Notions

Avant d’aborder concrètement les sources d’énergies renouvelables, il est indispensable de revoir quelques principes fondamentaux. Qu’est-ce que l’énergie, comment la mesurer, comment la transformer, quelles sont les notions de base comme le rendement, l’efficacité énergétique ou encore les facteurs de charge ? Rien de ce qui suit n’est très compliqué, mais tout est crucial pour comprendre le fonctionnement réel des systèmes énergétiques et éviter les idées reçues qui polluent le débat public.

L’énergie désigne la capacité à effectuer des transformations : produire un mouvement, élever une masse, chauffer une matière, modifier un état physique ou chimique.

Toutes les formes d’énergie n’ont pas la même « qualité » (on parle en physique d’exergie). L’énergie mécanique ou électrique est de très haute qualité car presque entièrement convertible en travail, tandis que la chaleur est une énergie dite « de basse exergie », difficile à transformer efficacement. C’est ce qui explique qu’une centrale thermique, qu’elle brûle du charbon, du gaz ou qu’elle utilise la fission nucléaire, ne parvient à convertir en électricité qu’une fraction de la chaleur qu’elle produit : en général autour de 30 à 33 % pour le nucléaire, 35 à 40 % pour une centrale charbon classique et jusqu’à 45 à 60 % pour les centrales gaz les plus performantes en cycle combiné. Le reste de l’énergie n’est pas détruit — l’énergie totale se conserve — mais elle perd son exergie, sa capacité à être utilisée pour d’autres transformations.

On ne crée donc jamais d’énergie : on la capte, on la transforme, on la transporte.

L’énergie totale d’un système se conserve, mais son utilité diminue souvent au cours des conversions. Lorsqu’on chauffe de l’eau avec du bois, par exemple, l’énergie chimique contenue dans le bois est libérée sous forme de chaleur et de lumière ; l’énergie totale ne change pas, mais seule une partie peut réellement être utilisée pour élever la température de l’eau. Le reste est dispersé dans l’environnement, perdant son exergie. Les sources d’énergie se divisent en deux grandes catégories : les énergies non renouvelables, dont les stocks terrestres sont limités (charbon, gaz, pétrole, uranium), et les énergies renouvelables, produites en continu à partir du Soleil, du vent, de l’eau, de la biomasse ou de la chaleur interne de la Terre. La plupart exige une machinerie de conversion : panneaux solaires, éoliennes, barrages, turbines, chaudières, etc.

Les énergies non renouvelables regroupent les combustibles fossiles et l’énergie nucléaire.

L’énergie nucléaire repose sur l’énergie contenue dans le noyau des atomes, en particulier l’uranium, extrait de mines qui s’épuiseront comme toute ressource minérale. Au rythme actuel d’utilisation, les réserves de pétrole conventionnel sont estimées à quelques décennies, celles de gaz naturel à plusieurs dizaines d’années, celles de charbon à un peu plus d’un siècle et celles d’uranium autour d’un siècle pour les réacteurs actuels (source : CEA). Bien sûr, ces chiffres évoluent selon les scénarios, la géopolitique, les découvertes et les technologies, mais le principe reste inchangé : ce sont des ressources finies, que la Terre ne renouvelle pas.

Les sources d’énergie renouvelable, quant à elles, proviennent du Soleil (rayonnement direct, vent, cycle de l’eau, biomasse) ou de la chaleur interne de la Terre (géothermie). Elles sont dites renouvelables car elles sont réapprovisionnées continuellement, mais cela ne signifie pas qu’elles sont infinies : la biomasse, par exemple, dépend de la capacité des écosystèmes à se régénérer ; l’hydroélectricité dépend des cycles hydrologiques ; la géothermie varie fortement selon la géologie locale. Il faut donc manier ce concept avec prudence.

La géothermie mérite une précision : il en existe plusieurs niveaux. La géothermie très basse énergie repose sur des boucles enterrées à faible profondeur, utilisant la température du sol pour chauffer ou rafraîchir. La géothermie de basse ou moyenne température exploite des nappes aquifères profondes. Enfin, la géothermie profonde (EGS) mobilise la chaleur des roches fracturées, à de grandes profondeurs. À l’inverse, la biomasse puise son énergie dans la photosynthèse, stockée dans les matières organiques d’origine végétale, animale, bactérienne ou fongique.

On distingue ensuite l’énergie primaire, l’énergie secondaire et l’énergie finale.

L’énergie primaire est celle qui existe telle quelle dans l’environnement : vent, Soleil, eau, biomasse, uranium, pétrole, gaz. L’énergie secondaire est celle obtenue après transformation : électricité, carburants raffinés, hydrogène produit par électrolyse (l’hydrogène n’est pas une source, mais un vecteur énergétique, sauf cas très particuliers d’hydrogène naturel). Toute transformation entraîne une perte d’énergie utile, conformément aux lois de la thermodynamique. Enfin, l’énergie finale est celle effectivement disponible pour l’usager : la chaleur pour se chauffer, l’électricité pour un appareil, l’essence pour une voiture, ou encore l’électricité mobilisée pour produire un bien industriel.

Le transport et le stockage ajoutent des pertes supplémentaires. Ainsi, la consommation finale correspond à l’énergie primaire, diminuée des pertes de conversion et des pertes de transport. Dans certains cas, il n’y a pas de conversion : brûler directement du bois dans un poêle pour se chauffer utilise une énergie primaire devenue directement énergie finale.

Pour comprendre tout cela, il faut clarifier la mesure de l’énergie et celle de la puissance.

L’énergie se mesure en joules (J), mais, dans la vie courante, on utilise surtout le kilowattheure (kWh). La puissance, elle, mesure la vitesse à laquelle l’énergie est fournie : elle se mesure en watts (W), un watt correspondant à un joule par seconde. Faire bouillir un litre d’eau avec une bougie ou avec un feu de bois nécessite la même quantité d’énergie, mais pas la même puissance : le feu de bois est plus puissant, il fournit la même énergie en moins de temps. L’énergie consommée par un appareil se calcule en multipliant sa puissance par sa durée d’utilisation. Un lave-linge de 1000 W consommant pendant 10 heures utilisera 10 kWh.

Attention à ne pas confondre puissance et énergie dans les exemples techniques. Une éolienne de 1 MW (un mégawatt = un million de watts) fonctionnant 10 heures à pleine puissance fournit 10 MWh. Une éolienne de 1000 W, en revanche, ne produit que 1 kW, soit mille fois moins. Cette distinction est essentielle pour éviter les confusions très fréquentes dans les débats publics.

La question des rendements intervient ensuite. Le rendement est le ratio entre l’énergie utile obtenue et l’énergie primaire initiale utilisée.

Les centrales thermiques ont un rendement entre 30 et 60 % selon les technologies. Les moteurs à combustion interne des voitures ont un rendement particulièrement faible, autour de 20 à 30 % (pas 13 %, sauf cas rares), tandis que les moteurs électriques atteignent 90 à 95 %. Attention cependant : comparer les rendements des énergies renouvelables avec ceux des énergies fossiles n’a pas grand sens, car les renouvelables ne transforment pas une énergie « stockée dans un combustible », mais une énergie déjà disponible dans l’environnement. Leur « rendement » est donc défini autrement et n’a pas le même statut thermodynamique.

L’efficacité énergétique, elle, dépasse le cadre du rendement : elle consiste à minimiser les pertes et à optimiser l’usage.

Un moteur électrique est très efficace, mais une maison bien isolée l’est tout autant : elle évite de gaspiller la chaleur. Une ampoule LED est plus efficace qu’une ampoule à incandescence car elle convertit presque toute l’énergie électrique en lumière utile. L’efficacité énergétique est donc un enjeu transversal.

La notion de facteur de charge est également importante pour les énergies électriques.

Il s’agit du ratio entre l’énergie réellement produite sur une période et l’énergie qu’aurait produite une installation si elle avait fonctionné en continu à pleine puissance. Le facteur de charge varie selon les sources : en France, environ 25 % pour l’éolien terrestre, 15 % pour le solaire, 40 % pour l’hydraulique, et jusqu’à 70–80 % pour le nucléaire. Cela ne correspond pas à la fiabilité ou à la qualité technologique, mais à la disponibilité de la ressource (vent, Soleil) ou à la nature de la machine.

La question de « l’intermittence » revient souvent dans les polémiques sur les énergies renouvelables, mais elle est très mal comprise.

Il faut distinguer l’intermittence, qui est un passage brutal du tout au rien (comme un convecteur qui s’allume ou s’éteint), de la variabilité, qui est une fluctuation graduelle. Une éolienne ne s’arrête jamais complètement de produire dès lors que le vent souffle, et ses variations sont prévisibles plusieurs jours à l’avance. À l’inverse, un réacteur nucléaire peut s’arrêter en quelques secondes à cause d’un incident, retirant d’un coup 900 MW au réseau. L’intermittence n’est donc pas une propriété propre aux renouvelables. Elle nécessite simplement une organisation différente du système énergétique : stockage, pilotage de la demande, hydroélectricité, méthanation, hydrogène, réseaux intelligents, etc.

Enfin, il faut noter une simplification fréquente dans les bilans énergétiques : la distinction entre « consommation d’énergie primaire » et « consommation finale » ne suffit pas à saisir la diversité des rendements et des modes de conversion.

Les bilans officiels (comme celui de la France disponible auprès du ministère de la Transition) reposent sur une convention — par exemple, l’électricité nucléaire est surévaluée en énergie primaire du fait des pertes thermiques — ce qui rend les comparaisons délicates. C’est pourquoi, pour rédiger cette fiche, nous avons consulté les sources techniques du CEA et les articles pédagogiques de « Connaissance des Énergies », disponibles ici : https://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/essentiel-sur-energies.aspx et https://www.connaissancedesenergies.org/.