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Le photovoltaïque a-t-il un moins bon rendement que le pétrole ?

dimanche 17 février 2013, par L’Heliopole

1 Définitions de départ
Le rendement de transformation se définit en général par « quantité sortie par unité de quantité entrée ». (mettre schéma PV soleil -> appareil ménager)

On parle en général de rendement en puissance (combien on rentre et on sort, par seconde ou toute autre unité de temps)

2 les rendements connus, quelques exemples
Le solaire photovoltaïque : l’énergie est reçue du soleil avec en gros et en moyenne (sous des conditions moyennes d’inclinaison du soleil et de latitude) 1000W/m2. Un système de panneaux solaires photovoltaïques et la transformation électrique (en particulier d’un courant continu vers un courant alternatif) sort en général 150W de puissance, soit un rendement de 150/1000=0,15=15%..

On parle du rendement d’un moteur de voiture en comptant l’énergie chimique stockée dans un volume donné de pétrole, puis l’énergie de mouvement que ce volume a donné après raffinage (transformation en essence) et combustion-explosion dans le moteur.

Sachant que le rendement de la combustion du pétrole est de l’ordre de 80% et que le rendement d’un moteur (de la combustion au déplacement) est de l’ordre de 30-50%, on en déduit qu’environ 20-40% de l’énergie stockée dans pétrole est transformée en déplacement, le reste étant perdu essentiellement en chaleur aux différentes étapes de transformation.

3 Quelle est l’énergie qu’on reçoit ?
En réalité, (a part l’énergie nucléaire et l’énergie géothermique), toute l’énergie que la terre reçoit et a reçu vient du soleil.

Historiquement, à une échelle de quelques milliards d’années, nous avons eu un « stock original » d’énergie thermique puisque la Terre a un cœur chaud, qui est un héritage de son processus de formation. Ce cœur se refroidit très lentement et les conséquences visibles pour l’être humain sont les volcans, la géothermie, les sources d’eau chaude…

Nous avons aussi un stock original de matière, la Terre a une masse, un certain nombre d’atomes, et nous sommes capables de sortir de l’énergie de la fission de certains de ces atomes (Uranium pour la production d’électricité, Plutonium pour la bombe atomique).

Calculs
Pour ces sources d’énergie, le calcul du rendement doit impérativement être accompagné d’une connaissance des stocks et de la demande. En effet cette équation simple s’applique :

Energie disponible à l’utilisation = Stock * rendement

Pour la géothermie : la quantité d’énergie disponible est telle que le terme de stock n’est pas vraiment applicable, et qu’on peut considérer que le stock est infini et que c’est un flux (un peu comme le flux de rayonnement solaire).

Aujourd’hui (et à une échelle de quelques millions d’années) nous recevons de l’énergie exclusivement sous forme de rayonnement solaire. Même le pétrole est issu de ce rayonnement. Il se trouve que dans le langage courant, lorsque l’on parle de rendement pour le pétrole il s’agit plutôt du rapport entre l’énergie produite et l’énergie maximale que la même quantité pourrait produire selon les lois de la physique (thermodynamique). Ce n’est donc pas la même définition que le solaire (énergie produite/énergie reçue). Si on utilise la même définition du rendement que pour le solaire, on peut s’amuser à faire le vrai calcul du rendement des énergies qui sont issues du soleil.

Faisons l’exercice pour le pétrole
Si on remonte la chaine, le pétrole est issu de la décomposition des sédiments, eux-mêmes issus de la sédimentation des plantes, les plantes recevant leur énergie du soleil à travers la photosynthèse (pour donner un ordre de grandeur nous négligerons l’énergie apportée par les sels minéraux dont on va considérer qu’elle se retrouve dans ces mêmes minéraux après la décomposition des plantes).

Un petit schéma vaut mieux que mille discours, voici les quantités d’énergie en jeu :

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Du soleil au pétrole
Schéma simplifié de transformation du rayonnement solaire en pétrole

Et on tombe sur un rendement « Soleil -> énergie disponible stockée dans le pétrole » de 0,0005%, qu’il faut encore multiplier par le rendement de conversion du pétrole à l’énergie utilisée au final ( 80% pour le transport, moins s’il faut encore passer par l’électricité) !

4 Epilogue : la concentration d’énergie

Cette expérience par la pensée gedankenexperiment est bien sûr essentiellement didactique, puisqu’en fin de compte, le pétrole étant considéré (à juste titre) comme une source d’énergie fossile, le rendement de sa transformation en une énergie utile (déplacement, chauffage, électricité) n’a de sens (dans sa définition usuelle) que pour calculer le temps que dureront les réserves, au rythme de pompage actuel (en tenant compte de l’évolution de ce rythme, exercice difficile).

Elle est didactique car elle permet de comprendre le temps qui a été nécessaire pour produire une telle concentration d’énergie.

Par contre, du point de vue du « rendement » suivant la définition usuelle pour le pétrole, il faut bien avouer que le pétrole est une substance extrêmement intéressante,. Un litre ( 1kg) de pétrole peut produire autant de travail (40 Mégajoules, en unité d’énergie) qu’un être humain pendant… 5 jours ! (en considérant qu’un être humain est un moteur d’une puissance de l’ordre de 100 et quelques Watts). Très peu de substances permettant de stocker autant d’énergie dans un si petit volume/poids. Le plus gros concurrent est l’hydrogène, ce qui explique l’engouement de recherche et développement pour les piles a combustibles. (pour qui on peut d’ailleurs faire la même remarque : à traiter avec respect et à n’utiliser QUE quand on a besoin de beaucoup d’énergie dans un petit volume ou poids (par exemple en aviation ; et surtout pas pour l’électricité, le chauffage, etc.))

Un Bordeaux de garde a des années ou des dizaines d’années d’ancienneté et il a nécessité énormément de « pertes » (des jus de raison, des vins bouchonnés, des vins nouveaux), un Beaujolais nouveau se renouvelle en gros toutes les années et a donc un bien meilleur rendement, c’est pourquoi il est beaucoup (beaucoup) moins cher.

Le pétrole, ayant vieilli des dizaines de millions d’années, devrait être cher, ou à tout le moins traité avec respect ! D’autant plus qu’un grand nombre de choses peuvent être faites avec ce pétrole, un nombre incroyable de choses. Pour en voir une sélection, rendez-vous à la case numéro 5 de l’affiche).