Exposition énergies légères (3)

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

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.

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

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.

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.

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.

..... .......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 .................
	.... ...	......... ... 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