Science & Opinion publique

(1)

Science

&

Opinion publique

Bernard Remaud

Internet, la planète et moi

[email protected]

https://www.un-peu-de-physique.fr ^{La chaîne} YouTube

Le blog

Vive l’énergie libre

(2)

2 De quelle énergie parle-t-on ?

Chauffer une tasse de thé ou faire une recherche sur internet est-ce la même chose du point de vue de

Quel est le coût écologique de votre surf sur internet ?

Une tasse de thé bouillant, c'est le « coût énergétique » de la recherche que vous venez d'effectuer sur internet.

Dr A Wissner-Gross : http://news.bbc.co.uk/

17/11/2015

7 000 calories ou

8 Wh (Watt-heure) 29 000 J(Joules) ou

https://blog.touchedeclavier.com/

?

Boire du thé ou naviguer sur Internet ?

(3)

3 Impact sur la planète ?

• Quels sont les types d’énergie en jeu ?

• Toutes les énergies ont-elles la même qualité ?

• Toutes les énergies ont-elles le même impact sur la planète Terre

De quelle énergie parle-t-on ?

Dans les transformations, l’énergie est toujours conservée

(4)

4 Rayonnement solaire

(UV, visible, Infra-rouge)

340 W/m²

Rayonnement réfléchi, albédo (100 W/m²)

Radioactivité terrestre

Effet des marées (0,25%)

Rayonnement de la Terre (Infra-rouge)

240 W/m²

Sans radioactivité, ni effet de serre, la température de la terre serait de

– 15°C

L’énergie entrante et l’énergie émise ont des longueurs

d’onde différentes

Le bilan énergétique de la Terre

Source Wikipedia : bilan radiatif de la terre

(5)

5 L’entropie : la face cachée de l’énergie La quantité d’énergie se conserve toujours, quelles que soient ses formes Mais toutes les formes d’énergie ont-elles la même qualité ?

Entropie d’un système

- Part de l’énergie dégradée (non utilisable

directement sous forme mécanique, chimique ou électrique)

- Mesure du désordre dans le système - Irréversibilité des transformations

L’entropie est toujours croissante dans les systèmes isolés, dans les

échanges d’énergie entre systèmes

(6)

6 L’entropie et l’énergie libre

L’énergie libre d’un système est la part de l’énergie qui n’est pas gelée par l’entropie**

E _libre = E _totale − T x S

énergie libre = énergie totale – température x entropie

** formulation globale, qui demande à être précisée, selon les contextes

Énergie entropique Énergie

libre

Dans les échanges, l’énergie est conservée, mais l’entropie croît

Système A

Système B

Système A + B

Conservation de l’énergie totale Augmentation de l’entropie totale

Perte énergie libre

(7)

7 Entropie : détermine la part de l’énergie dégradée (non utilisable directement sous forme mécanique, chimique ou électrique)

Énergie libre : part de l’énergie utilisable

https://www.metoffice.gov.uk/weather/le arn-about/weather

https://jardinage.ooreka.fr/tips/voir/343884/les-arbres-en-boule

Air calme

• Molécules d’air en agitation thermique (510 m/s)

• Énergie totale 50 Wh/m

³

• Énergie libre 0 (aucune énergie libre)

Vent

• Molécules d’air en agitation thermique (520 m/s) + déplacement collectif 10 m/s

• Énergie totale 52,5 Wh/m

³

• Energie libre 2,5 Wh/m

³

(énergie éolienne)

Entropie et énergie libre

Énergie entropiqu Énergie e

libre

Énergie entropique

Énergie

entropique

(8)

8

https://business-ethics.com/

Énergie potentielle

Entropie (désordre +

chaleur)

Énergie électrique

Energie mécanique (potentielle)

Entropie et irréversibilité

Chaleur

Énergie mécanique →

^Chaleur

+ énergie électrique

Un processus qui crée peu d’entropie

(beaucoup d’énergie libre)

Quasi réversible

(remonter l’eau dans le

barrage pour stocker

de l’énergie)

(9)

9 Entropie : Mesure du désordre dans le système

Carbone

Tas de charbon, localisé, non dispersé Entropie basse

Carbone dans l’atmosphère (CO ₂ ) Dispersé dans des milliards de m3

Entropie maximum

Entropie : signe l’Irréversibilité des transformations

Autres signatures de la croissance de l’entropie

(10)

10

Energie chimique

Un autre exemple : une centrale au charbon

Chaleur Vapeur

gaz

Énergie chimique → Chaleur + Déchets + énergie électrique

Un processus qui crée beaucoup d’entropie (rendement d’énergie libre faible)

Irréversible

(comment recapturer le CO2 et la vapeur d’eau émise)

Énergie chimique

Énergie électrique

Entropie (Chaleur 70%, émission irréversible de CO2 et de vapeur d’eau)

http://www.oleocene.org/

(11)

11 L’entropie – l’énergie libre

énergie libre = énergie totale – température x entropie

La chaleur est la forme d’énergie la plus entropique

• Rendement faible des moteurs thermiques

• Apparait comme « déchet » dans les transformations d’énergies

Les formes d’énergie les moins entropiques (part d’énergie libre maximum) :

• Énergie radiative (ex : rayonnement solaire, ondes)

• Énergie électrique (ex : courants)

• Énergie mécanique (ex : eau d’un barrage)

• Énergie chimique (ex : accus, charbon)

• En première approximation, la création de chaleur est une estimation de la création d’entropie

• Dans les bilans d’énergie, la notion d’énergie libre est plus pertinente

(12)

12 La vie – les activités humaines La vie : un processus de consommation d’énergie libre

Vitruve

Léonard de Vinci , Gotlib

Energie chimique

Chaleur, déchets

Croissance (organisée) Energie chimique

Chaleur, déchets

Croissance (organisée)

Energie mécanique Artéfacts

Energie mécanique Processus biologiques

Processus biologiques +

culture

(13)

13 Energie libre dissipée par les activité humaines

www.francois-roddier.fr/

Total

Biologique

Un Français a l’équivalent de 4 à 500 « esclaves » à sa disposition 24h sur 24.

« combien-suis-je-un-esclavagiste » - JM Jancovici

Nature  → Culture

Pour les humains, la part de la consommation d’énergie « biologique » est très faible

par rapport à celle liée à leurs activités techniques et de création d’artefacts.

(14)

14 Soleil 5 800°K

Terre 300°K Energie absorbée

par la Terre 240 W/m²

Entropie 40 mW/K/m²

Entropie 940 mW/K/m² Energie 240 W/m²

Bilan énergie/entropie de la Terre

La planète Terre est une machine à créer de l’entropie (désordre, chaleur) Seulement 6% de l’énergie reçue du Soleil est captée en énergie libre

Photons de

haute énergie Photons de

basse énergie

(15)

15 Le « budget » de la Terre en énergie libre

Mouvement atmosphère

Energie mécanique (cinétique) 900 TW

hydrauliqueformation.blogspot.com

Nasa-Wikipedia-Ouragans

Evaporation de l’eau

Energie mécanique (potentielle) 560 TW

Processus biologiques Terrestres

Marins Energie chimique

Activité humaines

Energie chimique (hors énergie primaire)

150 TW 60 TW

commons.wikimedia.org

30 TW

1 700 TW d’énergie libre Chaleur

28 300 TW

Source

=

1 TW = 10

¹²

Watts

(16)

16 Bilan énergie/entropie Lune/Terre

340 W/m²

100 W/m² 20 W/m²

240 W/m² 320 W/m²

0 W

1700 TW

La Lune a une albédo très faible 6%, c’est un astre mort qui n’a pas d’énergie libre

La Terre a une a une albédo de 30%, c’est

un astre vivant qui capte de l’énergie libre

(17)

17 Les « bonnes » sources d’énergie libre Pas d’énergie « renouvelable » : l’énergie est toujours est conservée

Sources d’énergie

en stock

Sources d’énergie

en flux*

Nucléaire de fission

Entropie de

construction et de déconstruction

Charbon, gaz, pétrole

Entropie de construction Émissions irréversibles de gaz Effet de serre

Photovoltaïque

Géothermie Chaleur qui aurait été émise spontanément

Hydroélectricité Entropie de construction

Entropie (chaleur et turbulences) Quasi réversible

Éolien Entropie de construction et de déconstruction

Entropie liée à l’intermittence Entropie de construction et de déconstruction

Entropie liée à l’intermittence

* La captation de ces énergies libres est un « emprunt ». A la fin, elles seront de toute façon transformée en

chaleur.

(18)

18 Internet et la transformation de l’énergie

Ordinateurs Lignes

Serveurs

Énergie électrique

Internet

Energie entrante

Chaleur

Fonctionnement Refroidissement Energie

électrique

Dégradation de l’énergie Création d’entropie

Information

(19)

19 L’information a un coût énergétique ? ENIAC (1945) : 360 multiplications par seconde →40 Watts-heure

http://www.efficacite-electrique.fr/

1950 10 000 « calculs » par kWh 2010 1 000 000 000 000 000 « calculs » par kWh

Théorie de l’information - Théorème de Landauer Quantité minimale d’énergie dissipée (entropie créée) pour effacer un bit d’information

𝐸 = 𝑘 _𝐵 𝑙𝑛2 𝑇 𝑆 = 𝑘 _𝐵 𝑙𝑛2

OUI MAIS

k

_B

est très petit : effacer 1 message de 1Mo

(mégaoctet) → 4 10

^-14

J(oule)

(20)

20 Quel est le coût écologique de votre surf sur internet ? Une tasse de thé bouillant, c'est le « coût énergétique » de la recherche que vous venez d'effectuer sur internet.

Dr A Wissner-Gross : http://news.bbc.co.uk/

17/11/2015

« Selon les propres calculs de Google, une recherche sur son moteur de recherche (…) consomme 0.0003 kWh d’énergie soit 1 kilojoule ».

Un dé à coudre de thé tiède

Quels bilans d’énergie pour internet ?

7 000 calories 8 Wh (Watt-heure) ou

29 000 J(Joules) ou

260 calories 0,3 Wh (Watt-heure) ou

1 000 J(Joules) ou Bilan TOTAL (?)

• Construction des équipements Consommation lignes, serveurs et PC

• Réfrigération des serveurs

• Retraitement de déchets

(21)

21 Et internet dans les activités humaines ?

Consommation mondiale annuelle

d’énergie 135 000 TWh

Electricité mondiale 27 000 TWh

20 % 8 % Internet

2 200 TWh 2 % environ

Pour quels équipements

Pour quels usages

(22)

22 Le coût entropique d’internet D’où vient l’électricité d’internet ?

Chaleur, turbulences

Chaleur, émissions de vapeur d’eau, de

CO2, etc.

Le coût entropique (chaleur émise) pour obtenir la même quantité d’électricité

dépend fortement de l’origine de l’énergie

(23)

23 Cliquer « vert »

Voir rapport « Click Green » http://www.clickclean.org/

Green Peace compare la « qualité » de l’énergie utilisée par les grandes compagnies de

l’internet

(24)

24 Que fait la planète Gaïa ?

Un surplus de chaleur sur Terre (par exemple brûler du charbon) :

• La stocker sous une autre forme d’énergie (??)

• Augmenter le rayonnement de la Terre : énergie rayonnée proportionnelle à T ⁴

Un surplus d’entropie sur Terre

(échanges d’énergie entre systèmes) :

• Augmenter le rayonnement de la Terre : entropie rayonnée

proportionnelle à T ³

• Augmenter l’activité turbulente de

l’atmosphère

(25)

25 Que fait la planète Gaïa ?

Mais « effet de serre » : la Terre n’est pas un corps émissif parfait

Les équilibres des échanges énergétiques et entropiques sont modulés par la « transparence » de l’atmosphère au rayonnement infrarouge.

On estime à 2 W/m² l’impact des activités humaines de l’ère industrielle

Seul l’usage des énergies en stock augmente le bilan de chaleur à émettre*.

Où est le problème ?

Augmentation de 1° K

→ émission augmentée de 1,4%

Soit 3,2 W/m² de rayonnement supplémentaire

* l’énergie du vent, des chutes d’eau, du rayonnement solaire, de l’uranium radioactif… aurait de toute

(26)

26 Pourquoi parle-t-on du CO2 ?

Les 2 effets entropiques des centrales thermiques (gaz, charbon) :

- Rendement faible (20 à 30%) nécessité de multiplier la puissance des sources - Forte croissance de l’entropie de mélange :

Charbon, solide confiné dans l’espace → gaz émis, dispersés dans des milliards de milliards de m ³ d’atmosphère (irréversibilité).

Le 3 ^ème effet : émission de gaz à effet de serre

• La vapeur d’eau, mais émission humaine minimes par rapport aux quantité énormes (qq %). Peu d’accumulation, elle

retombe en pluie

• Le gaz carbonique CO2 (0,04 %); mais s’accumule

By NASA, Robert Rohde - http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EnergyBalance

(27)

27 Bilan écologique du fonctionnement d’Internet

Electricité non carbonée

• Pas de production nette de chaleur

• Augmentation de l’entropie (déchets)

Electricité à partir de stock de combustibles carbonés

• Augmentation de la chaleur terrestre

• Forte augmentation de l’entropie (irréversibilité des transformations)

• Effet de serre

Économiser les énergies Miser sur l’énergie libre

Éviter de passer par la « case » chaleur Contribuer le moins possible à

l’entropie du monde

(28)

Science & Opinion publique

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&

Opinion publique

Bernard Remaud

Internet, la planète et moi

Vive l’énergie libre

2

De quelle énergie parle-t-on ?

Chauffer une tasse de thé ou faire une recherche sur internet est-ce la même chose du point de vue de

Quel est le coût écologique de votre surf sur internet ?

Une tasse de thé bouillant, c'est le « coût énergétique » de la recherche que vous venez d'effectuer sur internet.

7 000 calories ou

8 Wh (Watt-heure) 29 000 J(Joules) ou

?

Boire du thé ou naviguer sur Internet ?

3

Impact sur la planète ?

• Quels sont les types d’énergie en jeu ?

• Toutes les énergies ont-elles la même qualité ?

• Toutes les énergies ont-elles le même impact sur la planète Terre

De quelle énergie parle-t-on ?

Dans les transformations, l’énergie est toujours conservée

4

Rayonnement solaire

(UV, visible, Infra-rouge)

340 W/m²

Rayonnement réfléchi, albédo (100 W/m²)

Radioactivité terrestre

Effet des marées (0,25%)

Rayonnement de la Terre (Infra-rouge)

240 W/m²

Sans radioactivité, ni effet de serre, la température de la terre serait de

– 15°C

L’énergie entrante et l’énergie émise ont des longueurs

d’onde différentes

Le bilan énergétique de la Terre

5

L’entropie : la face cachée de l’énergie La quantité d’énergie se conserve toujours, quelles que soient ses formes Mais toutes les formes d’énergie ont-elles la même qualité ?

Entropie d’un système

- Part de l’énergie dégradée (non utilisable

directement sous forme mécanique, chimique ou électrique)

- Mesure du désordre dans le système - Irréversibilité des transformations

L’entropie est toujours croissante dans les systèmes isolés, dans les

échanges d’énergie entre systèmes

6

L’entropie et l’énergie libre

L’énergie libre d’un système est la part de l’énergie qui n’est pas gelée par l’entropie**

E libre = E totale − T x S

énergie libre = énergie totale – température x entropie

** formulation globale, qui demande à être précisée, selon les contextes

Énergie entropique Énergie

libre

Dans les échanges, l’énergie est conservée, mais l’entropie croît

Système A

Système B

Système A + B

Conservation de l’énergie totale Augmentation de l’entropie totale

Perte énergie libre

7 Entropie : détermine la part de l’énergie dégradée (non utilisable directement sous forme mécanique, chimique ou électrique)

Énergie libre : part de l’énergie utilisable

Air calme

• Molécules d’air en agitation thermique (510 m/s)

• Énergie totale 50 Wh/m

• Énergie libre 0 (aucune énergie libre)

Vent

• Molécules d’air en agitation thermique (520 m/s) + déplacement collectif 10 m/s

• Énergie totale 52,5 Wh/m

• Energie libre 2,5 Wh/m

(énergie éolienne)

Entropie et énergie libre

Énergie entropiqu Énergie e

libre

Énergie entropique

Énergie

entropique

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Énergie potentielle

Énergie électrique

Entropie et irréversibilité

E _libre = E _totale − T x S

Carbone dans l’atmosphère (CO ₂ ) Dispersé dans des milliards de m3