compresseur par variateurs de vitesse présentent l'avantage de ne pas avoir à stocker trop d'énergie thermique, stockage qui, on l'a vu, pose parfois problème.

 

L'hydraulique est une technique merveilleusement complémentaire au service du génie climatique et du chauffage urbain. Le mot hydraulique est ici pris au sens le plus large puisqu'il englobe non seulement une approche différente de l'hydraulique des rivières et de leur sous-sol irrigué par les nappes libres, mais aussi l'hydraulique industrielle des circuits sous pression, asservis ou non. Cette association ne manque pas d'intérêt puisqu'elle permet de concilier des impératifs paraissant contradictoires comme ceux de générer du chaud lorsqu'il fait froid, ou du froid lorsqu'il fait chaud, avec l'assurance de la performance au cours des saisons.. Quelle n'a pas été la surprise de l'auteur de constater qu'un réservoir hydraulique et l'huile qu'il contient se comporte sur le plan thermique comme un immeuble et sa chaufferie. Quel n'a pas été son étonnement de constater que l'étude en régime transitoire de ce système est régit par une fonction de transfert linéaire du premier ordre à coefficients constants identique à celle d'une servo pompe alimentant un vérin hydraulique asservis en position et comprimant un ressort. Ces analogies sont intéressantes pour la raison que l'expérience acquise parfois durement par l'auteur lors d'une carrière professionnelle consacrée exclusivement au service des systèmes asservis électro hydrauliques peut être transposée au bénéfice de la production d'une énergie thermique particulièrement économique, abondante et propre. Certes la thermodynamique moderne est plus complexe que la pompe à fioul, le filtre et le gicleur en série du brûleur d'une chaudière. Il s'agit de techniques avancées ou chaque spécialiste à son mot à dire sur la conception du système.

 

- Le frigoriste est par exemple concerné par le bon fonctionnement de l'évaporateur. Il sait comment tirer le meilleur parti d'un fluide caloporteur. Il sait comment les transferts thermiques s'effectuent dans une pompe à chaleur et comment elle peut prélever son énergie dans l'environnement à partir de l'air, du sol, ou de l'eau. Il sait comment créer du froid lorsqu’il fait chaud mais il ne fait souvent que la moitié du raisonnement en occultant le fait qu’il est en mesure de générer du chaud lorsqu’il fait froid.

 

- Le spécialiste en hydraulique industrielle conventionnelle, habitué aux circuits à pression élevée, est au fait de l'étanchéité rigoureuse qui doit être respectée pour éviter toute fuite du fluide caloporteur vers l'extérieur afin de préserver la couche d'ozone. Confronté aux problèmes de niveau sonore de sous ensembles tournants comme les groupes moto pompe ou les aéro- réfrigérants, il sait comment casser les vibrations et diminuer leur niveau sonore.

 

- L'électronicien ayant des connaissances en automatisme sait comment dimensionner le correcteur électronique prenant en compte les paramètres physiques du système composé par l’immeuble et sa chaufferie. Ceci pour la boucle ouverte et la boucle fermée éventuelle permettant de supprimer l'erreur statique afin d'assurer une régulation de température stable et performante.

 

- L'Ingénieur en génie climatique maîtrise parfaitement la notion de degré jour unifié DJU. Il sait comment remédier aux variations de température imposées par les saisons sans affecter les performances de la pompe à chaleur. Au moment ou l'homme se sent responsable du réchauffement climatique, il a compris l'intérêt de ce type de chauffage qui présente l'avantage de refroidir notre environnement au lieu de le réchauffer. Il a compris également tout l’intérêt qu’il y a à utiliser des émetteurs basse température et à isoler le bâtiment pour améliorer les performances de la génération thermique

 

- L'architecte ayant des connaissances de thermicien sait comment concilier l'esthétique d'un bâtiment et les déperditions thermiques dans le bâti de celui-ci.

 

Bien que chaque spécialiste sache comment appréhender les problèmes spécifiques relevant de son domaine technique, des problèmes relevant de sa spécialité peuvent se poser lors de l'élaboration des composants constituant le système. Une idée commencerait à germer qu'il y aurait un maillon manquant dans les chaînes professionnelles existantes et qu'il pourrait être nécessaire « d'inventer » un nouveau métier afin de fusionner, pour réparer des erreurs de conception éventuelles, des connaissances qui seraient disparates. Les mots « intégrateur » ou « expert » viennent naturellement à l'esprit. Le mot « communication » également. La mauvaise cohabitation entre parties communes et privatives, entre chauffage individuel et collectif, ainsi que la difficulté qu'a un citoyen lambda à appréhender les problèmes en raison du manque de coordination entre le politique et le législateur, entre les acteurs internes et externes à la copropriété qui ont bien du mal à se comprendre les uns les autres, font que de toute évidence, si ce nouveau métier devait malgré tout être créé les mots "communication" et "médiation" ne peuvent être ignorés plus longtemps. Un bon physicien généraliste compétent en thermodynamique capable de comprendre les experts, d'intégrer les exigences particulières à chaque technique, et ayant en plus la capacité de communiquer avec les intervenants pourrait aussi être le chaînon manquant afin que s'établisse un minimum de collaboration entre les responsables de techniques par nature complémentaires. Il pourrait aussi aider à combler plus rapidement la marge encore trop importante qui sépare les performances théoriques des performances pratiques obtenues pour l'instant avec ces systèmes diminuant le besoin en énergie électrique coûteuse.

 

- Reste la nécessité d'un bon programmeur maîtrisant un langage de programmation pour finir peu rapide étant donné la constante de temps importante du système formé par l'immeuble et sa chaufferie. Afin de s'adapter au besoin thermique variant selon les saisons et les modes de marche, il devra comprendre les algorithmes établis par le thermodynamicien et élaborer la meilleure structure de programme possible afin d'assurer la liaison entre le système d'exploitation de l'ordinateur et la commande des différents composants constituants la pompe à chaleur.

 

- L'utilisateur final, quant à lui, considère à juste titre que la production de l'énergie ne devrait pas rester un domaine réservé aux initiés ou le particulier n'a pas eu jusqu'ici véritablement droit de regard et il considère qu'il est temps de casser cette barrière. Il commence à comprendre que l'énergie est surtout une source de profit pour ceux qui la comprenne. Il estime que les acteurs déjà en place sont tellement nombreux qu'il est légitimement préoccupé à l'idée d'en rajouter un nième. . Il espère suite à tout ce brouhaha médiatique que l'on va enfin lui proposer un système finalisé et il ne veut plus payer pour être informé.

Il redoute les fluctuations brutales des prix sur le pétrole et les déséquilibres qu'elles provoquent. Il espère que l'on est au bout du tunnel et que les comportements vont enfin changer.

 

  

Balendard  septembre 2010

 

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