Hors des lieux communs

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)

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Le graphique ci-dessous est connu sous le nom de hockey stick. Il s'agit de l'élévation de température observée entre l'an 1000 et l'an 2000, les pointillés représentant la projection de l'élévation de température jusqu'à l'an 2100.

Ce qu'il y a de spécial dans ce graphique, c'est que l'élévation de température qui y est représentée est seulement due aux gaz à effets de serre. On a retiré la contribution des variations de l'activité solaire ainsi que le refroidissement causé par les poussières d'origines volcaniques et anthropogéniques.

Les lignes pointillés horizontales représentent la variabilité de la température observée de l'ère dite pré-industrielle, c'est-à-dire avant 1850. Cette variation naturelle pourrait expliquer le réchauffement que nous avons vécu au XX^e siècle.

Il existe plusieurs séries de mesure (carotte glacière, dendroclimatologie) pour reconstituer la température moyenne de la Terre au cours du dernier millénaire. Ce sont ces différentes séries de mesures qui sont représentées par les lignes de couleurs; les contribution des poussières et du flux solaire ont été enlevées de chacune des séries de façon à mettre en évidence la contribution du CO₂.

Ce graphique, publié en 2000 dans la revue Science aurait marqué un point tournant dans le ralliement des scientifiques de toutes les displines au concensus qui a entouré la troisième série de rapport du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat.

Sources:

• T.J. Crowley et M.E. Mann, « Causes of climate change over the past 1000 years », Science, n° 289, 2000, p.270-277
• Claude Villeneuve et François Richard, « Vivre les changements climatiques: Quoi de neuf ? », Éditions MultiMondes, 2005, p. 109-110, ISBN 2-89544-074-3

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La publicité du Jeep Commander qui passe présentement à la télévision m'irrite au plus haut point. Je trouve paradoxal que d'un côté les médias n'en finissent plus de couvrir la conférence de Montréal, le protocole de Kyoto et de façon générale le réchauffement global, et que d'un autre côté l'on fasse hommage à l'incarnation de la réussite sociale par le subtil déambulement de quelques mètres cubes d'acier dans les rues de nos villes.

Ça me fait penser aux images que l'on voit parfois d'une personne fumant une cigarette dans un hôpital dans les années '50. On ne peut alors s'empêcher d'avoir un réflexe de surprise et de remettre les choses en contexte en se disant « à l'époque ils ne savaient pas à quel point c'était nocif ». Bien là on sait fait qu'on agit. Comment se fait-il qu'un conducteur de Hummer puisse encore se promener la tête haute dans la rue sans se faire huer par la foule ? C'est une personne qui empiète sur un bien commun, l'atmosphère, au mépris de la santé de toute une planète.

C'est un symbole me direz-vous, ce n'est pas parce qu'il n'y a plus de VUS que nous inverserons le réchauffement global. Je répondrais que c'est un symbole, que si l'on veut vraiment inverser le type de consommation que nos sociétés ont, il faut d'abord changer les images que nous véhiculons comme facteur de réussite. Et ça commence en traitant leurs propriétaires d'irresponsables et d'irrespecteux envers ce qui appartient à tous les êtres vivants, pas en en faisant l'éloge à grand coup de 30 secondes à toutes les 5 minutes.

Quand j'entends la publicité sur le Jeep Commander, je ne peux m'empêcher de penser à l'excellente capsule de Macadam Tribus, capsule qui vente les mérites du « 4X4 COMMANDO, le TRUCK qui a pas peur de TOÉ! (l'hyperlien ne fonctionnait malheureusement pas au moment de la publication) qui illustre parfaitement le ridicule de ce genre de véhicule.

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Dans le cadre de la petite histoire de l'atmosphère de la Terre, j'avais écris que le CO₂ présent dans l'atmosphère avait été dissous dans l'océan. Les êtres vivants, en prenant le carbone présent dans le CO₂, libéraient du O₂. Voilà pour la récapitulation.

Les organismes vivant, en mourant, emprisonnaient une grande quantité de carbone (C) dans la lithosphère. Par exemple, pendant des millions d'années, la végétation s'est décomposée et s'est retrouvée par la suite dans la croûte terrestre. Or, que fait l'homme depuis un peu plus de 100 ans ? Il va puiser dans cette source de carbone, via les combustibles fossiles, et la consume ensuite, libérant de ce fait des quantités énormes de CO₂ dans l'atmosphère. Ce que la nature a mis des millions d'années à produire, l'homme le détruit en moins de 200 ans.

Qu'arrive-t-il à la quantité fantastique de CO₂ ainsi libérée ? Puisque l'océan a déjà absorbé pratiquement tout le CO₂ (il ne reste que 3% de tout le CO₂ présent sur la Terre sous forme de gaz dans l'atmosphère) de l'atmosphère primitive de la Terre, ne pourrait-il pas recommencer ?

Il y a 3 endroits où ce surplus de CO₂ peut résider: dans l'atmosphère, dans l'océan et dans la biomasse.

Absorption du CO₂ par l'océan

Dissollution directe du CO₂

Pour ce qui est de l'océan, on y retrouve le CO₂ dissous sous trois forme: CO₂ dissous directement dans l'eau (acide carbonique), HCO₂^- (bicarbonate) et CO₃^2- (carbonate). La majorité du CO₂ présent dans l'océan est sous la forme de carbonate. Le pH des océans, a une valeur de 8,2, est étonnament alcalin. L'ajout de CO₂ dans l'océan l'acidifie, ce qui réduit sa capacité à absorber le CO₂ (la raison dépasse grandement le cadre de cette discussion). On ne peut simplement ajouter du CO₂ dans l'atmosphère et attendre qu'il soit absorbé par l'océan. En fait, à cause de la contrainte sur l'alcalinité des océans, 50% du CO₂ émit demeure dans l'atmosphère. On voit la menace sur l'équilibre qui existe présentement où seulement 3% du CO₂ est dans l'atmosphère.

Mais comment se fait-il alors que l'océan ait réussi à absorber tout le CO₂ de l'atmosphère primitif ? Excellente question Gaston. C'est là qu'intervient le fameux courant du fond des océans. La limitation sur le pH dont il était question dans le paragraphe précédent est une contrainte sur la couche supérieure de l'océan. Il est possible de voir l'océan comme une superposition de 3 réservoirs: la couche de surface (0-100m), la couche intermédiaire (100m à 1km) et l'océan profond (1km jusqu'au fond). L'eau demeure dans chacun des réservoirs en moyenne 18, 40 et 120 ans, respectivement. Autrement dit, une réponse de l'océan à un changement de concentration de CO₂ dans l'atmosphère prend environ 200 ans. Il n'y a que la couche supérieure de l'océan qui entre en contact avec l'atmosphère et cette couche ne peut prendre que 6% de tout le CO₂ émit par la combustion des combustibles fossiles. La somme de toutes les couches ont absorbé, depuis le début du XIXe siècle, autour de 25% de tout le CO₂ émit. On peut apprécier l'importance qu'a le brassage de l'océan; le CO₂ absorbé par la couche supérieure doit absolument passer dans l'océan profond si on veut que le surplus de CO₂ libéré dans l'atmosphère ne nous étouffe pas.

Absorption du CO₂ par le phytoplancton

Le phytoplancton est la base de la chaîne alimentaire, ce qui fait que le C qu'il produit se retrouve ensuite dans tous les échelons de la chaîne alimentaire et environ 90 % est éventuellement convertie en CO₂ en solution dans l'eau (par la respiration et la décomposition dans la couche supérieure de l'océan). Le 10% restant (matières fécales, organismes décédés) est précipité au fond des océans. Cette proportion représente environ un huitième de ce qui est transporté par les échanges entres les couches d'eau dans l'océan profond.

Les mesures actuelles de CO₂ atmosphériques indiquent que 50% des émissions demeurent dans l'atmosphère. L'absorption du CO₂ par les océans en élimine 30%. Où passent donc les 20% restants ?

Absorption du CO₂ par la biomasse de la Terre ou les « puits de carbone »

Rien n'explique où peuvent être allés ces 20 %, les scientifiques émettent des hypothèses et l'une de celle-là est l'accroissement de la biomasse de la Terre.

Par des modèles calculant la quantité de CO₂ absorbée par les plantes lors de leur croissance, les scientifiques en sont venus à la conclusion que la vitesse d'absorption du CO₂ par la végétation était un peu plus petite que celle des océans.

C'est là que serait passé le 20 % manquant: il y aurait eu un accroissement de la quantité de CO₂ absorbé par la végétation des moyennes et hautes latitudes de l'hémisphère nord. Une partie de cette augmentation pourrait être due à une conversion des terres agricoles en forêt dans les moyennes latitudes de l'hémispère nord, et une autre partie pourrait être attribuable à une plus grande activité de la photosynthèse de la forêt boréale, résultat du réchauffement climatique.

Cette accumulation de la biomasse par les plantes seraient ensuite déposée sur le sol. Ce sont les fameux « puits de carbone » !

Référence: Introduction to atmospheric chemistry, Daniel J. Jacob, Princeton University Press, ISBN 0-691-00185-5, p. 87-90

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Évolution de l'atmosphère

Les éruptions volcaniques et le refroidissement de la croûte terrestre établirent, lorsque notre planète était dans son enfance, la composition initiale de ce que l'on retrouve à la surface de notre planète et dans son atmosphère. La surface de notre planète est composée d'un assemblage d'atomes provenant de 92 éléments chimiques.

Les observations des éruptions volcaniques nous donnent une idée de cette atmosphère primitive: H₂O (~ 95%), CO₂, N₂ et du gaz sulfureux. Il n'y avait pas d'O₂ et les plus vieux cailloux de la Terre ne contiennent pas non plus d'O₂. Mais d'où vient cet oxygène que nous respirons ?

La vapeur d'eau de l'atmosphère primitif se condensa et forma les océans, le CO₂ et les gaz sulfureux s'y dissolurent par la suite, laissant le N₂ comme gaz principal. La présence d'eau liquide permis le genèse de la vie et certains de ces organismes, il y a environ 3,5 milliards d'années, développèrent la capacité de convertir le CO₂ en carbone organique via la photosynthèse. Par ce processus, ils libérèrent du O₂ qui s'accumula dans l'atmosphère jusqu'à atteindre le niveau que nous connaissons présentement, il y a 400 millions d'années.

Atmosphère de Mars, de Vénus et de la Terre

Il est instructif de comparer l'atmosphère de notre planète avec celles de ses voisines, Mars et Vénus, pour avoir un aperçu de ce qu'elle aurait pu être dans d'autres conditions.

On croit que les 3 planètes avaient initialement les mêmes composantes, mais aujourd'hui elles sont très différentes.

L'atmosphère de Vénus est environ 100 fois plus épaisse que celle de la Terre et, à cause de sa proximité du Soleil, la température de la jeune Vénus était trop élevée pour que l'eau s'y condense et créée des océans. La conséquence est que l'atmosphère est essentiellement composée de CO₂. La vapeur d'eau dans la haute atmosphère de Vénus s'est décomposée par photolyse en atomes de H, qui se sont ensuite échappés de l'atmosphère, les atomes d'O restant oxydèrent les roches à la surface de la planète. On pense que c'est ce mécanisme qui explique la rareté de l'eau à la surface de Vénus.

Sur la Terre, on ne retrouve que 0,001 % de toute la quantité de l'eau de la planète dans l'atmosphère, le reste est à la surface (principalement dans les océans), ce qui fait que la perte d'eau en haute atmosphère est marginale et est compensée par l'évaporation des océans.

L'atmosphère de Mars est beaucoup plus mince que celle de la Terre et est principalement composée de CO₂. Puisqu'elle est plus petite, elle a une accélération gravitationnelle plus faible, ce qui fait que les atomes de H peuvent s'échapper aisément dans l'espace, de même pour les atomes de N qui sont produit par photolyse du N₂ (ce phénomène, pour le N, est négligeable sur la Terre). Même si le pourcentage de CO₂ sur Mars est grand, son abondance totale est en fait extrêmement petite par rapport à celle de Vénus; on pense que le CO₂ a été retiré de l'atmosphère martienne par des réactions à sa surface qui créa des roches carbonées.

Lire la suite: Petite histoire du puits de carbone

Référence: Introduction to atmospheric chemistry, Daniel J. Jacob, Princeton University Press, ISBN 0-691-00185-5, p. 87-90

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