On se demande bien en effet pourquoi les ingénieurs d'EDF ou Areva n'auraient pas pensé à une solution aussi simple : utiliser la chaleur rejetée par les centrales nucléaires pour produire plus d'électricité. Il convient ici de faire quelques rappels de physique de base, et notamment de thermodynamique.

Le « premier principe de la thermodynamique », c'est la conservation de l'énergie. Autrement dit, si vous apportez de l'énergie dans un système, celle-ci ne peut pas disparaître magiquement. Ainsi, quand vous consommez de l'énergie électrique dans un appareil tel qu'un ordinateur, celui-ci ne va pas la faire disparaître, mais la disperser sous forme de rayonnements électromagnétiques (un peu) et de chaleur (beaucoup).

La chaleur est une forme dégradée d'énergie : la température, en quelque sorte, mesure à quel point les petites entités qui composent la matière s'agitent en tout sens. Plus la température est élevée, plus il y a d'agitation. Chauffer, c'est apporter de l'énergie qui se retrouvera dans cette agitation. Faire fonctionner un moteur thermique, que ce soit une locomotive à vapeur, la turbine d'une centrale nucléaire ou au charbon, ou encore un moteur à explosion d'automobile, c'est tenter de convertir cette agitation désordonnée en une force mécanique ordonnée (puis en électricité, via un alternateur).

Le problème est qu'il y a une limite fondamentale à la conversion de la chaleur, énergie dégradée, en énergie « noble », bien ordonnée... le « second principe de la thermodynamique ».

Une machine thermique fonctionne en prenant de la chaleur à une source chaude (gaz chauds dans un moteur à explosion, eau chaude sous pression dans une centrale nucléaire française, etc.) et en dégageant de la chaleur dans une source froide (air via une tour réfrigérante, cours d'eau...) en prélevant au passage de l'énergie. Le rendement de la machine est le rapport entre la puissance mécanique fournie et la puissance thermique que l'on doit apporter (le dégagement de chaleur du combustible, ou de la réaction nucléaire). Il existe une limite à ce rendement, donné par la formule 1-Tf/Tc, où Tfet Tc sont respectivement la température de la source froide et de la source chaude en degrés Kelvin. (**)

Cette formule peut paraître quelque peu intimidante à ceux qui ont abandonné tôt les mathématiques et la physique, aussi prendrai-je un exemple pratique : le réacteur nucléaire EPR. Selon la documentation officielle d'EDF, la puissance thermique de l'EPR est de 4500 MW et la température dans le cœur de 313,7⁰C. Cela donne une température en degrés Kelvin de Tc =273.15+313,7=587 K environ. La température de la mer est, disons, de 9⁰C soit de Tf=282 K environ. Le rendement maximal est donc d'environ 52%. Autrement dit, même avec une thermique idéale, de la mécanique idéale etc., l'EPR, simplement du fait des températures de fonctionnement, devrait rejeter la moitié de sa puissance dans la nature.

Certains s'étonneront que je prenne des chiffres « à peu près ». C'est pourtant la manière courante en physique quand on veut juste avoir une idée du résultat. Bien sûr, cela ne permettrait pas de faire un calcul fin, mais celui-ci devrait de toute façon s'intéresser à la physique précise des générateurs de l'EPR et non se tenir à une borne supérieure théorique et idéale.

Le comparatif puissance thermique vs puissance électrique donne une puissance électrique de 1630 MW. Le rendement global est donc de 1630/4500 = 36% environ, soit une perte d'environ 30% depuis le rendement théorique de 52% (0.52 * (1-0.30) = 0.36 environ). Cette perte s'explique par le fait que le cycle thermodynamique employé n'est pas idéal, qu'il y a des déperditions mécaniques, thermiques, électriques... Si l'on calcule ce quotient puissance électrique sur puissance thermique pour les différents modèles de réacteurs listés, on constate qu'il tourne toujours autour de 35-36% ; les améliorations sont donc assez marginales. Il y a sans doute d'importantes raisons pour lesquelles on n'arrive pas à faire descendre les pertes substantiellement en dessous de 30% de l'énergie maximale théoriquement extractible ; quant à augmenter la température de fonctionnement du réacteur, on est limité par des paramètres comme la résistance des matériaux.

Il existe une façon de valoriser les rejets chauds d'une centrale thermique : la cogénération. Autrement dit, on produit à la fois de l'électricité et du chauffage, par exemple du chauffage urbain. Il ne s'agit pas d'une invention récente : par exemple, une partie de la ville de Montceau les Mines est chauffée par de la vapeur produite par la centrale électrique « Lucy ». En France, on pratique parfois de la cogénération avec des centrales nucléaires... pour chauffer des élevages et expositions de crocodiles et autres animaux des eaux chaudes, à Pierrelatte (Vallée du Rhône) et à Civaux (Vienne). Il y a cependant sans doute de grands problèmes de sécurité à installer une centrale nucléaire à proximité immédiate d'une agglomération afin d'en assurer le chauffage urbain... sans parler de la réaction des militants écologistes et de la population à pareille proposition !

La remarque de mon interlocutrice m'a paru une bonne illustration de deux phénomènes que je trouve préoccupants.

  1. L'ignorance de faits scientifiques « de base » qui devraient faire partie de la culture générale des citoyens de 2011.

  2. Le mépris envers les ingénieurs, qui n'auraient pas pensé à quelque chose d'aussi simple que de récupérer l'excédent de chaleur générée pour l'envoyer vers une « centrale thermique ».

Tout d'abord le point 2. Ce n'est pas la première fois que je constate que des personnes de formation, disons, « littéraire », font des remarques présentant des solutions techniques « évidentes » en réponse à des problèmes complexes qu'elles ne maîtrisent pas. Quelques exemples : une professeur d'arts plastiques, qui disait qu'il était grand temps que les concepteurs d'avion se préoccupent de la consommation des engins ; ou encore une collègue du CNRS, spécialiste des philosophes grecs, qui disait qu'il fallait faire des moteurs de recherche plus performants et qui s'attachent au sens des phrases et non seulement à leur vocabulaire.

Pour parler crûment, si un problème avec un enjeu économique certain (augmenter le rendement du combustible nucléaire, augmenter le rendement des carburants aviation, augmenter la précision des recherches sur Internet...) avait une solution simple et à la portée de monsieur ou madame tout le monde, les ingénieurs spécialistes des domaines concernés y auraient pensé et l'auraient déjà mise en place. Bref, ce genre de réflexions, c'est un analogue plus cultivé de la conversation du Café du Commerce, où souffle l'inspiration pour résoudre de façon simple les problèmes de délinquance, de logement, de chômage ou de démocratie au Moyen-Orient. (*)

Revenons au point 1. Je me suis déjà fait reprendre quand j'ai dit que le premier et le deuxième principes de la thermodynamique devraient faire partie de la culture générale. On m'a dit, en substance, qu'il s'agit de connaissances assez spécialisées qui ne font aucunement partie de la culture générale. Certes, sous leur forme équationnelle, ces principes supposent l'acquisition d'un bagage physique et mathématique qu'il n'est pas possible, ni souhaitable, d'exiger de l'honnête homme (ou de l'honnête femme) du 21e siècle. Il ne s'agit pas de cela, mais de leurs conséquences simples sur la conservation de l'énergie, ou de l'impossibilité d'arriver à un rendement de 100% sur une machine thermique, avec obligation de disperser de la chaleur dans l'environnement d'une façon ou d'une autre. Bref, des connaissances de base autour de la notion d'énergie.

La question de l'énergie est une question importante, et même centrale. C'est en raison de la nécessité de sécuriser et stabiliser les approvisionnements en pétrole et gaz que nous menons des guerres (en Irak, par exemple) ou que nous soutenons certains régimes. Le réchauffement climatique, et la consommation des ressources fossiles, mettent en jeu le destin du monde. Bref, il s'agit de problèmes qui concernent chaque citoyen, et non de problèmes ésotériques, n'intéressant que des spécialistes, et les enjeux sont difficilement compréhensibles si l'on n'a pas de connaissances de base en physique.

On pourrait croire que, dans les débats sur l'enseignement secondaire, on mentionnerait la nécessité d'un socle de connaissances scientifiques (sans mathématiques trop poussées), indispensable à la compréhension de ces enjeux. Hélas non, c'est plutôt le contraire. Quand on parle de l'enseignement en sciences et technologies, on évoque la fabrication d'étudiants formatés pour le marché du travail.... Relevons l'absurdité de croire que les mathématiques et la physique de lycée général ont une utilité industrielle immédiate... Surtout des connaissances générales en sciences et technologies permettent de former des citoyens aptes à comprendre les choix qu'on leur propose, et non des gogos qui se précipitent sur la première escroquerie venue. (**)

Et que nous propose-t-on comme connaissances indispensables aux citoyens, qu'il faudrait défendre contre vents et marées ? Le latin et le grec, et la Princesse de Clèves. Nous marchons sur la tête.

(*) Je sors d'un exposé d'un ingénieur d'Airbus et je peux attester que, côté profondeur de réflexion et pensée à quinze ans en avance, cela va bien au delà des réflexions sur la technologie que l'on trouve sous la plume de nombreuses personnes qui prétendent « penser ».

(**) Ce genre de choses est connu depuis Carnot, c'est de la science du 19e. Inutile de dire que si on ne maîtrise pas ce niveau, il est assez vain de vouloir parler relativité ou mécanique quantique.

(***) Une application rapide du premier principe et d'autres lois aussi élémentaires, comme la conservation de la matière, permet de se rendre compte que certaines propositions « vertes » véhiculées par les médias sont absurdes, ou du moins mettent en jeu des mécanismes annexes non anodins et non explicités. Ainsi, les automobiles à hydrogène seront effectivement « vertes », ne produisant que de la vapeur d'eau... à condition de pouvoir industriellement fabriquer de l'hydrogène de façon « verte », ce qui n'est pas gagné. De même, le captage du CO2 atmosphérique par les forêts ne réalise une fixation durable du carbone que si la végétation est ensuite stockée ou enfouie sans possibilité de pourrissement aérobie... parce que les bactéries qui vont dégrader le bois vont respirer et rejeter le carbone dans l'atmosphère.

PS On me fait remarquer que la sortie des turbines est à 100⁰C pour des raisons d'ébullition de l'eau sous pression atmosphérique, ce qui permet de donner une borne plus fine : avec la source froide à 100⁰C, on a 34% d'efficacité au maximum, ce qui est vraiment proche du rendement annoncé...