J'adore mon métier. Découvrir chaque jour ce qu’est le Design Énergétique m'amène à me pencher sur des problèmes aussi divers que la transition énergétique de notre pays, le froid aux pieds chez le livreur de colis parisien ou la gestion du confort dans une yourte.

Néanmoins à chaque jour suffit sa peine, et la fin de journée voit arriver, c'est normal, l’heure de l’apéro. Personnellement, cela consiste en une bière bien fraîche. Enfin une application concrète et immédiatement utile de la réflexion énergétique ! Mais quel ne fut pas un jour mon désarroi lorsque, en quête un peu tardive d’une bière à pouvoir partager entre collègues, je me retrouvais devant ce dilemme : exactement le même produit, vendu soit dans une canette métallique, soit dans une bouteille en verre.

Fichtre ! Comment choisir ? C’est dans de tels instants que le Design Énergétique s’apparente à un trouble obsessionnel compulsif : il me fallait trouver une réponse à cette dramatique question. Et comme cela m’a emmené dans des raisonnements qui me semblent représentatifs de la démarche fondamentale qui nous intéresse, je partage avec vous ces quelques élucubrations. Voici donc le raisonnement que j’ai suivi.

 

Design Énergétique étape 0 : quel est le problème ?

 

Avant d’être une bière fraîche, une bière est une bière pas fraîche. Mon exigence en matière d'apéritif va me demander de la refroidir suffisamment, disons autour de 6°C. Remarquons que, comme bien souvent, tout part de moi, de mon envie, de ma conception d'un apéritif et de la manière de déguster une bière. Tout cela est extrêmement personnel, bien que j'utilise plus couramment le terme de "culturel". Ce "besoin", ou ce "désir", voire ce "caprice" (selon qui en parle et qui le juge) m'est strictement personnel, tout en étant, évidemment, sujet à une infinité de discussion.

Je pourrais vous inviter à partager vos propres avis sur la question en commentaires, cela animerait certainement le débat. Puisque je consomme avec modération, nous prévoirons ici un demi-litre de bière, destiné à être partagé en deux demis. Cette détermination relève non seulement de la sobriété (ici, quasiment au sens le plus commun), mais également de la "sobriété énergétique dimensionnelle". En déterminant la quantité de bière à refroidir, je dimensionne en grande partie le "service énergétique", à me rendre. En langage d'énergéticien : le besoin énergétique, comptabilisé en énergie utile.

Par ailleurs, si l’on est comme moi, un peu désorganisé et que l’on ne pense qu'à dix-sept heures à acheter une bière destinée à être partagée à dix-huit, la rapidité du refroidissement est clairement un paramètre à prendre en compte. Si nous n'étudions que de la bière, cela reviendrait simplement à réfléchir sur la puissance, une quantité d'énergie à transférer sur une certaine durée. Malheureusement, nous ne sommes pas dans le cas d'une tireuse à bière : le précieux breuvage est livré avec son contenant, qu'il va également nous falloir refroidir... Le système énergétique que nous considérons est bien l'ensemble {contenu + contenant}. Amusons-nous maintenant avec quelques calculs de coin de table.

 

Projet "bière fraîche" étape 1 : Refroidir ?

Le calcul

Pour être un peu plus précis, nous considérons une bière à 6° d’alcool, achetée à 25°C (c'est encore l'été), que nous souhaitons refroidir à 6°C. Nous allons tâcher de comparer le "besoin froid", c'est à dire la quantité d'énergie à extraire de notre système complet. Le tableau ci-dessous détaille les différentes étapes du calcul. On peut rappeler que la capacité calorifique d'un matériau est la quantité d'énergie à injecter (ou retirer) d'un kilogramme de ce matériau pour faire évoluer sa température de un degré.

 

Qu'en conclure ?

On peut tirer plusieurs conclusions de ce petit calcul, tant pour notre culture générale que pour l'organisation de notre apéritif (ainsi, ce blog vous permet non seulement d'optimiser votre apéritif, mais aussi d'alimenter la conversation !)

• La variante "contenant en verre" a un bilan défavorable, principalement à cause de sa masse, plus de 10 fois supérieure à celle de l'emballage métallique.
• Dans la variante métallique, le refroidissement du contenant ajoute moins de 1% au besoin énergétique. Dans la variante en verre, c'est 5% d'énergie demandée en plus. On peut dire que dans une canette métallique, on refroidit quasiment seulement de la bière. Ça commence à ne plus être le cas avec du verre.
• Au final, le choix d'un contenant en verre augmente la demande énergétique de 5,1%, en ajoutant 0,542 Wh de besoin. Bon... sur les 10,3 Wh nécessaires au refroidissement de la bière, ce n'est pas forcément majeur, mais soyons précis.

Deux remarques que l'on peut ajouter, pour le plaisir :

• Plus les volumes sont importants, plus la masse du contenant représente une part minime de l'ensemble. Conclusion... il vaut mieux acheter des grands volumes. En l'espèce, donc, la "sobriété énergétique et écologique" ne va pas dans le même sens que la sobriété de consommation alcoolique.
• Plus la bière est forte, plus la part d'alcool est importante. Or, l'alcool est plus facile à refroidir, sa chaleur massique est moindre que celle de l'eau. Préférer une bière à fort titrage en alcool va dans le sens de la réduction de consommation énergétique. Si on jongle un peu avec les chiffres, on peut noter qu'une bière à 12° dans un emballage en verre se refroidit avec la même quantité d'énergie qu'une bière à 3° dans un emballage métallique. Je ne tire aucune conséquence particulière de ce constat, je ne veux pas d'ennuis avec les autorités sanitaires...

Vainqueur de l’étape 1 : le contenant en aluminium !

 

Projet "bière fraîche" étape 2 : influence du matériau

Le calcul

Me voilà donc revenu du débit de boisson, et je suis inquiet devant l'heure : mon partenaire de beuverie de fin de journée ne va pas tarder à arriver. Vite vite, je mets tout cela au congélateur (pour aller plus vite) et... quel contenant sortira vainqueur ? La question est grave. Pour y répondre, nous allons la reformuler. Quel matériau laissera la vague de froid le traverser le plus rapidement ? Nous touchons ici à une notion chère à celles et ceux qui s'intéressent aux surchauffes d'été dans les bâtiments : le déphasage. Pour le problème qui nous concerne, nous n'allons pas entrer dans les détails. Il nous suffit de retenir quelques grands principes :

• le déphasage est proportionnel à l'épaisseur de matériau à traverser : si la paroi est deux fois plus épaisse, la chaleur (ou le froid) mettra deux fois plus de temps à arriver.
• le déphasage est inversement proportionnel à la racine carré de la diffusivité du matériau : si la diffusivité du matériau est deux fois plus importante, la chaleur mettra 1,14 fois moins de temps à arriver.

 

 

La diffusivité est une propriété thermique délicate à appréhender intuitivement. Elle s'exprime par la formule :

   (en m²/s).

D'une certaine manière, elle représente l'équilibre pour un matériau entre sa capacité à laisser passer la chaleur (λ, au numérateur) et sa tendance à absorber cette chaleur pour s'échauffer (le produit masse volumique*chaleur massique, au dénominateur). Pour ce qui concerne notre bière, nous n'avons pas besoin d'en savoir beaucoup plus. Voici les principales valeurs que j'ai pu trouver.  (note à nos lecteurs : malgré mes recherches, je n'ai pu trouver d'information fiable sur l'épaisseur de verre d'une bouteille. Vous avez des infos ? Contactez-moi !)

• La diffusivité thermique de l'aluminium est de 98,8, celle du verre de 0,5 (en 10-6 m2/s)
• L'épaisseur d'une canette est de 100 micron, celle du verre est estimée à 2 mm.

 

 

Qu'en conclure ?

Ces valeurs sont assez explicites, et nous permet de tirer les conclusions suivantes :

• Le contenant en verre est 20 fois plus épais que le contenant métallique (qui serait alors en verre). Le froid mettra donc 20 fois plus de temps à arriver jusqu'à la bière pour la refroidir.
• La diffusivité de l'aluminium est environ 200 fois plus importante que celle du verre. A design égal, une réalisation en métal implique que le froid mettra environ 14 fois moins de temps à atteindre la bière.

La canette étant à la fois métallique et plus fine, elle permet au froid d'atteindre la bière en 14*20=280 fois moins de temps que la bouteille en verre. Le résultat se passe de commentaires, pour ceux qui ont besoin d'avoir de la bière fraîche rapidement. Vainqueur de l’étape 2 : le contenant en aluminium, encore.

 

Projet "bière fraîche" étape 3 : influence de la géométrie

Le calcul

Nous avons vu précédemment l'influence du matériau (nature, épaisseur) sur la rapidité de rafraîchissement de la bière. Nous ne pouvons pas en rester là, car la géométrie du contenant a également une influence importante. En effet, la chaleur est échangée à la surface extérieure du contenant. Plus cette surface sera importante, plus le refroidissement sera rapide, toutes choses égales par ailleurs.

Nous trouvons ici une autre notion importante dans l'approche des phénomènes thermiques : la compacité. Il s'agit du rapport entre le Volume et la Surface qui le délimite. En ce qui nous concerne, nous travaillons à volume constant, soit un demi-litre de bière.

Quelle forme est la plus favorable au refroidissement ? Pour le savoir, nous avons simplement tracé la courbe "Surface déperditive en fonction du rayon". Il nous suffit ensuite de savoir qu'une canette normale a un rayon de 3,3 cm (pour les canettes "sleek", c'est 2,94 cm), celui de la bouteille de bière étant de 3,75 cm.

 

Qu'en conclure ?

Sur le simple aspect géométrique, la canette présente 4,6% de surface déperditive en plus. Cela signifie que, toutes choses égales par ailleurs, la canette étant moins compacte, elle est plus favorable au rafraîchissement de son contenu. On peut ajouter deux remarques pour élargir le propos :

• Si on diminue encore le rayon, le contenant devient de moins en moins compact. Ainsi, une canette "sleek" refroidira encore mieux le liquide.
• Lorsqu'on augmente le rayon, la courbe passe un minimum avant de remonter. Ce minimum se trouve, pour un demi-litre, à un rayon de 4,3 cm. C'est la forme de cylindre pour laquelle le refroidissement sera le moins rapide.

Vous l'aurez noté, néanmoins, les écarts ne sont pas hallucinants. Et surtout... augmenter les surfaces, c'est augmenter la quantité de matière nécessaire à la fabrication. N'aurions-nous pas quelques chose à regarder de ce côté ? Vainqueur de l'étape 3 : la canette... un peu.

 

Projet "bière fraîche" étape 4 : analyse du cycle de vie

Le calcul

Les questions énergétiques posent très souvent la question du périmètre considéré. Si je ne considère que mon petit problème de refroidissement d’une bière entre le magasin et mon réfrigérateur, nous avons déjà quasiment déjà répondu à la question. Néanmoins, il a bien fallu fabriquer ces différents contenants. C'est très différent de fabriquer une canette aluminium et une bouteille en verre.

Qu’en est-il donc du bilan énergétique de cette étape ? Pour répondre à cette épineuse question, je me suis tourné vers mon ami le professeur Emmanuel Rauzier. Manu (Appelons-le Manu) est la personne responsable du volet industriel du scénario négaWatt, autant dire qu'il en connait un rayon sur ces questions. Je lui ai donc soumis mon problème ("Manu... j'achète quoi ?), et cela l'a intrigué. Je vous épargne les éléments détaillés, mais voici les principales hypothèses qu'il a retenues :

• L'aluminium "moyen" contient aujourd'hui 53 % d'aluminium recyclé et 47% d'aluminium primaire.
• Le verre "moyen" contient aujourd'hui 45 % de verre recyclé et 55 % de verre primaire.
• Comptés en énergie primaire, il faut aujourd'hui 31,05 kWh pour fabriquer un kilogramme d'aluminium, et 4,50 kWh pour le verre. Ces données intègrent un facteur de conversion de 3,3 de final vers primaire pour l'électricité, ainsi que les parts relatives des productions/recyclages alimentés à l'électricité ou sur d'autres sources énergétiques primaires.

 

Le petit tableau suivant résume les résultats finaux.

 

Qu'en conclure ?

Les résultats nous ont surpris, autant Manu que moi-même. L’aluminium sort nettement vainqueur, la canette est 65% moins "coûteuse" à fabriquer sur le plan énergétique. A cela deux raisons majeures :

• La masse d’une canette aluminium est très nettement inférieure à la masse d’une bouteille en verre. Il faut donc beaucoup moins de matière pour rendre un service équivalent, c’est-à-dire, contenir 50cl. de bière.
• L’aluminium est très bien recyclé en France, mieux que le verre, et avec un rendement énergétique supérieur.

Si, donc, je me base sur la sobriété et l'efficacité énergétique du contenant, je choisis là encore la bière en canette d'aluminium. Vous pouvez également comparer ces résultats avec l'énergie utile que nous devons extraire pour rafraîchir notre bière. Pour rappel : environ 11 Wh. Il y a un facteur 40 entre l'énergie pour fabriquer une canette et l'énergie pour rafraîchir ma bière !

Ce qu’affirment surtout ces résultats, c’est la chose suivante : une bouteille en verre n'est pas faite pour être recyclée, mais ré-employée. Le modèle français consistant à casser une bouteille en parfait état pour recycler le verre est une absurdité. Dans de nombreux pays, la consigne est en place, et elle l'est encore en France pour les professionnels et dans certaines régions. On n’a donc pas, une fois la bouteille vide, à en re-fabriquer une. Il suffit de la re-remplir, ce qui est énergiquement très efficace, la même bouteille sert plusieurs fois.

 

Conclusion

 

Personnellement, avant de m’être plus précisément penché sur la question, j’aurais spontanément choisi des contenus en verre. Peut-être est-ce lié au fait que les bières de qualités ne se trouvent en général pas en canette métallique ? Peut-être simplement à ma perception  d’un emballage plus « prestigieux » ?

Peut-être, enfin, est-ce lié au fait que culturellement, depuis des siècles, les contenants pour les liquides sont en verre, parce que ré-employés ? Pensons aux vins, aux cidres artisanaux dont on réemploie les bouteilles ou aux bocaux de confit de canard que confectionnait ma grand-mère.

Pourtant, lorsqu’on regarde la filière industrielle des bouteilles en verre pour les liquides alimentaires aujourd’hui (la bière dans cet article mais la question serait la même pour le vin, le lait, etc.), il n’y a pas photo : les contenants aluminium sortent nettement mieux du point de vue énergique.

Ajout de mai 2018 : une conclusion passionnante est également apportée par nos amis québécois, qui se sont posés la même question dans un pays où la consigne est bien développée (voici le rapport complet). Leur conclusion est évidente : les contenants verre consignés sont trois fois moins impactants que les contenants aluminium. 

L’autre point, du point de vue énergétique et du service rendu, j’obtiens une bière fraîche plus rapidement avec un bilan énergétique plus favorable. Que demander de plus ? La conclusion, sur toute la ligne, reste la même : lorsque j'ai le choix, le meilleur contenant du point de vue énergétique est la canette métallique.

 

Épilogue

J'ai mis beaucoup plus de temps que je l'avais imaginé à écrire cet article. Entre les premières questions à Manu et la publication, presque deux mois se sont écoulés.

Deux mois pendant lesquels j'ai pu méditer sur les conclusions à tirer et... consommer quelques bières. Et bien vous savez quoi ? J'ai un mal fou à ne plus acheter de bouteilles en verre. Je suis très frappé de ce comportement. Gravement atteint de "designite énergétique" à un stade aigu, on pourrait s'attendre à ce que je n'hésite plus une seconde après des conclusions aussi évidentes. Et bien non. Je freine des quatre fers. Résistance au changement, dit-on parfois...

En moi émergent d'autres questions pour justifier mon inaction : J'ai entendu dire que l'aluminium est toxique, non ? Et puis les bonnes bières ne se trouvent qu'en bouteille. Au final, cette résistance m’intéresse presque autant que la réponse rationnelle à la question énergétique.

En effet,  je retrouve dans cette lutte intérieure le même phénomène que l’on retrouve dans bien des sujets de design énergétique : pourquoi nous comportons-nous de la manière dont nous nous comportons même si cela apparait souvent irrationnel ? Sur ce je vous laisse, ma bière est maintenant fraiche, il ne faudrait pas qu’elle se réchauffe ! A votre santé !! PS : Après tout, si je ne consommais la bière qu'à la pression, la question ne se poserait pas (Ah bon ? Et le rafraîchissement du verre ? Et le chauffage du bar ?...)