Le défi de la transition
Les sources d’énergie auxiliaire des sociétés thermo-industrielles (charbon, pétrole, gaz) ne sont pas renouvelables à l’échelle de temps des besoins humains, leur disponibilité est limitée. Par ailleurs, leur exploitation engendre des perturbations climatiques qui affectent la stabilité de l’approvisionnement alimentaire de l’humanité, et dégradent les conditions d’existence de l’ensemble des êtres vivants. Face à ces constats, l’objectif de la transition énergétique est de réduire la dépendance des sociétés thermo-industrielles aux hydrocarbures, en leur substituant d’autres formes d’énergies. Cependant, les conditions d’existence des systèmes dissipatifs, dont font partie les sociétés thermo-industrielles, sont réputées non négociables, et sont susceptibles d’interdire cette substitution. Le défi de la transition se confronte ainsi à un ensemble de conditions nécessaires, qui sont autant d’objectifs singuliers, et complémentaires, à atteindre.
Aujourd’hui, pallier les risques inhérents au déclin de la disponibilité des sources d’énergie auxiliaire de l’humanité, et lutter contre le réchauffement climatique est envisagé par substitution des énergies.
Des énergies auxiliaires (principalement vent, rayonnement solaire, énergie atomique) doivent remplacer des sources d’énergie auxiliaire (charbon, pétrole, gaz).
Selon le collectif Zoé Steep, issu du laboratoire STEEP INRIA (Soutenabilité, Transition, Environnement, Économie biophysique et Politiques locales), “il n’est pas évident qu’une telle transition soit possible dans l’absolu” (voir source ci-dessous).
Sources
Les limites à la croissance. Meadows : questions raisonnées, pages 216 et 217 :
Par ailleurs, il n’est pas évident qu’une telle transition soit possible dans l’absolu, ni même, dans le cas où elle le serait, qu’elle le soit au rythme nécessaire pour éviter une catastrophe climatique. De ce point de vue, de nombreux modèles ignorent les inerties importantes des systèmes sociotechniques. Loin d’un cercle vertueux, nous sommes dans un cercle vicieux sous prétexte de développements technologiques pour la transition. Par exemple, trouver du lithium pour les batteries électriques est une source considérable de pollution, notamment au niveau des mines dont le nombre et la taille doivent s’étendre de façon considérable pour couvrir les besoins de la transition énergétique dans le transport automobile.
Source :
Zoé Steep, Les limites à la croissance. Meadows : questions raisonnées, Éditions Excès, Romainville, 2023.
Françoise Berthoud, Pierre-Yves Longaretti et Sophie Wahnich, chapitre “La décroissance est-elle aujourd’hui la seule alternative permettant d’opérer une transition écologique résiliente face aux changements environnementaux ?”
Les énergies dites de substitution (ENS) qualifient les infrastructures de capture et conversion de l’énergie provenant du vent, du rayonnement solaire ou des atomes (éoliennes, panneaux photovoltaïques et centrales nucléaires).
C’est principalement sur ces infrastructures que s’appuient les ambitions de décarbonation du mix énergétique des sociétés thermo-industrielles, par substitution de leur “production” d’énergie à celle provenant d’infrastructures dédiées aux hydrocarbures.
La science de l’énergie a déterminé que “tout est énergie”, et que toutes les formes d’énergie sont potentiellement convertibles les unes en les autres. Cependant, la science de l’énergie a toujours confirmé, tant théoriquement qu’expérimentalement, que toutes les formes d’énergie ne sont pas physiquement équivalentes.
Les transformations générées par la dissipation de l’énergie mécanique, électrique, électromagnétique, chimique, thermique ou nucléaire, sont qualitativement différentes.
Par exemple, un végétal exposé au Soleil profite du rayonnement électromagnétique pour croître. En revanche, s’il est exposé à une intense pression mécanique ou à la chaleur d’une flamme, il est détérioré ou détruit, même si la quantité d’énergie transmise au végétal (au cours de durées différentes), est identique. Si l’on exerce une force d’origine mécanique sur les parois d’une casserole remplie d’eau, en la serrant par exemple dans un étau, rien de notable ne se produit dans l’eau. En revanche, si on expose ce contenant à la chaleur d’une flamme, des tourbillons se forment dans le liquide. De plus, dans la mesure où le flux d’énergie thermique est maintenu, ces tourbillons se réorganisent spontanément après que les mouvements de l’eau ont été perturbés, par exemple en y plongeant et agitant une cuillère.
Tous les processus de transformation ne peuvent pas être amorcés à partir de toutes les formes d’énergie. Dans la perspective d’une décarbonation par substitution des énergies, il est nécessaire de considérer qu’il existe un lien entre les formes d’énergie qui permettent des transformations, et les qualités des systèmes susceptibles d’être transformés, voire de s’organiser à partir de ces formes d’énergie.
Sources
Les machines qui ne reçoivent pas leur mouvement de la chaleur, celles qui ont pour moteur la force des hommes ou des animaux, une chute d’eau, un courant d’air, etc., peuvent être étudiées jusque dans leurs moindres détails par la théorie mécanique. Tous les cas sont prévus, tous les mouvements imaginables sont soumis à des principes généraux solidement établis et applicables en toute circonstance. C’est là le caractère d’une théorie complète. Une semblable théorie manque évidemment pour les machines à feu. On ne la possédera que lorsque les lois de la Physique seront assez étendues, assez généralisées, pour faire connaître à l’avance tous les effets de la chaleur agissant d’une manière déterminée sur un corps quelconque.
Source :
Sadi Carnot (1796-1832). Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance, Bachelier Libraire, 1824.
Depuis l’article “Experiments and observations on the mechanical powers of electro-magnetism, steam, and horses” :
1. Un grain de charbon produit, par combustion, une chaleur suffisante pour élever la température d’une livre d’eau de 1°634. En d’autres termes, nous pouvons dire que la vis viva développée par la combustion d’un grain de charbon est égale à l’élévation d’un poids de 1355 livres à la hauteur d’un pied. Or, les meilleures machines à vapeur de Cornouailles produisent 143 livres par grain de charbon ; d’où il résulte que la machine à vapeur, dans son état le plus perfectionné, n’est pas capable de développer en force utile plus de 1/10 de la vis viva due à la combustion du charbon, les fibres restantes étant dégagées sous forme de chaleur.
2. Un cheval, lorsque sa force est avantageusement utilisée, est capable de soulever un poids de 24 000 000 livres à une hauteur d’un pied par jour. Dans le même temps (24 heures), il consomme 12 livres de foin et 12 livres de maïs*. Il est donc capable d’élever 143 livres par la consommation d’un grain de l’aliment mélangé. D’après nos propres expériences sur la combustion d’un mélange de foin et de maïs dans un gaz oxygéné, nous constatons que chaque grain de nourriture, composé de parties égales de foin non séché et de maïs, est capable de donner 0°’682 à une livre d’eau, une quantité de chaleur équivalente à l’élévation d’un poids de 557 livres à la hauteur d’un pied. D’où il résulte qu’un quart de la quantité totale de vis viva produite par la combustion des aliments dans le corps de l’animal, peut être employé à produire un effet mécanique utile, les trois quarts restants étant nécessaires pour entretenir la chaleur de l’animal, etc.
Le Prof. Magnus, de Berlin, s’est efforcé de prouver que l’oxygène inspiré par un animal ne se combine pas chimiquement avec le sang, mais qu’il est simplement absorbé par lui. Le sang ainsi chargé d’oxygène arrive dans les vaisseaux capillaires, où l’oxygène se combine chimiquement avec certaines substances, les transformant en acide carbonique et en eau. L’acide carbonique, au lieu de l’oxygène, est alors absorbé par le sang et atteint ainsi les poumons pour être éliminé au contact de l’atmosphère. Si l’on adopte ce point de vue, il devient extrêmement probable que la totalité de la vis viva due à l’oxydation ou à la combustion de “certaines substances” mentionnées par Magnus est développée par les muscles. Les muscles, par leur mouvement, peuvent communiquer leur vis viva aux objets extérieurs ; et, par leur friction à l’intérieur du corps, ils peuvent développer la chaleur en diverses quantités selon les circonstances, de manière à maintenir l’animal à une température uniforme. Si ces vues théoriques étaient exactes, elles conduiraient à la conclusion intéressante (qui est la même que celle annoncée par Matteucci pour d’autres considérations) que l’animal, bien que destiné à remplir tant d’autres fins, est, en tant que moteur, plus parfait dans l’économie de la viscose que le meilleur des appareils humains.
1. A grain of coal produces, by combustion, sufficient heat to raise the temperature of a lb. of water 1°’634. In other words, we may say that the vis viva developed by the combustion of a grain of coal is equal to raise a weight of 1355 lbs. to the height of one foot. Now the best Cornish steam-engines raise 143 lbs. per grain of coal; whence it appears that the steam-engine in its most improved state is not able to develope much more than 1/10th of the vis viva due to the combustion of coal into useful power, the remaining 9/10ths being given off ill the form of heat.
2. A horse, when its power is advantageously applied, is able to raise a weight of 24,000,000 lbs. to thee height of one foot per day. In the same time (24 hours) he will consume 12 lbs. of hay and 12 lbs. of corn*. He is therefore able to raise 143 lbs. by the consumption of one grain of the mixed food. From our own experiments on the combustion of a mixture of hay and corn in oxygen gas, we find that each grain of food, consisting of equal parts of undried hay and corn, is able to give 0°’682 to a lb. of water, a quantity of heat equivalent to the raising of a weight of 557 lbs. to the height of a foot. Whence it appears, that one quarter of the whole amount of vis viva generated by the combustion of food in the animal frame, is capable of being applied in producing a useful mechanical effect, -the remaining three-quarters being required in order to keep up the animal heat, &c.
Prof’. Magnus of Berlin, has endeavoured to prove that the oxygen which an animal inspires does not combine chemically with the blood, but is merely absorbed by it*. The blood thus charged with oxygen arrives in the capillary vessels, where the oxygen effects a chemical combination with certain substances, converting them into carbonic acid and water. The carbonic acid, instead of oxygen, is then absorbed by the blood, and thus reaches the lungs to be removed by contact with the atmosphere. Adopting this view, it becomes exceedingly probable that the whole of the vis viva due to the oxidation or combustion of the “certain substances” mentioned by Magnus is developed by the muscles. The muscles, by their motion, can communicate vis viva to external objects; and, by their friction within the body, can develope heat in various quantities according to circumstances, so as to maintain the animal at an uniform temperature. If these theoretic views be correct, they would lead to the interesting conclusion (which is the same as that announced by Matteucci from other considerations) that the animal frame, though destined to fulfill so many other ends, is, as an engine, more perfect in the oeconomy of vis viva than the best of human contrivances.
Source :
Rev. William Scoresby D.D. F.R.SS.L. and E. & James P. Joule Mem. Chem. Soc., &c. (1846) LXXV. Experiments and observations on the mechanical powers of electro-magnetism, steam, and horses, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 28:189, 448-455, DOI: 10.1080/14786444608645458
Depuis l’article “On the heat disengaged in chemical combinations” :
Le fait que la chaleur dégagée en un temps donné par un fil métallique est proportionnelle au carré de la quantité d’électricité transmise, prouve que l’action du courant est d’un caractère strictement mécanique ; car la force exercée par un fluide revenant sur un corps solide obéit à la même loi. Or, j’ai montré dans des articles précédents $, que lorsque la température d’un gramme d’eau est augmentée de 1 ° Centigrade, il se communique à ses particules une quantité de vis viva égale à celle qu’acquiert un poids de 448 grammes après avoir chuté d’une hauteur perpendiculaire d’un mètre. Ainsi, la force mécanique d’une pile voltaïque peut être calculée à partir de la chaleur qu’elle dégage.
De même, la force absolue avec laquelle les corps entrent en combinaison chimique peut être estimée par la quantité de chaleur dégagée. Ainsi, d’après les données déjà fournies, la vis viva développée par la combustion d’un gramme de cuivre, d’un gramme de zinc et d’un gramme d’hydrogène sera respectivement équivalente à la vis viva possédée par des poids de 266112, 530880 et 15031744 grammes, après être tombés d’une hauteur perpendiculaire d’un mètre.
The fact that the heat evolved in a given time by a metallic wire is proportional to the square of the quantity of transmitted electricity, proves that the action of the current is of a strictly mechanical character ; for the force exerted by a fluid impinging against a solid body obeys the same law. Now I have shown in previous papers*, that when the temperature of a gramme of water is increased by 1° Centigrade, a quantity of vis viva is communicated to its particles equal to that acquired by a weight of 448 grammes after failing from the perpendicular height of one metre. Hence the mechanical force of a voltaic pile may be calculated from the heat which it evolves.
Hence also may the absolute force with which bodies enter into chemical combination be estimated by the quantity of heat evolved. Thus, from the data already given, the vis viva developed by the combustion of a gramme of copper, a gramme of zinc, and a gramme of hydrogen, will be respectively equivalent to the vis viva possessed by weights of 266112, 530880, and 15031744 grammes, after falling from the perpendicular height of one metre.
Source :
James Prescott Joule F.R.S. (1852) LXIX. On the heat disengaged in chemical combinations, The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 3:21, 481-504, DOI: 10.1080/14786445208647050
Les conversions d’énergie :
Source :
Vaclav Smil, Energy. A Beginner’s guide, Oneworld Publications, 2006.
La forme d’énergie présente dans la matière organique est dotée de propriétés spécifiques : lorsque la combustion d’une partie d’un volume de matière organique combustible (biomasse combustible, hydrocarbures) est enclenchée, la réaction exothermique engendrée déclenche la combustion de l’ensemble de ce volume, libérant la totalité de son énergie.
L’initiation de la combustion de la matière organique combustible, à partir d’un apport d’énergie minime (une simple étincelle), engendre un “effet d’entraînement” : une réaction en chaîne qui démultiplie l’effet de l’évènement initial, sans nouvel apport d’énergie.
Dans la mesure où l’humanité utilise l’énergie extraite de la biomasse combustible et des hydrocarbures afin d’exploiter ces mêmes énergies (en construisant, grâce à ces sources d’énergie, des machines dédiées), l’interaction entre les humains et la matière organique combustible peut être considérée comme autocatalytique : le produit de la réaction (les sociétés qui fabriquent les machines pour exploiter les sources d’énergie) entretient la réaction. Cette réaction est susceptible de s’entretenir jusqu’à combustion complète des ressources accessibles de ces énergies.
Sources
Une réaction autocatalytique est une réaction chimique dont le catalyseur figure parmi les produits de la réaction.
WikipédiaLYFE : la Thermodynamique de la Vie [Astrobiologie #2]
David Louapre, physicien et vulgarisateur scientifique, présente des recherches récentes qui tentent de circonscrire les conditions physiques à l’apparition de la vie. Il rappelle en particulier que l’autocatalyse serait une de ces conditions nécessaires : un système doté de la capacité à stabiliser son propre état (organisation) doit pouvoir renouveler les moyens de cette stabilisation, à partir de l’énergie qui le traverse et des ressources dont il dispose.
Comment définir la vie au sens large, en faisant abstraction de la vie terrestre telle qu’on la connait ? Par la thermodynamique ! On se penche sur le concept de LYFE
Détails, sources et compléments dans le billet de blog qui accompagne la vidéo.
Source de l’illustration :
Bartlett S, Wong ML. Defining Lyfe in the Universe: From Three Privileged Functions to Four Pillars. Life. 2020; 10(4):42. https://doi.org/10.3390/life10040042
(…)
Il semble que la clé de bon nombre des phénomènes vivants et non vivants les plus intéressants en science est la non-linéarité. Ce comportement se manifeste souvent sous la forme d’une croissance exponentielle ou d’une décroissance exponentielle. Ou en d’autres termes, une rétroaction positive ou une rétroaction négative. La rétroaction positive est étroitement liée à l’autocatalyse, dans laquelle la présence de quelque chose rend sa croissance plus probable. Si un composant d’un système subit une rétroaction positive, son ampleur augmentera jusqu’à épuiser les ressources dont il a besoin. En ce sens, une analogie peut être établie entre les systèmes chimiques et biologiques. La concentration d’une substance autocatalytique augmentera de façon exponentielle tant que l’approvisionnement en substances entrantes n’est pas limité. Si une telle limite est imposée et que l’approvisionnement est maintenu à une valeur constante, une rétroaction négative s’installera et le système s’orientera vers une forme d’équilibre dynamique. Si la substance d’entrée n’est pas reconstituée, l’autocatalyseur n’augmentera plus en concentration et pourra se désintégrer en produits à plus faible enthalpie et disparaître complètement.
(…)
The key, it seems, to many of the most interesting non-living and living phenomena in science is non-linearity. This behaviour often manifests itself in the form of exponential growth or exponential decay. Or in other words, positive feedback or negative feedback. Positive feedback is closely related to autocatalysis, wherein the presence of something makes its growth more likely. If a component of a system experiences positive feedback it will increase in magnitude until it exhausts whatever supplies it requires. In this sense an analogy can be drawn between chemical and biological systems. An autocatalytic substance will increase in concentration exponentially as long as the supply of input substances is not limited. If such a limit is imposed and the supply is sustained at a constant value, negative feedback will set in and the system will settle into dynamic equilibrium of some form. If the input substance is not replenished then the autocatalyst will no longer grow in concentration and may decay into lower enthalpy products and disappear altogether.
Source :
Bartlett, Stuart. (2014). Why is life? An assessment of the thermodynamic properties of dissipative, pattern-forming systems.
Défi énergie #1
La substitution des énergies serait possible si l’exploitation de l’énergie du vent, du rayonnement solaire et des atomes radioactifs engendrait un effet d'entraînement à partir d’un apport réduit d’énergie, et sans nouvel apport d’énergie.
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Défi énergie #2
La substitution des énergies serait possible si l’exploitation de l’énergie contenue dans le vent, dans le rayonnement électromagnétique et dans les atomes engendrait une réaction autocatalytique entre l’humanité et ces énergies auxiliaires.
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L’ensemble des processus de transformation dont dépendent les services rendus à l’humanité par son industrie sont amorcés et entretenus par une réaction exothermique autocatalytique. Les sociétés qui exploitent les sources d’énergie auxiliaire sous forme d’hydrocarbures sont qualifiées de “sociétés thermo-industrielles”.
Le transfert d’énergie thermique qui permet l’amorce et l’entretien des processus industriels de ces sociétés sont qualitativement différents d’autres types de transferts, par exemple mécanique (cinétique, pour l’énergie du vent), par rayonnement électromagnétique ou par transfert d’énergie d’origine nucléaire. Aucun processus thermo-industriel ne peut être amorcé ou entretenu directement par transfert d’une énergie mécanique (cinétique), d’un rayonnement électromagnétique ou d’une énergie d’origine nucléaire.
Les sociétés thermo-industrielles font de la “thermosynthèse”, elles sont incapables d’”éolosynthèse”, de “photosynthèse” ou de “nucléosynthèse” (ou radiosynthèse). Les sociétés thermo-industrielles ne sont pas physiquement équivalentes à d’éventuelles sociétés “éolo-industrielles”, “photo-industrielles”, ou “nucléo-industrielles” (ou radio-industrielles).
Par exemple, si la force du vent propulse un bateau ou fait tourner un moulin à vent, cette force n’est d’aucun recours pour les construire. Bateaux et moulins sont façonnés grâce à la force de travail procurée par l’alimentation, au besoin soutenue par la chaleur issue de la biomasse combustible exploitée afin de fondre les pièces métalliques de ces bateaux et moulins. De même, la force de l’eau ne permet pas de construire de barrage hydroélectrique. Le rayonnement électromagnétique du Soleil n’amorce pas non plus directement de transformation aboutissant à la fondation d’infrastructures industrielles, quelles qu’elles soient. Le minerai d’uranium, indépendamment d’une centrale nucléaire, n’est d’aucune utilité. Le vent, le rayonnement électromagnétique et les atomes radioactifs ne procurent pas de chaleur par simple déclenchement d’une combustion.
Défi énergie #3
La substitution des énergies serait possible si les services rendus par les sociétés thermo-industrielles pouvaient être fournis par une industrie fondée sur d'autres transferts d’énergie que le transfert thermique.
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Défi énergie #4
La substitution des énergies serait possible si un transfert d’énergie thermique pouvait être initié et entretenu à partir d’une énergie auxiliaire (énergie du vent, rayonnement solaire, énergie nucléaire).
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