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Et si l'on utilisait seulement l'énergie solaire ?

On parle beaucoup présentement, surtout dans le cadre du protocole de Kyoto, d'énergie renouvelable. Si nous voulions n'utiliser que l'énergie produite par des capteurs solaire, quelle surface faudrait-il recouvrir pour pouvoir subvenir à nos besoins actuels ? La surface de la Terre serait-elle suffisante? Quel est l'ordre de grandeur de cette surface?

Disposant d'une connexion internet, d'une calculatrice et d'une solide formation secondaire où j'appris la règle de 3, j'ai tous les outils en main pour faire ce calcul.

Remplaçons toute l'énergie du monde par de l'énergie solaire

Selon l'Agence internationale de l'énergie (2004), l'offre total d'énergie primaire est de 425 exajoules (1 exajoule = 1 x 1018 joules) par année. L'énergie primaire est définie par l'énergie produite par la combustion (pétrole, gaz naturel, charbon et déchets pour 91 %), par la fission nucléaire (7%), par l'énergie hydroélectrique (2,2 %) et les autres énergies renouvelables (0,5 %).

L'efficacité d'une cellule photovoltaïque est d'au mieux 16% [1], c'est-à-dire que de tous les photons qui frappent la cellule, seulement 16% sont convertis en électricité (énergie).

En Amérique du Nord, en moyenne, la puissance du soleil est entre 125 et 375 W/m2 dans une journée [2]. Puisque nous sommes au nord de l'Amérique, prenons la borne inférieure soit 125 W/m2, ce qui donne 1,08 MJ (MJ = mégajoule = 1 x 10 6 joules) d'énergie pour une journée pour un mètre carré.

Pour fournir 425 exajoules en 1 an à l'aide de cellules photovoltaïque d'une efficacité de 16%, il nous faudrait donc 674 000 km2 recouvert de capteurs solaire! Cette surface représente 0,1 % de la surface de la Terre (510 065 285 km2) ou encore 0,4 % des terres émergées (148 939 063 km2). Ce ne vous donne pas encore une bonne idée de la surface? Disons que c'est l'équivalent de la superficie de la Birmanie (678 500 km2) ou encore de la France (675 418 km2) [3].

Remplaçons toute l'énergie produite par Hydro-Québec par de l'énergie solaire

Mêmes calculs, mais cette fois pour remplacer toute la production d'électricité d'Hydro-Québec, soit 35 190 MW [4].

Il faudrait une surface de 1760 km2 recouvert de cellules photovoltaïque pour remplacer toute l'électricité produite par Hydro-Québec. À quoi se compare cette superficie ? L'île de Montréal ayant une superficie de 514 km2 [11], il faudrait donc en recouvrir l'équivalent de 3,5 fois l'Île de Montréal pour pouvoir remplacer Hydro-Québec!

Remplaçons toute l'énergie du pétrole brûlé par les Québecois par de l'hydrogène (H2)

Puisque nous voulons être vert, nous produirons bien sûr notre hydrogène avec… de l'énergie solaire!

L'électrolyse de l'eau est un des procédés existant pour produire du H2 et c'est celui pour lequel nous optons ici. L'efficacité de la production de H2 varie entre 50 % et 90 %, c'est-à-dire qu'il en nécessite entre 1,1 et 2 fois plus d'énergie pour le produire que la quantité d'énergie qui sera libérée lors de sa combustion [5].

Selon la Régie de l'énergie du gouvernement du Québec, la consommation totale du Québec est de 8,3 milliards de litres d'essence par année [6]. Or, 1 litre d'essence fournit 29 MJ alors que 1 kilogramme de H2 fournit 120 MJ [7,8]. Il nous faudra donc brûler 2 milliards de kg de H2 pour fournir la même énergie que le pétrole (en supposant qu'un moteur à hydrogène est aussi performant qu'un moteur à essence traditionnel).

Quelle quantité d'énergie est nécessaire pour produire cette quantité de H2 ? Environ 1,1 à 2 fois plus qu'elle n'en produira, c'est-à-dire entre 287 et 516 milliards de MJ, ce qui représente une surface de 947 à 1720 km2.

Étonnament, la borne supérieure de la surface nécessaire, 1720 km2, est très près de la surface qui faudrait pour remplacer Hydro-Québec, 1760 km2.

Quelle superficie de cellules photovoltaïque pour remplacer la consommation d'une voiture ?

Selon Transport Canada, la distance moyenne parcourue par un véhicule léger au Québec est de 16 633 km par année. Au Canada, la consommation moyenne d'un véhicule est de 11,42 litres d'essence pour 100 km. Un véhicule consomme donc, en moyenne, 1889 litres d'essences par année.

Toujours en utilisant les mêmes hypothèses (efficacité de la cellule photovoltaïque, utilisation du l'hydrogène au lieu de l'essence, efficacité de l'electrolyse de l'eau), il faudrait une surface de 95 m2 pour fournir la quantité d'énergie suffisante pour la consommation d'un véhicule. Cette surface est environ la même qu'un terrain de football (soccer) [9].

On voit qu'il serait très difficile, à moins que tout le monde habite à la campagne et ait un champ à lui à côté, que chaque propriétaire de voiture produise lui-même son hydrogène à la maison pour son véhicule.

On peut se demander, par exemple, quelle superficie serait nécessaire pour tous les véhicules sur l'Île de Montréal.

Remplaçons toute l'énergie du pétrole brûlé par les résidents de l'Île de Montréal par de l'hydrogène (H2)

Selon la Société d'assurance automobile du Québec (SAAQ), le nombre de véhicules sur l'Île de Montréal, en 2004, était de 667 383 [11]. Toujours pour une distance moyenne parcoure par année de 16 633 km, on obtient un total de 11 milliards de km pour l'ensemble de véhicules légers sur l'Île de Montréal, ce qui nécessite 1,26 milliards de litres d'essence.

Pour obtenir l'équivalent de cet énergie avec de l'hydrogène, il faudrait recouvrir une surface de 6 080 km2 de cellules photovoltaïques, soit environ 12 fois la superficie de l'Île de Montréal !

Références

  1. Wikipedia: photovoltaic cell (anglais)
  2. Solar Maps, National Renewable Energy Laboratory, carte (anglais)
  3. Wikipédia: Liste des pays par superficie
  4. Tableau synthèse des centrales d'Hydro-Québec
  5. Wikipedia: Electrolysis of water (anglais)
  6. Bulletin d'information sur les prix des produits pétroliers au Québec, Régie de l'énergie du gouvernement du Québec (document pdf)
  7. Wikipedia: Gazoline, Energy content (anglais)
  8. Departement of physics & Astronomy, Georgia State University, Efficacité énergétique de l'électrolyse (anglais)
  9. Wipédia, Loi 1 du football, le terrain de jeu
  10. Atlas montréalais, Portrait des terrains vacants à vocation économique
  11. Dossier statistique, bilan 2004, Société de l'assurance automobile du Québec (document pdf)

7 commentaires à « Et si l'on utilisait seulement l'énergie solaire ? »

  1. Dom
    18 mars 2008 | 10:52

    Un terrain de football fait 5000 m² … pas 95 :-)

  2. 18 mars 2008 | 10:59

    Oups! J'ai barré la phrase.

  3. user
    25 avril 2008 | 11:09

    Ben avec tes chiffres, il ne doit pas faire beaucoup de soleil chez vous !!! Ici en Suisse, pourtant pas reputé pays chaud (!!!) on compte theoriquement 1100 kWh/m2. Faut dire qu'a force de prendre toutes les bornes inferieures, on peut faire dire aux chiffres tout ce que l'on veut ;-)

  4. 28 janvier 2009 | 21:28

    Vous pourrez trouver les valeurs des flux solaires à la surface de la Terre pour tous les endroits sur la page http://ptaff.ca/soleil/

    Les calculs sont effectués pour le niveau moyen de la mer. Ces valeurs Suisse, si elles sont véridiques, sont peut-être dues à l'altitude moyenne de la Suisse, pays de montagnes.

  5. Denis Boyer
    2 décembre 2009 | 17:12

    Cette "étude" est totalement risible. Non seulement parce que les bornes inférieures sont toujours choisies plutôt arbitrairement, mais aussi parce qu'elle compare des choux avec des bicyclettes.

    Si on utilisait des voitures électriques, l'efficacité énergétique serait beaucoup plus élevée et notamment, dans la circulation dense lorsqu'on doit s'arrêter, la consommation est nulle (du moins en été). Ce qui fait baisser l'efficacité des voitures à essence, c'est justement la nécessité de se rendre au travail et d'en revenir aux heures de pointe. Et pourquoi utiliser de l'hydrogène au lieu de l'électricité alors que cette dernière technologie est plus efficace et existe déjà? Serait-ce parce que l'étude était biaisée?

    Le soleil fourni à la terre à chaque seconde autant d'énergie que l'humanité en consomme en 1 an. Quel était le but de cette publication? Je ne comprend pas…

  6. 2 décembre 2009 | 18:25

    Les bornes inférieures ne sont pas choisies arbitrairement, elles sont choisies pour avoir une approximation, au mieux, de la superficie de panneaux solaires qu'il faudrait pour avoir le même apport d'énergie présentement utilisé.

    Différentes échelles sont ainsi étudiées: l'énergie totale pour le monde entier, l'électricité produite au Québec et la consommation en essence d'une voiture.

    La conclusion de cette étude est qu'il faudrait une superficie énorme, en faisant abstraction du coût en énergie pour produire les capteurs solaires, pour remplacer l'énergie consommée par l'homme. L'énergie solaire ne peut donc pas être solution unique pour assurer l'avenir énergétique de la planète ou même pour une utilisation plus simple, l'automobile.

    Vous dites que le Soleil fournit en 1 seconde autant d’énergie que l’humanité en consomme en 1 an. Soit, mais encore faut-il la transformer pour pouvoir l'utiliser. C'est ce que j'ai étudié ici en regardant ce qu'il est possible de faire grâce à des cellules photovoltaïques.

  7. Denis Boyer
    2 décembre 2009 | 20:32

    Choisir le pire des cas systématiquement ne donne pas une approximation "au mieux" mais plutôt une approximation au pire!

    Vous calculez l'énergie requise pour une voiture moyenne annuellement en vous basant sur la consommation de pétrole, alors que le pétrole offre un rendement énergétique très bas (la majorité de l'énergie étant transformée en chaleur). Il n'est pas raisonnable de calculer la surface de cellules PV sur cette base et c'est pourquoi je ne peux que rire des conclusions.

    L'énergie solaire n'est pas idéale comme source unique d'énergie puisque le soleil n'est pas toujours au rendez-vous, surtout l'hiver alors qu'on a davantage besoin de lui. Par contre, il s'agit d'une source complémentaire par excellence à l'éolienne car les vents sont plus forts lorsque le soleil est absent, qu'il s'agisse de la nuit ou de l'hiver.

    Pour un ménage québécois moyen qui consomme 16 000 kWh/année selon [Luc Roy, Cahiers Québécois de Démographie, Volume 36, numéro 2, automne 2007, Évolution démographique et demande énergétique : l'exemple de l'électricité au Québec, Pages 301-319], il faudrait à peine 37 mètres carrés de panneaux solaires pour combler nos besoins énergétiques, en estimant à 6.15 heures par jour d'ensoleillement en moyenne (source - Environnement Canada). Ceci ne tient pas compte de l'énergie pour le véhicule mais on peut faire le calcul : À 100 km/h, un véhicule électrique consomme 10 kW (voir http://sfp.in2p3.fr/Debat/debat_energie/websfp/Livet-elect.htm pour les calculs). Il faudrait à cette vitesse (qui est le pire cas dans le cas de l'électrique puisqu'à une vitesse nulle, la consommation est nulle aussi) 166 heures de route et donc 1660 kWh, soit environ 10% de la consommation de la maison, que 3.7 mètres carrés de PV suffiraient à fournir. Si on entre un facteur d'efficacité dans la formule, on peut imaginer que 10 mètres carrés devraient suffire. On est loin du 95 métres carrés!!!

    Quand on fait des calculs en approximant de façon grossière toutes les parties de l'équation, l'incertitude s'accumule et peut devenir si grande que les résultats ne veulent plus rien dire.

    Ceci dit, je ne vois pas quel était le but premier de cette publication. Décourager le virage vers les énergies renouvelables???

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