Peut-on exploiter l'énergie de la foudre ?
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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