La foudre, une énergie durable ?

Sources documentaires :

-          https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Orage5-soft.jpg#/media/File:Orage5-soft.jpg, Sébastien D’Arco

-          AFP

-          https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Orage1.JPG#/media/File:Orage1.JPG, Alinak

-          https://youtu.be/U9SrGOma5YE, ©Crazyweathernews, YouTube

-          http://fr.hellokids.com/c_16586/lecture/reportages-pour-enfant/les-sciences/les-orages-explications-et-precautions

-          Wikipedia

-          http://www.meteofrance.fr/prevoir-le-temps/phenomenes-meteo/les-orages

-          http://www.meteo.org/phenomen/orage.htm

-          https://www.lenergieenquestions.fr/les-supercondensateurs-lavenir-du-stockage-de-lenergie, ©EDF

-          http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.ELEC.KH.PC, The World Bank

-          http://www.5mnaperdre.fr/wp-content/uploads/2013/09/foudre-tour-eiffel.jpg

<<< Conclusion

Quand on voit la foudre tomber, on se demande pourquoi l’énergie qu’elle dégage n’est pas utilisée comme l’énergie solaire ou encore l’énergie éolienne. En effet, la forte luminosité produite dans l’éclair laisse penser que celle-ci renferme une importante énergie électrique. Malheureusement, comme l’ont montré les calculs effectués précédemment, on peut voir que la faible durée d’un éclair ne permet pas une bonne production énergétique. De plus, il serait très coûteux et difficilement réalisable d’installer des structures afin de capter, stocker et redistribuer l’énergie de la foudre. Pour l’instant, l’énergie produite par la foudre n’est donc pas une énergie durable.

On pourrait par contre imaginer dans le futur de déclencher la foudre en utilisant des moyens non-polluants ; l’exemple des Émirats arabes unis qui « ensemencent » de cristaux de sel les nuages afin de déclencher des averses de pluie pourrait peut-être être adapté au déclenchement de la foudre.

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III - Peut-on exploiter l'énergie de la foudre ?

Pour exploiter l’énergie produite par la foudre, il faut tout d’abord savoir comment attirer la foudre à un endroit prédéfini.

a. Comment attirer la foudre ?

Afin d’attirer la foudre à un endroit précis, l’Américain Benjamin Franklin inventa en 1752 un dispositif conçu pour écouler à la terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la foudre de tomber en un lieu non souhaité : c’est le paratonnerre. La structure d'un paratonnerre est composée d'une tige placée en hauteur puis connectée à la terre par un ou plusieurs éléments métalliques appelés conducteurs de descente capables de conduire cette électricité : ces conducteurs peuvent faire partie de la cage de Faraday (expliquée plus bas). Le paratonnerre n'attire pas la foudre mais rend plus probable, grâce à l'effet de pointe, le parcours d'un claquage du diélectrique que constitue l'atmosphère. Ce claquage suit un parcours souvent initié par un précurseur. Le paratonnerre captera donc la foudre dans sa zone d'influence (zone de protection), mais les éclairs qui auraient eu tendance à tomber en dehors de cette zone continueront à le faire.

Différents types de paratonnerres existent mais les deux plus courants sont la pointe simple (dite pointe de Franklin) et la cage maillée (cage de Faraday).

-          La pointe simple

Le système de protection est constitué d'un organe de capture (une ou plusieurs pointes) et d’une ou deux descentes associées chacune à une prise de terre. La pointe d'une tige est entourée d'un champ électrique en période orageuse. Si l'arc électrique (l'éclair) se dirige vers l'une des pointes, alors il finira sa course dans les câbles de descente (au lieu de passer par le bâtiment). Une pointe unique a une utilité réduite, car rien ne garantit que l'éclair tombera à cet endroit, et il existe de nombreux témoignages confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé. On peut alors reproduire l’effet de la pointe de Franklin en rajoutant à l’expérience décrite dans le chapitre précédent une punaise métallique au milieu des billes métalliques. Voici le résultat que j’ai pu observer et filmer au Palais de la Découverte à Paris :  

On voit bien que l’arc électrique est majoritairement attiré par la pointe de la punaise métallique et non plus par les billes métalliques puisque l’arc électrique emprunte le chemin le plus court pour rejoindre la terre.

-          La cage maillée ou cage de Faraday

Le système de protection est constitué de plusieurs pointes, couvrant toute la toiture et les arêtes du bâtiment à préserver. Les pointes sont reliées entre elles par des filins conducteurs interconnectés, reliés à la terre et formant une cage (dite cage de Faraday). Il est inutile de l'élever très haut. On peut faire l’expérience de la cage de Faraday, en enfermant une personne à l’intérieur d’une cage grillagée de métal et en approchant un conducteur électrique relié à un générateur de l’ordre de 400 000 V, comme on peut le constater sur la vidéo ci-dessous réalisée au Palais de la Découverte :

Il se produit un arc électrique simulant l’éclair entre la cage et le conducteur. La personne dans la cage ne ressent pas l’arc électrique qui s’évacue vers la terre via le grillage.

On pourrait donc imaginer de capter la foudre via un système de paratonnerres reliés à un endroit de stockage électrique. Combien faudrait-il de paratonnerres de type pointe pour couvrir l’ensemble de la France ?

On sait qu’un paratonnerre a une surface de captage des éclairs qui dépend de sa hauteur. Ainsi la surface du cercle couvert est égale à π*hauteur² soit pour un paratonnerre de 10 mètres de haut, la surface sur laquelle l’éclair est plus probablement attiré est de 3,14*10² = 314 m².

Ainsi, si on voulait couvrir la France dont la superficie est de 550 000 km², il faudrait 550.10⁹/ 314 = 1,75.10⁹ soit 1,75 milliards de paratonnerres !

b. Comment stocker l’énergie de la foudre ?

Si nous parvenions à capter la foudre, il faudrait pouvoir stocker son énergie pour ensuite permettre son utilisation ultérieure. Il n’est pas possible d’injecter l’énergie de la foudre d’un coup sur le réseau électrique : en effet lorsque la foudre touche une ligne à haute tension cela fait sauter tous les fusibles du réseau. Le stockage d’énergie est donc indispensable quand l’énergie est variable dans le temps, comme celle des énergies renouvelables (si on pense que la foudre est une énergie renouvelable comme l’énergie solaire ou éolienne). La foudre produit de l’énergie électrique, or l’électricité, une fois produite, est instantanément consommée ou perdue : elle n’est directement stockable que dans un condensateur, sinon il faut la convertir en une autre forme d’énergie pour qu’elle soit stockée.

On peut donc imaginer de stocker l’énergie de la foudre avec un super-condensateur : il s’agit d’un condensateur particulier qui permet de stocker 100 fois plus d’énergie qu’un condensateur régulier et qui se charge 10 000 fois plus vite. Ce n’est pas une batterie, mais comme dans une batterie, le stockage de l’énergie se fait grâce à la capacité de transférer et stocker des particules chargées appelées ions. Ces appareils ont une longue durée de vie : ils peuvent être chargés plus d’un million de fois alors qu’une batterie lithium-ion accepte entre 500 et 1 000 charges. Ils stockent l’énergie directement sous forme de champ électrostatique.

Le record de recharge d’un super-condensateur constitué de graphène (un cristal composé de graphite, une espèce minérale) jusqu’à aujourd’hui est de 16 secondes. Mais 16 secondes c’est encore bien trop long pour capter l’énergie de la foudre qui est libérée pendant seulement 25 microsecondes, mais avec les progrès faits chaque jour on espère la création d’un super-condensateur capable de stocker l’énergie de la foudre.

Une autre technologie pourrait être utilisée : l’anneau supraconducteur qui stocke de l’énergie sous forme d’un champ magnétique créé par la circulation d’un courant continu qu’on doit refroidir avant d’atteindre sa température dite critique. Mais là encore le problème est que l’anneau charge 0,14 kWh par seconde, ce qui est toujours trop lent par rapport à la rapidité de la foudre. Mais encore une fois des progrès dans ce domaine ont lieu régulièrement.

Le problème de la rapidité de la foudre est l’un des plus importants mais aussi sa très haute tension qui empêche de trouver un moyen de stockage. A ce jour il est donc impossible de stocker l’énergie de la foudre, mais les progrès technologiques sont conséquents, et on peut donc espérer trouver une solution dans les années à venir.

c. La foudre est-elle une énergie durable ?

Une énergie durable est une énergie capable de répondre aux besoins du moment présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre à leurs propres besoins.

Afin de savoir si la foudre est effectivement une énergie durable, on calcule tout d’abord l’énergie produite par l’ensemble des impacts de foudre qui se produisent en France sur une année.

Nous avons calculé précédemment qu’un éclair produit en moyenne une énergie de 500 MJ. Selon Météo France, il y a environ 500 000 impacts de foudre par an en France métropolitaine.

Or on sait que 1 KWh = 3600 KJ donc l’énergie produite par un impact de foudre est  500.10⁶/3600.10³ ≈ 0,14.10³ KWh ≈ 140 KWh.

Donc, sur l’ensemble du territoire français, l’énergie produite annuellement est : 140*500 000 = 70 000 000 KWh soit 70 GWh.

Un réacteur nucléaire produit une puissance de 1GW soit une énergie de 1*365*24 = 8760 GWh sur une année. Un réacteur nucléaire produit donc 125 fois plus d’énergie que l’ensemble des impacts annuels de foudre.

Un habitant français consomme en moyenne 7300 KWh par an. Aussi, si l’on pouvait capter et utiliser l’énergie de la foudre, sans déperdition, elle permettrait d’alimenter 70.10⁹/7300.10³ ≈ 9 600 personnes.

On peut aussi calculer combien d’énergie apporterait l’ensemble des impacts de foudre à chacun des 65 millions de Français : 70.10⁹/65.10⁶ ≈ 1 KWh. Grâce à cette énergie de 1 KWh/personne/an, chaque Français pourrait utiliser son four 30 minutes par an.

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II - Que se passe-t-il quand la foudre tombe ?

Eclair nuage-sol à Dardilly

 

• Le type ascendant est le plus fréquent dans le cas de coup de foudre sur des structures de grande hauteur (tour, pylône). Il se produit également souvent à l'avant du nuage proprement dit, jusqu'à 40 kilomètres du nuage. Un tel phénomène peut surprendre les gens qui se pensent à l'abri en voyant l'orage dans le lointain (un coup de tonnerre dans un ciel serein).

 

Foudre en boule

 

La foudre en boule est un phénomène se produisant parfois à l'impact (dans de très rares cas, avant). Elle se présente en règle générale sous la forme d'une sphère lumineuse de taille variable (de l'ordre du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres de diamètre).

Les observations rapportent différentes couleurs (blanc, rougeâtre, parfois jaune, etc.) et une durée de vie très différente selon les cas, mais le plus souvent tout au plus quelques secondes. Encore aujourd'hui, les connaissances à son sujet sont assez fragmentaires. Il a été tenté de nombreuses fois de la reproduire en laboratoire, sans toutefois apporter d'explication définitive au phénomène. Les premières « boules de feu » artificielles auraient été créées par des scientifiques brésiliens de cette façon :

1. Un arc électrique créé entre deux électrodes vaporise du silicium pur.
2. En se refroidissant, le nuage de silicium se contracte.
3. Le silicium se combine à l'oxygène de l'air. La réaction chimique dégage de l'énergie donnant une température estimée de 1 700 °C à ces boules de feu qui tournent généralement sur elles-mêmes juste au-dessus du sol puis disparaissent.

Foudre en boule à la Nouvelle-Orléans (USA) en 2012                    

Foudre volcanique

Un orage volcanique est un phénomène météorologique résultant de l'apparition de foudre au-dessus d'une éruption volcanique quand les particules de cendre et de poussière qui sont expulsées par cette dernière sont projetées à grande vitesse dans une zone d'activité thermique intense. Elles se frottent rapidement, ce qui les charge en électricité, et les fait donc accumuler des charges positives ou négatives. La tension des champs électromagnétiques formés par ces dernières devient progressivement trop forte, ce qui provoque l'apparition de foudre volcanique.

Orage volcanique de l'éruption du mont Rinjani (Indonésie) en 1994

b. Le décalage temporel entre l'éclair et le tonnerre

Le tonnerre est un bruit produit par l'expansion brutale de la fine colonne d'air qui a été chauffée très rapidement par la foudre au cours d'un orage. Il se manifeste sous la forme d'un claquement sec ou d'un roulement sourd dont l'intensité est d'autant plus forte que l'éclair est plus proche du lieu où se situe l'observateur.

Lorsque la foudre tombe, le temps que met la lumière pour parvenir à nos yeux est négligeable car la vitesse de la lumière est de 300 000 km/s. Par contre, le temps que met le son à parvenir à nos oreilles est appréciable puisque la vitesse du son est de 340 m/s, et dépend essentiellement de la distance à laquelle la foudre est tombée. Le calcul de la distance est basé sur la mesure du temps qui s'écoule entre la perception visuelle de l'éclair et la perception auditive du tonnerre.

Dans l'air à 15 °C, le son se déplace à la vitesse de 340 m/s. Or on sait que la distance est égale au produit de la durée par la vitesse. Donc la distance qui sépare un individu du point d’impact de la foudre est égale à la durée écoulée entre la perception de l’éclair et celle du tonnerre multipliée par la vitesse du son.

Concrètement, s'il s'écoule 10 s entre les perceptions de l'éclair et du tonnerre, alors la distance sera 10 (s) × 340 (m/s) = 3400 m.

D’un point de vue pratique, il existe aujourd’hui des applications numériques pour calculer simplement cette distance.

c. L’énergie produite par la foudre

On peut comparer la base du nuage d’orage et le sol à un condensateur plan.

Si la distance d entre le sol et la base du nuage (équivalents aux deux plaques du condensateur) est de 5 km et que le champ électrique E entre le sol et le nuage a pour valeur 20 000 v/m alors la différence de potentiel entre le bas du nuage et le sol est :

U = E*d = 20 000*5 000 = 1.10⁸ V = 100 MV

On sait qu’en moyenne, un éclair transporte une charge de 5 C. Or, l’énergie d’un éclair qui transporte une charge électrique q sous une tension U est donnée par la relation physique :

E_éclair = q*U avec q = 5 C et U = 100 MV, alors E_éclair = 5*100 = 500 MJ

<<< Comment se forme un orage ?                                                                                                                   >>> Peut-on exploiter l'énergie de la foudre ?

I - Comment se forme un orage ?

Comme dans le cas des averses, les orages se forment dans une masse d'air instable lorsqu'il y a une réserve importante de chaleur et d'humidité à bas niveau de la troposphère et d'air plus sec et froid en altitude. Le nuage qui provoque l'orage est appelé cumulonimbus. Il est noir, épais et surtout chargé d'électricité.

L'air chauffé par le rayonnement du soleil sur la surface terrestre se dilate et devient plus léger que l'air situé au-dessus de lui. Il s'élève alors, comme le ferait une montgolfière. Si cet air est suffisamment humide, la vapeur d'eau qu'il contient se condense pour former des gouttelettes d'eau : un nuage de type cumulus apparaît. Dans une atmosphère instable, les mouvements verticaux de l'air sont intenses et vont favoriser par cette condensation le grossissement du nuage, qui se développe et monte en altitude. Les gouttelettes les plus élevées se transforment alors en cristaux de glace : le cumulus devient un cumulonimbus.  Le schéma ci-dessous montre la formation d’un cumulonimbus.

Ce nuage se charge en électricité statique car il est balayé dans tous les sens par de rapides courants d'air qui créent un frottement des molécules et particules le composant ; c’est ce frottement qui génère de l’électricité statique. La polarité du nuage est alors négative.

Au fur et à mesure que le nuage grossit il se charge donc de plus en plus en électricité négative. Le sol lui par contre est chargé d'électricité positive. En effet, il existe un champ électrique à la surface de la Terre. Ce champ électrique est d'environ 100 à 150V/m en moyenne, en dehors des périodes d’orage. La Terre se comporte comme un condensateur sphérique, avec un assez bon isolant : les parties basses de l'atmosphère (tropopause ...) placé entre deux conducteurs : le sol et l'ionosphère.

Comme en électricité les charges opposées s'attirent, c'est justement cette différence de polarité entre le sol et le nuage qui est à l'origine de la foudre. Les charges négatives du nuage rejoignent les charges positives du sol, à travers l'air devenu conducteur.

Les conditions sont alors réunies pour que la foudre se forme.

<<< Introduction                                                                                                                                               >>> Que se passe-t-il quand la foudre tombe ?