⚡ Les ordres de grandeur de l'énergie et de la puissance

Classées par ordre croissant. La dernière colonne donne la même valeur en kilowatts, en écriture scientifique, pour comparer d'un coup d'œil des objets qui n'ont rien à voir.

Ce qu'on voit d'emblée : entre le cycliste et le réacteur nucléaire, il y a un facteur dix millions. Et entre le cycliste professionnel et la simple bouilloire de la cuisine, il y a déjà un facteur trois. Une machine banale de notre quotidien remplace sans effort plusieurs athlètes, et c'est exactement pour cela que nous avons construit un monde qui carbure à l'énergie bon marché.

Même principe, avec le kilowattheure comme référence. On part de l'énergie qu'il faut pour soulever une pomme, et on finit avec celle que consomme un pays de 68 millions d'habitants.

Le tableau des puissances place le corps humain à 100 W, quelque part entre la LED et la bouilloire. C'est le repère le plus utile de toute la page, parce que c'est le seul dont nous ayons l'expérience directe. Reste à savoir d'où sortent ces watts, par où ils s'échappent, ce que nous savons faire en pointe, et pourquoi une simple prise de courant vaut plusieurs centaines d'êtres humains au travail.

1. Un corps, c'est 120 W de chauffage permanent

Tout ce que nous mangeons finit en chaleur : c'est le premier principe de la thermodynamique appliqué à l'assiette. Une ration de 2 500 kcal par jour représente 10,5 millions de joules étalés sur 86 400 secondes, soit 121 W dissipés en permanence. Un être humain est donc un radiateur qu'on n'éteint jamais. Mais cette chaleur sort par deux portes très différentes, et c'est là toute la subtilité.

La part latente est la plus contre-intuitive des deux, alors calculons-la vraiment, en partant du volume d'eau que nous expirons.

La respiration seule ne pèse donc que 9 W. Il faut y ajouter la perspiration insensible, cette eau qui traverse la peau sans qu'on transpire, environ 0,5 litre par jour, soit 14 W de plus. Au repos complet dans une pièce fraîche, un corps est donc plutôt à 95 W sensibles et 25 W latents.

Une salle de classe de 30 personnes, c'est donc 3,6 kW de chauffage gratuit (plus qu'un gros radiateur) et 2,7 litres d'eau injectés dans l'air chaque heure. C'est exactement pour cela qu'un bâtiment bien isolé et bien rempli n'a presque plus besoin de chauffage, mais a toujours besoin d'être ventilé.

2. En pointe, nos muscles sortent 1 000 W

Les 120 W précédents sont de la chaleur perdue. Le travail mécanique utile, lui, est tout autre chose : sur un effort très bref, un être humain en bonne condition, homme ou femme, sort de l'ordre de 1 000 W. Le meilleur moyen de s'en convaincre est de le chronométrer soi-même dans une cage d'escalier : monter un étage, c'est de la physique pure, sans frottement ni rendement discutable. L'énergie vaut masse × 9,81 × hauteur, et la puissance, c'est cette énergie divisée par le temps mis.

Autrement dit : si vous pesez 60 kg et que vous avalez un étage en moins de 1,8 seconde, ou 80 kg en moins de 2,4 secondes, vous venez de produire plus de 1 000 W. La personne la plus lourde a droit à un peu plus de temps pour la même puissance, puisqu'elle hisse davantage d'énergie potentielle. En pratique il faut prendre les marches trois par trois, et la vraie puissance des muscles est même supérieure à ce chiffre, puisque le calcul ignore l'énergie dépensée à lancer les jambes et les bras.

3. En randonnée : 110 W utiles, 440 W avalés

L'escalier ne dure que deux secondes. Passons à un effort qu'on tient vraiment : une montée en randonnée. Voici mon cas, que j'ai chronométré : 400 mètres de dénivelé en une heure, sac au dos, pour un total de 100 kg (moi plus le sac). C'est un rythme soutenu mais banal pour un marcheur entraîné.

L'énergie potentielle de pesanteur

Monter, c'est stocker de l'énergie dans son propre corps, exactement comme on remonte l'eau d'un barrage. La formule est la même pour tout le monde :

E = m × g × z

avec m la masse en kg, g la pesanteur (9,81 m/s²) et z le dénivelé en mètres. Le résultat est en joules.

Énergie de la montée100 × 9,81 × 400 = 392 400 J, soit 392 kJ

Puissance mécanique392 400 J ÷ 3 600 s = 109 W

Rendement du muscleenviron 25 %, comme un moteur thermique

Puissance réellement brûlée109 ÷ 0,25 = 436 W

Chaleur perdue436 − 109 = 327 W, soit exactement 3 fois l'utile

Reste à savoir ce que nous brûlons. Le principe est le même que dans n'importe quel moteur : une combustion. Nos aliments, sucres, graisses et protéines, sont des chaînes de carbone et d'hydrogène. L'oxygène que nous inspirons vient casser ces chaînes, et les deux produits qui en sortent sont toujours les mêmes : du CO₂ et de l'eau. Dans le cas du glucose, le carburant de base du muscle, cela s'écrit :

Un moteur à essence fait rigoureusement la même chose avec de l'octane. La boucle est bouclée avec le premier chapitre : le CO₂ que vous expirez et la vapeur d'eau qui emporte vos 60 W de chaleur latente sont, littéralement, les fumées d'échappement de votre petit-déjeuner. La seule différence avec la voiture, mais elle est décisive pour le climat, c'est que notre carbone vient de plantes qui l'avaient capté dans l'air quelques mois plus tôt, alors que celui du moteur dormait sous terre depuis des millions d'années.

4. À vélo : 100 W suffisent, et c'est tout le sujet

Une fois qu'on a ces repères en tête, le vélo devient fascinant. En pédalant tranquillement, on produit environ 100 W de puissance mécanique. En appuyant fort, on monte à 200 W, et un coureur professionnel tient 400 W sur une heure entière. Toute la vie cycliste tient donc dans une fourchette de 100 à 400 W, entre une vieille ampoule et un four électrique.

Ce que fait vraiment l'assistance électrique

Le moteur de mon vélo fait 200 W. Il ne s'ajoute pas à mes jambes pour aller plus vite : la loi bride l'assistance à 25 km/h. Il vient effacer jusqu'à 200 W de ce que mes jambes auraient dû fournir.

En pleine montée, là où il faudrait produire 300 à 500 W et arriver en nage, je n'en fournis plus que 100 à 200. Ce n'est pas de la triche, c'est ce qui fait qu'on prend le vélo tous les jours au lieu de le regarder au garage.

Et maintenant la comparaison qui remet tout à sa place. Une voiture, en pleine accélération, délivre entre 20 000 et 200 000 W. Face au cycliste tranquille et ses 100 W, c'est un facteur 200 à 2 000. Pour déplacer, la plupart du temps, une seule personne de 70 kg. On mesure d'un coup à quel point le vélo est sobre : c'est le seul véhicule dont la puissance est du même ordre de grandeur que ce que le corps humain sait produire, au lieu de la dépasser d'un facteur mille. Tout le reste de mon argumentaire est dans ma conviction sur le vélo.

5. Le cheval : la même puissance, mais pendant des heures

Un cheval-vapeur vaut 736 W par définition, et nous venons de voir qu'un être humain dépasse cette valeur dans un escalier. Mais la comparaison s'arrête net, et c'est tout l'enseignement de ce chapitre : nous ne tenons ces 736 W que ponctuellement, dans un effort explosif de deux secondes qui laisse hors d'haleine. Un cheval de trait, lui, développe cette même puissance en continu, des heures durant, jour après jour, saison après saison. La puissance de pointe ne dit presque rien ; c'est l'endurance qui fait le travail.

Cette image dit l'essentiel de notre histoire énergétique. Avant les tracteurs et avant le pétrole, tout le travail lourd tournait déjà aux énergies renouvelables : des chevaux, des bœufs, des mules, des ânes, auxquels s'ajoutaient le vent des moulins et l'eau des rivières. Un animal de trait n'est rien d'autre qu'un convertisseur d'énergie solaire : la photosynthèse fabrique de l'herbe et de l'avoine, l'animal les transforme en travail mécanique. Labourer, herser, moissonner, débarder le bois, tirer les charrettes et les péniches : pendant des millénaires, cela s'est fait sans un gramme de carbone fossile.

Et le saut d'échelle qui a suivi donne le vertige. Un tracteur moderne de 100 kW, une machine tout à fait banale, remplace 136 chevaux de trait ou 1 700 hommes au travail. Un seul agriculteur, assis dans une cabine climatisée, dispose d'une puissance que même un seigneur féodal n'aurait pas pu réunir sur ses terres. C'est exactement ce que compte la notion qui suit.

6. Vos 200 esclaves énergétiques

Les 1 000 W ne durent que deux secondes. Sur une journée entière de travail physique, un être humain ne tient pas 1 000 W mais plutôt 60 W de travail mécanique, soit dix-sept fois moins. Une année complète de labeur, à 8 heures par jour et 220 jours par an, produit donc :

C'est la définition de l'esclave énergétique : le nombre de travailleurs qu'il faudrait employer à l'année pour remplacer les machines qui nous servent. Il suffit de diviser notre consommation par ces 100 kWh.

Chaque Français dispose donc en permanence de l'équivalent d'environ 200 personnes travaillant pour lui à temps plein, dont une soixantaine rien que pour l'usage électrique. Aucune aristocratie de l'histoire n'a jamais approché ce niveau de service, et cela nous coûte quelques milliers d'euros par an, sans même y penser.