Des moulins à vent aux éoliennes, des premières utilisations
du feu aux cheminées solaires, l’exposition présentait
des trajectoires de l’architecture énergétique, élément
par élément, recensait leur implantation actuelle et imagina
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 proposait 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
présentait une exploration de lendemains emprunts de sobriété,
affranchis des énergies fossiles et libérés des matières
non renouvelables.
Généalogie
des formes de l’énergie |
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énergies
: solaires
L’énergie
solaire est un rayonnement électromagnétique
composé de lumière visible, d’infrarouges
et d’ultraviolets. La température du rayonnement
est d’environ 6000 °C et l’énergie
solaire se prête donc à une grande variété
d’usages énergétiques, au-delà
de ses apports naturels en lumière et en chaleur. En
concentrant la lumière du soleil, il est possible d’atteindre
des températures de quelques milliers de degrés,
puis de convertir ce flux en énergie mécanique,
par exemple. L’énergie solaire est disponible
partout, et aucune région du monde n’en est dépourvue.
C’est une vertu importante de cette énergie vis-à-vis
des énergies de stock, qui, elles, sont extrêmement
localisées. À l’échelle mondiale,
l’écart du gisement n’est que d’un
facteur trois d’un endroit à l’autre et
la densité de puissance moyenne du rayonnement solaire
est de 169 watts par mètre carré. Avec un rendement
théorique parfait (soit de 100 %), une douzaine de
mètres carrés par personne seraient suffisants
pour couvrir les besoins d’un humain. En France, l’énergie
solaire reçue par le département du Val-d’Oise
équivaut ainsi à la totalité de la consommation
nationale. Aussi, les énergies solaires recouvrent
une grande variété de formes, qui permettent
de transmettre lumière et chaleur ; de concentrer le
feu solaire pour chauffer les aliments ; de produire
de la vapeur, ou de faire fondre des matériaux ; ou
encore de convertir le flux électromagnétique
en électricité.
fenêtres,
serres et capteurs thermiques
Le
solaire thermique est la plus ancienne des énergies
solaires, et il est étroitement lié au verre,
dont les premières traces de fabrication remontent
à plus de 4000 ans en Mésopotamie. Dès
le Ier siècle, son emploi dans la construction permet
de bénéficier des apports thermiques et lumineux.
Avec les serres et pour l’horticulture, l’architecture
devient un capteur solaire : le Crystal Palace construit par
le jardinier Joseph Paxton pour l’Exposition universelle
de Londres en 1851 en est une exemple célèbre.
L’invention du vitrage isolant - avec le verre Thermopane
breveté par l’ingénieur américain
Charles D. Haven 1934 -, offre de diviser par deux les déperditions
thermiques par rapport à un simple vitrage. En 1948,
la scientifique Maria Telkes met au point une maison autosuffisante
aux trois quarts de ses besoins, dans le cadre du programme
de recherche sur l’énergie solaire du Massachusetts
Institute of Technology, qui aboutira à la construction
de cinq autres Solar Houses entre 1938 et 1978. Utilisé
à bon escient, le vitrage isolant fait pénétrer
plus d’énergie qu’il n’en perd. Les
formes du solaire thermique tirent parfois parti du tirage
thermique - l’air chaud monte -, notamment avec l’invention
du mur Trombe-Michel, récemment adapté par l’agence
d’Armand Nouvet, pour un immeuble de logements dans
Paris (2011-2013). Dans une variante contemporaine, l’agence
Harquitectes a intégré des cheminées
solaires dans un centre civique, à Barcelone, afin
de renforcer la ventilation naturelle (2015) : des extensions
verticales de l’architecture sans combustion. Ces formes
solaires se déclinent aussi pour la production d’eau
chaude - comme les capteurs solaires installés sur
la Maison Blanche, à Washington, par le président
Jimmy Carter -, ou pour les réseaux de chaleur. Le
changement climatique induit une contrainte accrue sur la
colorimétrie de la transparence, sur les risques qu’elle
peut faire encourir aux constructions, en amplifiant les inconforts
en situation caniculaire. Les vitrages zénithaux, en
toiture, non protégés, sont de potentiels générateurs
de surchauffe.
solaire
thermodynamique ou à concentration
Sans
concentration optique, il est difficile d’atteindre
des températures supérieures à 100 °C.
Pour dépasser ce seuil, il est nécessaire de
concentrer les rayons solaires grâce à des loupes
ou des miroirs ; tels ceux mis en place par le physicien grec
Archimède, destinés à mettre feu aux
gréements romains au large de Syracuse (en 212 avant
J.-C.). Au cours des années 1860, Augustin Mouchot
parvient à fabriquer des miroirs de grand diamètre
; pour l’exposition universelle de 1878, l’inventeur
français présente une imprimerie solaire capable
de publier cinq cents tirages par heure. Le solaire thermodynamique
exploite la quintessence du flux solaire : en concentrant
les rayons pour activer un cycle thermodynamique, il devient
possible de produire de l’électricité
comme dans la centrale d’Odeillo (Pyrénées-Orientales)
ou de faire fondre des métaux, tel le Solar Metal Smelter,
cette machine créée par Jelle Seegers, dont
la loupe permet d’atteindre plus de 1000 °C au foyer.
Les tours solaires - ou les montagnes solaires -, sont d’autres
formes qui tirent parti de la convection naturelle sur une
très grande hauteur (au moins 200 mètres), peuvent
aussi générer de l’électricité.
Le solaire à concentration réclame idéalement
des climats à fort rayonnement direct. Le solaire thermodynamique
comprend une importante variété de formes :
les centrales à tour - dont l’utopie de leur
intégration urbaine a été dessinée
par les architectes Georges et Jeanne-Marie Alexandroff -,
les centrales avec un miroir secondaire, les centrales à
faisceau descendant, les centrales cylindro-paraboliques...
Pour des usages domestiques, le barbecue solaire permet une
cuisson sans combustion.
systèmes
photovoltaïques
Le
photovoltaïque est une forme récente de l’énergie
solaire, produisant un courant électrique continu à
partir du rayonnement du soleil. Il diffère de la grande
majorité des autres formes solaires qui exploitent
d’abord la chaleur. L’effet photovoltaïque
a été découvert par le physicien français
Alexandre-Edmond Becquerel (1839), et les premières
expérimentations ont lieu aux États-Unis, comme
sur les toits de New York, à la fin du XIXe siècle.
Aujourd’hui, la technologie basée sur le silicium
est la plus répandue, avec un rendement de l’ordre
de 20 %. À Paris, correctement exposé, un panneau
d’un mètre carré produira entre 150 et
200 kWh d’électricité par an, soit un
flux moyen d’environ 20 W/m².
Les formes d’intégration du photovoltaïque
sont très variées, pour ce qui est des situations
d’implantation comme des échelles : fermes photovoltaïques
de toute taille, agrivoltaïsme - par exemple avec des
poutres de câbles portant un système photovoltaïque
orientable -, ou intégré à l’enveloppe
des bâtiments, comme les maisons en bande de l’écoquartier
Vauban à Fribourg-en-Brisgau, en Allemagne, ou sur
la toiture de la halle Pajol à Paris, dans le XVIIIe
arrondissement. L’apparition des panneaux photovoltaïques
bifaces suscite aussi l’émergence de formes inédites.
Pour le projet Forest, le bureau Baukunst a imaginé
un écran solaire inséré verticalement
dans l’entremêlement des voies et des caténaires
: un écran producteur dans un océan
de consommation électrique.
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Four
solaire, Henri Vicariot, architecte, et Félix Trombe, ingénieur,
Odeillo (Pyrénées-Orientales), 1969. Photographie
Thomas Bellanger, 2021 © Thomas Bellanger
Solar House IV, 1959 : Solar Energy Research, projet
de recherche du Massachusetts Institute of Technology sur la faisabilité
technique et économique de l’utilisation exclusive
de l’énergie solaire pour produire de la chaleur,
mené pendant plusieurs décennies. ©
Courtesy MIT Museum
Forest, NMBS Power Station (Belgique), Baukunst,
architectes, 2019.
© Baukunst / Artefactorylab – Olivier
Campagne, Maxime Delvaux |
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énergies
fossiles
Les
énergies fossiles sont des vestiges d’énergies
du vivant, des restes de plantes ou d’animaux, transformés
pendant des millions d’années dans les sols, sous
des conditions particulières de température et
de pression. Charbon, gaz et pétrole dérivent
donc de l’énergie solaire. Depuis plus de deux
siècles, les énergies fossiles sont partout :
dans les processus d’extraction et de transformation de
la matière - pompage d’eau dans les mines, coke
des hauts fourneaux, cimenteries, plasturgie… - ; indissociables
des constructions - poêles, chaudières et cuisinières
à gaz, réseaux de chaleur aux fossiles, engins
de chantier… - ; inséparables de l’agriculture
industrielle - carburants des machines agricoles, pétrochimie
des engrais… - ; ou encore, devenues indispensable aux
transports : machines à vapeur, moteurs des deux-roues,
voitures, camions, bateaux, réacteurs d’avion…
Aujourd’hui, les énergies fossiles couvrent plus
de 80 % de la consommation mondiale d’énergie.
Elles représentent un flux de 15 térawatts extrait
du sol, parfois à grandes profondeurs, jusqu’à
3000 mètres pour certains puits de pétrole. En
pompant frénétiquement ces trésors souterrains,
élixirs de biomasse, nous avons dilapidé
en quelques centaines d’années un capital énergétique
constitué pendant des millions d’années.
Chaque année, l’usage des énergies fossiles
libère plus de 40 milliards de tonnes de CO2 dans l’atmosphère
; or, le dioxyde de carbone est l’un des principaux responsables
du dérèglement climatique...
Carte
figurative et approximative du mouvement des combustibles minéraux
sur les voies
d’eau et de fer de l’Empire français pendant
l’année 1856, Charles-Joseph Minard ingénieur,
Paris, Regnier et Dourdet, 1857 © BnF
charbon
Le
charbon est d’abord une roche sédimentaire formée
à partir de la dégradation des végétaux,
un processus nécessitant au moins 300 millions d’années.
L’essor du charbon - comme la tourbe et le lignite -,
commence au XIXe siècle et offre alors un substitut à
la pénurie de bois.
Depuis l’invention de Thomas Newcomen - première
machine à vapeur industrielle, 1712 -, on sait transformer
le mouvement linéaire du piston de la machine à
vapeur en balancier. Dorénavant, on pompe l’eau
hors des mines grâce au combustible extrait ; on peut
actionner des roues pour l’industrie et pour le transport.
Après quelques décennies, une révolution
est en marche, un accroissement des usages énergétiques,
notamment pour le transport : développement des chemins
de fer et des embarcations à vapeur. Au cours du XIXe
siècle, la part du charbon dans la production mondiale
passe de 3% à plus de 50 %, et permet une expansion importante
de la production industrielle dans plusieurs pays.
Le charbon dessine une nouvelle géographie - comme sur
la carte de l’ingénieur civil Charles-Joseph Minard
-, et de nouveaux paysages : en amont, extractions à
ciel ouvert de la tourbe, infrastructures des mines et terrils,
formant, à l’horizon, des reliefs inhabituels ;
en production, hauts fourneaux, architectures industrielles,
nouvelle alliance énergie-matière, charbon-acier.
Dans les villes, de hautes cheminées s’invitent
dans la skyline, et les quais de la Seine participent au transport
du charbon, comme à celui du bois durant les siècles
précédents ; enfin le poêle Franklin - ou
la Salamandre - redessine la canopée des toits avec leurs
cheminées. Aujourd’hui, l’usage du charbon
est le premier émetteur de CO2. Il reste la deuxième
énergie consommée (27%) dans le monde après
le pétrole.
gaz
Le
gaz fossile - appelé gaz naturel - est principalement
composé de méthane. Son essor est lié à
la révolution industrielle, notamment à l’urbanisation
dans quelques pays, à la demande en éclairage
public, et en énergie pour les industries. Les premières
usines à gaz naissent en Angleterre à partir des
années 1810. En chauffant du charbon, elles produisent
du gaz de houille - ou gaz d’éclairage -, qui est
stocké dans des réservoirs. Des conduites souterraines
l’acheminent vers les lampadaires des rues et vers les
bâtiments, il est ensuite brûlé pour apporter
la lumière.
À mesure que les villes se développent, les besoins
en gaz augmentent, tout comme la nécessité de
le stocker. Les gazomètres font alors leur apparition
: ces grands réservoirs cylindriques ou sphériques
permettent de réguler la production et la distribution
du gaz en fonction de la demande. Leurs structures deviennent
emblématiques des paysages urbains industrialisés.
Gazomètres,
usine à gaz de la Villette, Compagnie parisienne d’éclairage
et de chauffage
par le gaz, (Paris). Photographie d’Albert
Fernique, 1878-1879 © École
nationale des Ponts et chaussées
Vers la fin du XIXe siècle, la consommation du gaz s’étend
à d’autres domaines que l’éclairage.
Les chaudières à gaz, présentes dans les
usines, les bâtiments commerciaux et certains logements
aisés, se multiplient peu à peu. Moins contraignantes
que les poêles à charbon ou à bois, elles
déchargent les habitants de la logistique pour alimenter
le foyer. L’essor de l’électricité
au début du XXe siècle conduira à un déclin
progressif de l’utilisation du gaz d’éclairage.
Aujourd’hui, le gaz représente plus d’un
cinquième de la consommation énergétique
mondiale ; en 2022, il a fourni près de 20 % de l’électricité
mondiale.
pétrole
Pour
les historiens de l’énergie, l’usage globalisé
du pétrole signe le départ de ce qu’on appelle
la grande accélération. Depuis les premiers
derricks en bois du colonel Drake dans l’Est américain
et ceux de Bakou en Azerbaïdjan, dans la seconde moitié
du XIXe siècle, le pétrole, considéré
au début comme un substitut à l’huile de
baleine pour l’éclairage, voit son essor lié
au succès de la Ford T, puis au développement
de l’automobile.
Aussi, et par comparaison au charbon, son extraction est plus
facile et réclame moins d’efforts. Très
dense énergétiquement - près de 12 kilowattheures
par kilogramme -, sa fluidité facilite sa distribution
et son stockage. Utilisé comme carburant d’un moteur
thermique, un seul litre de pétrole peut dégager
autant d’énergie mécanique que trois personnes
pendant une journée de travail acharné. Avec le
pétrole, les paysages mutent à grande vitesse,
au début du XXe siècle, une partie de l’Ouest
américain devient ainsi méconnaissable, comme
la côte de Los Angeles. Carburants des moteurs, le pétrole
voit aussi son usage se diversifier comme composants de matériaux
- plasturgie - et recouvre sols et routes : bitume.
Ingrédient central de la modernité depuis les
années 1950, omniprésent, le pétrole reste
la première énergie consommée : en moyenne,
l’équivalent de près de 800 watts par humain,
avec de grandes disparités selon les pays et les niveaux
de richesse. Malgré la conscience de la crise climatique,
la demande de pétrole a pourtant franchi un triste seuil,
celui des 100 millions de barils produits par jour en 2019.
Sa consommation n’a donc toujours pas entamé sa
nécessaire et urgente décroissance, alors que
le dérèglement climatique se révèle
plus précoce encore.
Puits
de pétrole, Venice Beach, Los Angeles (Californie, États-Unis),
1952
© Library of Congress
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énergies
géothermiques
L’énergie
géothermique, comme l’énergie marémotrice
- de la marée -, constitue une famille énergétique
particulière : ce sont toutes deux des formes renouvelables
non issues du soleil. La géothermie correspond au flux
de chaleur de l’activité nucléaire du noyau
terrestre. Sa densité de puissance moyenne est bien plus
faible que l’énergie solaire : de l’ordre de
0,006 watt par mètre carré (W/m²)
à comparer aux 169 W/m²
du solaire, et sa distribution est hétérogène
à la surface du globe.
Il y a deux mille ans, les Romains et les civilisations du Japon
utilisaient déjà l’eau tiède des sources
géothermales pour se laver et pour cuisiner. Souterraine,
l’énergie du sol est discrète, sa présence
se manifestant généralement dans les racines
de l’édifice. La géothermie de faible
profondeur bénéfice des apports solaires des couches
superficielles du sol. De ce point de vue, un puits canadien -
ou un puit provençal - peut être considéré
comme une forme hybride, un mariage entre l’énergie
géothermique et solaire. Il en est de même pour les
échangeurs enterrés qui, associés à
une pompe à chaleur, offrent des systèmes de production
thermique efficaces pour chauffer une construction.
Localement, la géothermie peut jouer un rôle important
dans l’approvisionnement d’un territoire : ainsi,
quelques centrales électriques exploitent les sources chaudes
de grande profondeur en Islande ou en Martinique. Pour la production
de chaleur également, telle la nappe aquifère du
Dogger, qui, avec une température comprise entre 55 et
80 °C à 1500 mètres de profondeur, irrigue les
réseaux de chauffage par géothermie en Île-de-France.
Centrale
thermique de Geyserville (Californie, États-Unis), 1982
© U.S. Departement of Defense Imagery |
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Centrale nucléaire EDF, Avoine (Indre-et-Loire), Pierre Dufau,
architecte, 1963
Photographie 1982 © Roger-Viollet |
énergies
nucléaires
Les
énergies nucléaires comprennent deux sous-familles
: la fusion et la fission. La fusion des noyaux légers
est la source de la puissance du soleil. L’exploitation
civile de l’énergie de fusion fait l’objet
de recherches destinées à obtenir la fusion dite
contrôlée – pour le moment, l’homme
n’a su créer, à partir de cette énergie,
qu’une arme de destruction, la bombe H. Le projet
de réacteur à fusion nucléaire ITER, mené
en France, dans le centre de recherche de Cadarache (Bouches-du-Rhône),
constitue la plus importante expérimentation scientifique
internationale. D’autres initiatives sont à l’œuvre,
mais la promesse d’un déploiement à grande
échelle ne pourrait, au mieux, se concrétiser qu’au
cours de la seconde moitié du XXIe siècle.
La fission est répandue pour les usages électriques.
Elle consiste à séparer des atomes lourds : uranium
enrichi, marginalement plutonium ou thorium. Le défaut
de masse de la séparation crée une chaleur intense,
qui est utilisée pour obtenir de la vapeur ; cette vapeur
fait tourner un générateur produisant à son
tour de l’électricité. Les centrales nucléaires
nécessitent des systèmes de refroidissement pour
évacuer la chaleur émise. Les tours de refroidissement,
parfois hautes de 150 mètres, sont la principale signature
paysagère du nucléaire. En France, pour penser
l’intégration de ces formes, quelques centrales nucléaires
ont fait l’objet de recherches, comme lors du plan gouvernemental,
dit plan Messmer, de 1974, ayant pour but une accélération
du programme électronucléaire français ;
dans ce cadre, on peut citer les travaux de l’architecte
Claude Parent (1923-2016) autour des surfaces hyperboloïdes
des tours réfrigérantes.
Aujourd’hui, plusieurs initiatives cherchent à déployer
des réacteurs de plus faible puissance, plus facilement
industrialisables : small modular reactor ou SMR. Actuellement,
443 réacteurs nucléaires sont en activité
dans le monde. Les États-Unis en comptent 93, la France
56, la Chine 53 et la Russie 37. Avec environ 10 % de la production
mondiale, le nucléaire est la troisième source d’électricité. |
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.......Exposition
énergies
légères
.................usages,
architectures, paysages
..............
.................Créée
par le Pavillon de l’Arsenal, association Loi de
1901
.................Sous
la direction de Raphaël Ménard, architecte,
ingénieur, docteur en architecture
.................avec
Jean Souviron, architecte, ingénieur, docteur en
art de bâtir et urbanisme
.................
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...
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Voir
l’énergie autrement, dessiner l’invisible,
mesurer l’impondérable. Partager, transmettre,
outiller, se donner les moyens
de réparer ce monde. Le rendre plus léger
et libéré des énergies fossiles
: plus qu’un projet, un défi,
presque aussi fou que Don Quichotte face aux moulins
à vent.
Pavillon
de l’Arsenal - Centre d’urbanisme et d’architecture
de Paris
21, boulevard Morland, Paris (IVe) - jusqu'au
17 mars 2024
Président
: Patrick
Bloche ; Commissariat général
: Marion Waller
Directrice générale : Marianne
Carrega, architecte, Adjointe à la Directrice
générale, Directrice des éditions
Expositions : Jean-Sébastien Lebreton,
architecte, Directeur des expositions ; Sophie Civita,
designer, chargée de production ;
Mathilde Charles, architecte, chargée de production
; Pablo Fillit, architecte, chargé de production
avec Manon Marchand
Documentation : Léa Baudat, responsable
de la documentation, Valentine Schmitt, chargée
de documentation
pavillon-arsenal.com
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