Exposition
énergies
légères
usages, architectures, paysages
(2)
Généalogie
des formes de l’énergie
:
énergies
du vivant ; hydrauliques ; éoliennes
Des moulins à vent aux éoliennes, des premières utilisations
du feu aux cheminées solaires, l’exposition présente
des trajectoires de l’architecture énergétique, élément
par élément, recense leur implantation actuelle et imagine
leur avenir. Partant de l’imaginaire commun
- les toits de Paris peints par Albert Marquet ou Camille Pissarro, les
bords de Seine par Alfred Sisley, des plaines et forêts par Camille
Corot, des intérieurs par Johannes Vermeer ou Pieter de Hooch -,
l’exposition propose des paysages - légèrement - modifiés
de notre quotidien ;
six lieux et points de vue ordinaires où s’esquissent des
lendemains post-carbone. Avec ces représentations inédites,
avec
des maquettes et prototypes, Énergies légères
présente une exploration de lendemains emprunts de sobriété,
affranchis des énergies fossiles et libérés des matières
non renouvelables.
| Généalogie des formes de l’énergie | ||||||||||||||||||||
| Quelques architectures de l’énergie emblématiques, élaborées au fil du temps, à Paris, en France et dans le monde, sont rassemblées ici. Les objets, maquettes, peintures, dessins, photographies de ce panorama - non exhaustif - sont organisés selon les sept familles d’énergie auxquelles ces architectures appartiennent : cinq familles de flux - énergies du vivant, hydrauliques, éoliennes, solaires et géothermiques - ; deux familles de stock : énergies fossiles et nucléaires. Concevoir une fenêtre pour capter la chaleur du soleil en hiver ; s’insérer dans le mouvement d’une rivière et extraire une fraction de son énergie cinétique ; concentrer les rayons du soleil pour produire de la vapeur… voilà quelques programmes qui conditionnent géométries et matériaux, formes et usages, paysages et climats. frise de l’énergie Parcourir cette chronologie offre une leçon de choses qui permet de mieux comprendre la dualité énergie-matière des formes de l’énergie. Elle permet aussi de redécouvrir des architectures et des paysages d’un monde renouvelable, avant l’essor des énergies fossiles. Elle rappelle l’addition des nouveaux usages énergétiques, liés à l’ère thermo-industrielle, engendrant une multiplication par cinq de la consommation moyenne par habitant. Elle révèle que notre société s’est construite sur un principe d’accumulation, et qu’architectures et paysages contemporains résultent de la somme de nos usages énergétiques et de leurs impacts environnementaux. énergies du vivant L’énergie est au fondement de toutes les formes de vie. Des microorganismes aux humains, en passant par l’incroyable diversité de la flore, le vivant - qui est apparu sur Terre il y a environ 3,8 milliards d’années - se déploie sous d’innombrables apparences et témoigne d’une grande capacité d’adaptation à une multitude de milieux, exploitant, de différentes manières, l’énergie disponible. La photosynthèse joue un rôle fondamental dans l’équilibre des écosystèmes. Elle convertit l’énergie solaire qu’elle emmagasine sous forme de matières organiques dans les organismes cellulaires, générant les composés carbonés constituant la source de la vie sur Terre. L’énergie photosynthétique est à la base de toute la chaîne alimentaire, et à l’origine de bon nombre d’activités humaines telles que la cueillette, la chasse, la pêche, l’agriculture, la cuisson, le chauffage et la construction, qui reposent donc, indirectement, sur l’énergie solaire. Le vivant possède une capacité unique à s’autoengendrer et à stocker du carbone, mais il est vulnérable, exposé au changement climatique, à la pollution due aux activités humaines, et à l’exploitation excessive des ressources naturelles. Face à la dégradation des écosystèmes et à la perte de biodiversité, il est urgent de mieux comprendre la relation complexe et fragile entre le vivant et l’énergie, et d’apprendre à habiter avec plus de légèreté les écosystèmes dont nous dépendons. La
Construction de Versailles, huile sur toile d’Adam Frans
Van der Meulen, vers 1680 forces humaines et animales Les énergies du vivant sont aussi celles délivrées par les muscles. Grâce à la biomasse ingérée, les animaux libèrent de l’énergie mécanique par contraction musculaire. Cela permet de transporter la matière, de hisser les matériaux, de labourer les sols et faucher les récoltes, ou encore de se déplacer. À la fin du XIXe siècle, Paris comptait 80 000 chevaux. La puissance musculaire développée par l’homme est de l’ordre de quelques dizaines de watts. Sur une journée, l’énergie atteindra un kilowattheure pendant dix heures d’un travail épuisant. Aussi, assez tôt, les humains ont domestiqué les grands mammifères - bœufs, buffles, chevaux, mules, chameaux, chiens… - à des fins énergétiques. L’édification des châteaux - comme celle du Château de Versailles -, palais, cathédrales, et une multitude d’autres réalisations, ont abouti grâce à l’aide de l’animal. Entre l’an mil et le début du XIXe siècle, la population mondiale a triplé, et cette croissance est l’une des conséquences de l’amélioration des techniques agricoles. Dès le Moyen Âge, la charrue lourde, le collier d’épaules et la stabulation participent à une révolution agricole. L’évolution des outils, tels les jougs, ces pièces d’attelage, augmente l’efficacité de la traction animale et facilite ainsi le rendement des récoltes. Aujourd’hui, une nouvelle symbiose avec les énergies animales reste à redécouvrir et à réinventer. Par ailleurs, les mobilités décarbonées de demain sont aussi musculaires : la marche, le vélo.... champs, forêts et culture La biomasse constitue une source essentielle d’énergies et de matières pour les humains. Depuis le Néolithique, grâce au travail humain (et souvent animal), savoirs et techniques ont permis d’augmenter le rendement des champs, forêts et cultures, en partageant les connaissances relatives à l’irrigation, aux climats, aux sols, à la botanique... Ces derniers sont répartis sur Terre selon les types de sols et les climats locaux, comme le représente le naturaliste allemand Alexander von Humboldt, en 1805, dans son Essai sur la géographie des plantes. La Moisson, ce tableau peint par Pieter Brueghel l’Ancien en 1565, évoque cette relation indissociable entre l’agriculture et les sociétés humaines, rythmée par les saisons de récolte, que ce soit pour le blé, les céréales ou encore le bois. Cet « aménagement » de la photosynthèse a suscité des constructions spécifiques, des cabanes à foin dans les champs jusqu’aux silos à grains ; ainsi le silo imaginé par l’architecte et ingénieur Frei Otto (1925-2015) dans les années 1950. L’histoire de l’architecture entretient des liens étroits avec les usages agricoles. Répartition
des plantes dans l’Amérique équinoxiale,
selon l’altitude au-dessus Toutefois, le rendement de la photosynthèse est faible : un mètre carré d’un champ ou d’une forêt crée en général entre 0,1 et 0,5 watt par mètre carré. Aujourd’hui, plus de 70 % des terres agricoles sont utilisées pour la production de viande. Pourtant, l’alimentation carnée est peu efficace énergétiquement : pour une calorie de viande, l’animal en ingère en amont sept fois plus. Le changement climatique et l’érosion de la biodiversité questionnent l’exploitation intensive de la photosynthèse. La pluralité des usages - nourriture, combustibles, agrocarburants, matériaux biosourcés… -, génère des tensions spatiales et appelle à une nécessaire frugalité : régime alimentaire moins carné, production mesurée d’agrocarburants, sylviculture soutenable... Intérieur
avec une mère près d’un berceau, feu, cheminées et poêles à biomasse Le
vivant est une source de chaleur. L’énergie chimique
des chaînes carbonées issues de la photosynthèse
est libérée lors de la combustion. Après
la découverte du feu, il y a environ 400 000 ans, la
biomasse est utilisée pour éloigner les prédateurs,
chauffer, cuire - ou fumer - les aliments, éclairer
- torche, lampe à huile -, transformer les matériaux…
Avant les énergies fossiles, la biomasse a été
le combustible de l’essor de l’humanité.
Dans un foyer ouvert, le feu atteint des températures
de 200 à 300 °C. L’évacuation des
fumées a conditionné des formes, comme les tipis.
L’apparition de la cheminée au Moyen Âge
a amélioré à la fois températures
et rendements. Au début du XIVe siècle, à
Londres, chaque habitant consommait annuellement l’équivalent
de 1500 kg de bois. Pour assurer durablement ce besoin, il
fallait près d’un demi-hectare de forêt
par habitant. Au XVIe siècle, le bois commence à
manquer, du fait de la construction navale et de la production
de charbon de bois. Avec ce dernier, fours et cheminées
atteignent des températures plus élevées,
accélèrent le développement de la métallurgie
et, plus tard, l’apparition de la machine à vapeur,
grâce aux recherches de James Watt au XVIIIe siècle.
Aujourd’hui, la biomasse est exploitée pour la
cuisson dans beaucoup de pays, et les sous-produits du bois
sont aussi utilisés dans les réseaux de chaleur
urbains. Les crises géopolitiques, la tension sur l’énergie,
notamment les incertitudes sur l’approvisionnement en
gaz, ont redynamisé l’installation d’inserts
dans l’habitat individuel. |
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énergies hydrauliques Les énergies hydrauliques sont en très grande majorité dérivées du solei, et plus marginalement de l’interaction gravitationnelle avec la Lune, en ce qui concerne l’énergie de la marée. La source chaude émanant du soleil est à l’origine des mouvements dans les mers et dans les océans. L’astre anime le cycle de l’eau, et, ainsi, le courant des rivières et des fleuves. Alors que les océans et les mers couvrent 71% de la surface du globe, sur les continents, les espaces côtiers, les lacs, fleuves et rivières sont structurants pour les activités humaines, et souvent essentiels à de très nombreux territoires. Les formes de l’énergie associées à l’eau ont d’abord été celles des embarcations, mues par les énergies humaines - rames - et animales - halage -, par celles du vent - voile -, ou par les courants d’eau descendants. Après l’invention de la roue, vers -4000 avant notre ère, l’énergie des rivières et des fleuves est exploitée grâce aux moulins, qui comptent parmi les architectures de l’énergie convertissant la puissance des flux hydrauliques. Aujourd’hui, cette famille d’énergies constitue la première production électrique renouvelable à l’échelle mondiale, notamment par l’exploitation des grands barrages. centrale marémotrice et énergie marine L’énergie marémotrice n’est pas d’origine solaire ; elle est liée aux forces de gravité s’exerçant entre la Terre, la Lune et le Soleil. Cette interaction déforme de façon périodique les volumes océaniques. Le gisement de puissance des marées est évalué à 3,5 térawatts, ce qui reste marginal comparé au gisement solaire : elle en représente le cinquante-millième. L’énergie marémotrice a connu quelques développements en France, comme les moulins à marée en Bretagne - à Rothéneuf en 1867 par exemple -, ou l’usine marémotrice de la Rance, en activité depuis 1966, avec une capacité électrique installée de 240 mégawatts. Les énergies marines - courants marins, houles, gradients de température… -, sont en revanche issues de l’énergie solaire. Le gisement est colossal : 67,5 térawatts - ou 67500 milliards de watts -, presque le quadruple de la consommation énergétique mondiale. Ces formes restent balbutiantes et les quelques prototypes d’hydroliennes, systèmes houlomoteurs…, n’ont, à ce jour, pas franchi le cap du déploiement à grande échelle. Pourtant la France dispose du second territoire maritime mondial. L’énergie de l’eau est aussi utilisée comme gisement thermique - thalassothermie - pour des réseaux de froid et/ou de chaud, comme à Marseille avec le réseau Massileo inauguré en 2017. moulins au fil de l’eau Après l’invention de la roue, vers -4000 avant notre ère, le courant des rivières et des fleuves a donné naissance à une grande variété d’architectures de l’énergie. Largement disséminés, les moulins à eau ont été utilisés pour la meunerie, la scierie, les presses hydrauliques, le pompage de l’eau… En France, ces formes étaient très répandues jusqu’au XIXe siècle. À Paris, pour l’adduction en eau, la pompe de la Samaritaine fut construite entre 1684 et 1700, en reprenant des principes techniques de la machine de Marly. Cette dernière, érigée en 1681, fut fonctionnelle jusqu’en 1817. Située en aval sur la Seine, lourde de 100 000 tonnes de bois et de 17 000 tonnes de fer, elle délivrait l’équivalent de 500 kilowatts de puissance mécanique, soit sans doute l’un des pires rapports poids-puissance de l’histoire ! Pourtant, dans le lit d’une rivière, la densité de puissance est très vite élevée : 100 watts par mètre carré (W/m²) pour un courant à 2 km/h ; elle augmente à plus de 1000 W/m² pour une rivière plus rapide (à 5 km/h). Pour convertir ce flux, les formes et les mécanismes doivent résister à la forte pression de l’eau. Aujourd’hui, le petit hydraulique - dit au fil de l’eau -, reste une énergie intéressante, dotée d’une production plutôt régulière et généralement prévisible, mais devant intégrer les évolutions des régimes d’eau liées au changement climatique. grand hydraulique et barrages Le grand hydraulique correspond aux plus grandes capacités électriques installées au monde, avec un cumul de 1,35 térawatt (1350 milliards de watts). Les barrages sont des formes en prise avec la grande topographie. Avec leur retenue d’eau, ils transforment durablement les paysages, de l’amont à l’aval des cours d’eau qu’ils interceptent, et interfèrent sur les écosystèmes et les activités humaines. La conversion de l’énergie du cycle de l’eau réclame beaucoup de surface pour capter les précipitations et une grande hauteur de chute. Il faut donc un bassin versant gigantesque pour parvenir à une puissance importante. Quant à la matière, la retenue d’eau doit résister à une pression croissante avec la hauteur du volume retenu. À un mètre de profondeur, la pression qui s’exerce sur une paroi est d’une tonne par mètre carré. Les barrages sont bâtis selon une grande variété de géométries, réclamant souvent des quantités importantes de béton armé et de déblais : barrages gravitaires - comme à Grand’Maison dans l’Isère, 1988 -, ou barrages poids-voûte, tel le barrage Hoover dans le Colorado, aux États-Unis, 1936. En France, l’hydraulique représente la seconde source d’électricité derrière le nucléaire, couvrant entre 10 et 12 % de la production électrique nationale. Quelques ouvrages participent aussi au stockage d’énergie, par le biais du pompage-turbinage, et apparaissent intéressants pour le pilotage de l’adéquation entre l’offre et la demande d’électricité. En France, les barrages se concentrent dans les régions Rhône-Alpes, Provence-Alpes-Côte d’Azur, Midi-Pyrénées et Alsace. Toutefois, le dérèglement climatique peut avoir un impact sur leur production. énergies éoliennes Les énergies éoliennes sont issues de l’énergie du soleil, source chaude à l’origine des mouvements météorologiques, dont les déplacements d’air dans l’atmosphère. Le vent matérialise cette énergie cinétique et ses différentes formes. La domestication du vent débute vers -3300 avant notre ère, sur les rives du Nil, où les voiles installées sur des bateaux égyptiens sont probablement les premières formes qui apparaissent. Les ancêtres des éoliennes tirent les enseignements de la voile, et de la façon de faire travailler la pression du vent. Depuis plus de cinq mille ans, ces formes ont largement évolué, et ont totalement changé d’échelle : certaines éoliennes maritimes dépassent aujourd’hui 10 mégawatts de capacité ! À l’échelle mondiale, le gisement éolien est évalué à 72 térawatts (72 000 milliards de watts), soit près de quatre fois la consommation énergétique actuelle. La densité de puissance d’un flux d’air - comme celle d’un flux d’eau ; l’air est cependant 800 fois plus léger -, croît avec le cube de sa vitesse : c’est-à-dire qu’elle est, par exemple, multipliée par huit lorsque la vitesse du vent passe de 10 à 20 km/h. La disponibilité de l’énergie éolienne est contrastée selon les géographies : certaines zones du monde n’ont presque pas de vent, alors que d’autres sont très venteuses. La France possède le deuxième gisement éolien européen, après la Grande- Bretagne. Cette disponibilité de la ressource conditionne la visibilité de ces architectures du vent dans les paysages. éoliennes modernes La première éolienne utilisée pour produire de l’électricité date de 1888 ; Paul La Cour (1902-1956) est considéré comme le père des éoliennes modernes. Depuis un siècle et demi, des progrès ont été réalisés dans la conception, permettant d’accroître rendements, puissances et fiabilités. Aujourd’hui, les éoliennes terrestres ont une capacité d’environ 5 mégawatts (MW), et souvent plus de 10 MW pour les maritimes. Ces éoliennes sont dites rapides, car la vitesse en extrémité de pales peut atteindre trois à quatre fois celle du vent. Comme les moulins, elles s’orientent pour se placer frontalement par rapport au vent. Pour des turbines plus petites, telle celle conçue par l’agence de l’architecte Renzo Piano (2013), les rotors bipales présentent un intérêt paysager : en l’absence de vent, les pales s’alignent avec le mât et la forme devient verticale. À échelle plus modeste, les éoliennes Piggott promeuvent l’autoconstruction et recourent à des matériaux biosourcés. Les éoliennes Darrieus sont des variantes à axe vertical, qui exploitent l’effet de portance du vent. Profilées comme des ailes d’avion, leurs pales sont soumises à des forces centrifuges importantes. Ceci explique la forme en fuseau utilisée pour la plus grande Darrieus jamais construite, celle de Cap-Chat, au Québec (4 MW). En 2022, la capacité installée dans le monde a atteint 906 gigawatts. En France, l’éolien est la deuxième source de production d’électricité renouvelable après l’hydroélectricité. Près de 10 000 éoliennes terrestres sont réparties sur plus de 2000 sites et couvrent environ 8% de la consommation électrique. Selon les scénarios énergétiques envisagés, il faudrait à terme entre 14 000 à 35 000 mâts éoliens. moulins à vent et éoliennes à traînée La marine à voile et les techniques de toiles tendues ont inspiré la fabrication des premières machines. Les moulins à vent de Nashtifan, en Iran, présentent l’avantage de ne pas réclamer de système d’orientation en fonction de la direction du vent. La dissymétrie de la forme - ou de l’obstacle statique - convertit le vent en mouvement du rotor autour de son axe vertical. Ces éoliennes sont dites lentes, ou à traînée aérodynamique. Ces architectures sont rudimentaires, leur rendement médiocre, mais elles démarrent par vent faible. Ces équipements prendront plus tard le nom de l’inventeur Sigurd Johannes Savonius, qui les met au point dans les années 1920 ; une éolienne de ce type avait déjà été conçue en 1887, par l’Écossais James Blyth. Les moulins à vent représentés dans les dessins et peintures sont des éoliennes à axe horizontal. Ils apparaissent vers 800. Ces formes exploitent directement la puissance générée pour la meunerie, le pressage d’huile, le pompage de l’eau… Ces architectures s’orientent suivant la direction du vent et du fait aussi de connaissances limitées en aérodynamique, leur rendement ne dépasse guère 15 à 20 %. Ainsi, par un vent de 15 km/h, pour un moulin dont le rotor mesure 20 mètres de diamètre, la puissance mécanique est de l’ordre de 2 kilowatts. En 1850, il y avait en Europe plus de 50 000 moulins à vent, dont 9000 en France, parmi lesquels ceux implantés sur la butte Montmartre, à Paris. Les éoliennes multipales, hautes d’une dizaine de mètres, sont particulièrement reconnaissables. Elles orientent leur rotor avec un gouvernail et servent généralement au pompage de l’eau. Leur utilisation directe pour créer de la chaleur - par simple friction - peut aussi constituer une variante pour animer le compresseur d’une pompe à chaleur : une façon de produire du chaud - ou du froid - directement à partir du vent. Vue cavalière de Paris prise du dessus de Belleville, huile sur toile de Charles-Léopold van Grevenbroeck, 1741. © Paris-Musées/Musée Carnavalet – Histoire de Paris |
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L’usine
marémotrice de la Rance - La Richardais et Saint-Malo,
Ille-et-Vilaine -, Robert Gibrat
Vue
de la Machine de Marly, de l’aqueduc et du château
de Louveciennes,
Hugh
Piggott sur l’une de ses éoliennes autoconstruites,
Scoraig (Écosse), s.d. © Hugh Piggott
