Machines à vapeur

Attention ! Question piège :

Qui a inventé la machine à vapeur ?

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La réponse ?

Tous ont apporté leur pierre à l’édifice. La nature du développement technologique est ainsi – chaque inventeur se tient sur les épaules des géants qui l’ont précédé.

L’histoire du développement humain est étroitement liée au coût de l’énergie. Les humains chasseurs-cueilleurs de la préhistoire ont besoin d’une grande superficie de terrain pour survivre. Une population plus importante devient possible avec l’agriculture, puis en remplaçant l’énergie mécanique des hommes par celle des animaux de trait. Mais à la fin du moyen âge, l’Europe est confrontée à la catastrophe écologique de la déforestation. On commence alors à exploiter l’énergie thermique de la houille, mais les réserves disponibles près de la surface sont rapidement épuisées.

Thomas Newcomen combine les idées de Denis Papin et Thomas Savery pour inventer en 1712 la première machine à vapeur utilisée commercialement, pour extraire l’eau des mines et permettre une extraction en profondeur.

Newcomen_atmospheric_engine_animation

Avec cette machine thermique les humains sont enfin capables de transformer l’énergie thermique en énergie mécanique. C’est le début de la révolution industrielle.

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Le coût de l’énergie issue d’une machine thermique est composé :

  • du coût du capital de la machine
  • du coût du carburant pour la source de chaleur
  • des coûts de fonctionnement

La machine de Newcomen est capable de convertir en énergie mécanique seulement 1,3% de l’énergie dans le charbon qui l’alimente. Avec ce faible rendement, son coût du carburant est très important, mais il faut attendre 58 ans et l’invention de James Watt pour faire mieux.

Machine de Watt.jpg

La genie de Watt est de réaliser que la machine de Newcomen gâche presque trois quarts de l’énergie de la vapeur en chauffant le piston et la chambre. Avec une chambre de condensation séparée, le rendement est plus que doublé. Le coût de la machine étant similaire, l’énergie produite coûte bien moins cher.

Watt s’associe alors avec Matthew Boulton. Les revenus de leur entreprise « Boulton & Watt » sont avant tout générés par les économies en charbon réalisées par les propriétaries des machines.

Pensez-vous que James Watt a inventé la machine à vapeur ?

Rendement des machines à vapeur

Source : « Dynamics of Technological Change« , L.A. Girifalco, p.484

L’histoire de la révolution industrielle est une course pour atteindre des rendements toujours plus importants des machines thermiques. C’est vrai que Watt y a largement contribué, mais cette démocratisation du coût de l’énergie qui rend possible la vie moderne est le travail de multiples inventeurs et ingénieurs.

La machine de Newcomen, utilisée uniquement dans les mines, a rapidement été remplacée par celle de Watt. Avec un coût de l’énergie toujours en baisse grâce aux améliorations en continu chez Boulton & Watt, leur machine remplace également l’énergie éolienne des moulins à vent et l’énergie hydraulique des roues à aubes, devenant de plus en plus utile.

Il est étonnant dans le graphique ci-dessus de remarquer qu’il faut 200 ans pour passer d’un rendement de 1,3% au rendement de 20% de la première turbine de Charles Parsons. On ne peut jamais sous-estimer la difficulté que présente le changement technologique – souvent les technologies nécessaires à la fabrication d’une machine rentable progressent moins vite que les théories et les idées des inventeurs.

Aujourd’hui les turbines dans les centrales électriques à cycle combiné gaz permettent d’atteindre des rendements supérieurs à 61%, mais les temps modernes ont vu un autre progrès important dans les machines à vapeur, du côté de la source de chaleur.

EPR Flamanville

Une grande machine à vapeur actuellement en construction à Flamanville

Les combustibles nucléaires à base d’uranium et thorium ont une densité énergétique environ 1 million de fois supérieure aux combustibles fossiles, mais les machines pour extraire cette énergie sont bien plus complexes que les chaudières des anciennes machines à vapeur. Le nucléaire a donc une logique économique différente, où le coût du carburant est minime et le capital investi dans la machine représente la plupart du coût de l’énergie.

En 2016 l’humanité est confrontée au réchauffement climatique. Malgré le progrès des énergies renouvelables et du nucléaire à bas carbone, les énergies fossiles progressent plus vite parce qu’elles sont moins chères. L’histoire de la machine à vapeur nous montre que la prospérité humaine progresse quand le coût de l’énergie diminue. Le défi majeur du 21ème siècle est d’atteindre une prospérité décente pour chaque humain et simultanément d’arrêter le réchauffement climatique et réduire l’impact des humains sur l’environnement. La conférence COP21 a échoué à mettre en place une taxe carbone parce qu’il est politiquement impossible de rendre l’énergie plus chère, même si elle est sale. L’énergie propre est un problème d’ingénierie – elle doit être moins chère que le charbon.

Le développement commercial de la fission nucléaire a atteint un niveau très similaire à celui de la machine à vapeur il y a 250 ans.

  • Après des premières expériences, un seul principe a été déployé commercialement
  • Cette technologie a atteint ses limites
  • La technologie est sur le marché depuis plus de 50 ans
  • L’utilisation du carburant est faible
  • Le coût de l’énergie produite n’est pas très competitif avec les alternatives sur le marché
  • Quelques centaines de machines ont été produites
  • Les machines ont une seule utilisation commerciale
  • La civilisation humaine est face à une crise environnementale
  • Le rythme de déploiement des machines est insuffisant pour résoudre cette crise environnementale.
  • Le potentiel théorique reste immense
  • Un système amélioré a été inventé, avec le potentiel de faire une rupture dans le coût de l’énergie
  • Ce nouveau système est en cours de développement
  • L’industrie établie a dénoncé la faisabilité du nouveau système [1]

Tout comme Boulton & Watt, les innovateurs actuels dans l’énergie nucléaire ont réalisé l’importance primordiale de réduire le coût de cette énergie. Mais au lieu de viser une meilleure utilisation du carburant, les principes économiques de l’énergie nucléaire nécessitent de réduire le coût de la machine.

Alors, pourquoi les systèmes d’énergie nucléaires actuels sont-ils chers?

Quand on fissionne le noyau d’un atome, deux nouveaux atomes sont générés qui s’appellent des produits de fission. Ils sont très radioactifs et hasardeux pour les humains. Ces atomes se désintègrent sur des périodes plus ou moins longues jusqu’au moment où ils deviennent des isotopes stables qui ne sont plus hasardeux.

Dans les réacteurs à eau pressurisée utilisés aujourd’hui, le combustible est un solide. Les produits de fission restent enfermés dans cette matière solide mais peuvent s’échapper si le combustible chauffe et fond. Comme certains produits sont des gaz, un confinement du réacteur est nécessaire pour éviter leur dispersion dans l’atmosphère en cas d’accident. Ce confinement est compliqué et cher parce que le système fonctionne avec une pression très élevée. Ces fragilités nécessitent l’utilisation de nombreux systèmes de sécurité compliqués et onéreux pour garantir un niveau de sûreté acceptable.

Le coût d’un système d’énergie nucléaire est une fonction du profil de sécurité intrinsèque du système de réacteur.

Dans un réacteur à sels fondus le combustible est un liquide. Le mélange de sels est choisi pour rester liquide sur une grande plage de températures, et pour pouvoir dissoudre la matière fissile et la plupart des produits de fission sous la forme de sels qui sont chimiquement très stables. La dilatation du liquide selon la température assure un fort coefficient de contre-réaction qui donne une stabilité dynamique de fonctionnement, à pression atmosphérique. Avec une sécurité intrinsèque assurée par cette conception chimique, la « fission liquide » permet d’envisager un système de réacteur plus simple et bien moins cher.

Une course internationale a commencé pour lancer cette technologie sur le marché. La magie de l’entrepreneuriat, quand un architecte technique avec une idée rencontre un investisseur avec des fonds, est à l’oeuvre pour concevoir puis construire ces machines, avec des millions de dollars engagés. La rupture technologique de la fission liquide n’est plus une question de « si ». C’est une question de « qui » et de « quand ».

Qui seront les Boulton & Watt du 21ème siècle ?

Partenariats

L’énergie nucléaire suivra la même courbe de développement que la machine à vapeur, mais avec un décalage d’environ 250 ans. Avec un coût compétitif et une capacité de production importante, elle contribuera activement à lutter contre le réchauffement climatique.

Pour les systèmes à fission liquide en développement aujourd’hui, les principaux éléments de création de valeur qui permettront de réduire le coût de l’énergie seront :

  • La sécurité intrinsèque d’un combustible liquide chimiquement stable
  • Une conception élégante et simplifiée, avec une architecture astucieuse du système complet
  • Une température de fonctionnement plus élevée
  • Une approche modulaire pour la fabrication des bâtiments et composants, l’assemblage et la mise en exploitation

Pour le futur, il reste un potentiel important de réduction de coût avec :

  • Des systèmes surgénérateurs
  • Des machines thermiques plus petites qui exploitent mieux les hautes températures de fonctionnement
  • Un cycle de combustible au thorium, ou qui incinère les déchets des réacteurs actuels
  • Des améliorations des matériaux pour prolonger la vie de certains composants
  • Un processus rationalisé pour l’attribution de licences d’exploitation

… sans mentionner les inventions à venir.

Et comme la machine à vapeur, les systèmes d’énergie nucléaire moins chers et plus compacts trouveront beaucoup plus d’utilisations :

  • Fourniture de chaleur pour les processus industriels
  • Production de carburants liquides de synthèse à partir d’eau et de dioxide de carbone
  • Dessalement de l’eau de mer
  • Alimentation de collectivités hors réseau
  • Propulsion marine

Ce futur est possible. Il est même probable car il est nécessaire. Avec l’esprit d’entreprenariat qui animait Boulton & Watt nous pouvons fabriquer des machines à vapeur modernes et moins chères qui seront un progrès pour l’humanité et pour la planète.

[1] Quand John Smeaton a vu la première machine de Watt, il a signalé à la société des ingénieurs que « ni les outils ni les ouvriers existent qui peuvent fabriquer une machine aussi complexe avec suffisamment de précision ».

UK flag Cet article a été publié en anglais sur le site de la « Alvin Weinberg Foundation »

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4 réflexions au sujet de « Machines à vapeur »

  1. En vérité un excellent article, qui fait le point d’une manière synthétique et globale sur l’avenir de l’énergie des noyaux (le nucléaire quoi !) .. et notre avenir tout simplement… L’énergie est la clé de voûte de toute civilisation technologique, et pour aller plus loin – dans l’espace, il en faudra encore beaucoup plus… Voir ce qu’en disent des gens comme Jancovici … A moins de préférer aller au prochain salon du char à bœuf, je crois que la raison c’est de croire, et de désirer encore, en cet élan qu’on appelle le progrès. Il doit encore nous faire rêver ! .N.Nègre

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