Notions à connaître lorsque l’on parle d’énergie

L’ESSENTIEL

Avant d’aborder concrètement les sources d’énergies renouvelables, il est indispensables de voir ou revoir quelques principes généraux et définitions.

Qu’est-ce que l’énergie ?

L’énergie désigne  « la capacité à effectuer des transformations ». Par exemple, l’énergie c’est ce qui permet de fournir du travail, de produire un mouvement, de modifier la température ou de changer l’état de la matière. 

Toutes les formes d’énergie n’ont pas la même « valeur ». Dans les machines, on distingue classiquement l’énergie mécanique, ou travail, de l’énergie thermique, ou chaleur. La première est beaucoup plus utile que la seconde. C’est elle qui permet de déplacer les objets ou de les déformer. 
De son côté, la chaleur a tendance à se diluer dans la matière et seule une petite partie peut être transformée en énergie mécanique. C’est ce qui fait qu’une centrale électrique n’arrive à transformer qu’un tiers de la chaleur de son feu de charbon ou de ses fissions nucléaires en électricité, le reste étant inutilisable et rejeté à l’extérieur (source CEA).

On ne « crée » pas de l’énergie, on la capte !

L’énergie se conserve. La quantité totale d’énergie dans un système donné ne change pas, on ne peut donc ni la créer, ni la détruire. L’énergie est transmise d’un élément vers un autre, souvent sous une forme différente. 

Un exemple : quand on chauffe de l’eau, différentes transformations d’énergie ont lieu. En brûlant dans l’air, le bois libère son énergie chimique. Cette énergie se transforme en chaleur, l’énergie thermique, et en lumière, l’énergie de rayonnement. Lors de cette réaction, la quantité d’énergie totale ne change pas, elle change simplement de forme (ibid).

L’énergie est issue de différentes sources d’énergie qui peuvent être classifiées en deux groupes : les énergies non renouvelables, dont les sources ont des stocks sur Terre limités et les énergies renouvelables qui dépendent d’éléments que la nature renouvelle en permanence (ibid). 

Dans la plupart des cas, un convertisseur (une machinerie) est nécessaire pour disposer ensuite de cette quantité d’énergie (sauf dans le cas où vous utiliser simplement la chaleur d’un feu pour directement vous réchauffer !). Les panneaux solaires, les éoliennes, comme une centrale à charbon sont des machineries de conversion énergétique.

Les énergies non renouvelables

Elles sont de deux types : les énergies fossiles (charbon, gaz et pétrole) et l’énergie nucléaire.

En effet, « L’énergie nucléaire est « localisée » dans le noyau des atomes. Dans les centrales nucléaires actuelles, on utilise la fission (cassure) des noyaux d’uranium, élément que l’on retrouve sur Terre dans les mines. Les mines d’uranium s’épuiseront un jour tout comme le charbon, le gaz et le pétrole. Au rythme de l’utilisation des ressources actuellement exploitées, on estime les réserves de pétrole à 40 ans, de gaz naturel conventionnel à 60 ans et de charbon à 120 ans. Les réserves d’uranium, combustible de l’énergie nucléaire, à 100 ans avec les réacteurs actuels » (source CEA).

Les sources d’énergies renouvelables

Le soleil, le vent, l’eau, la biomasse et la géothermie sont des sources qui ne s’épuisent pas et sont renouvelées en permanence.

La biomasse et la géothermie sont deux sources d’énergies bien distinctes.

La géothermie est l’énergie générée par la chaleur des profondeurs de la Terre et sa radioactivité. Le mot « géothermie » vient du grec « geo » (la terre) et « thermos » (la chaleur). On l’exploite pour chauffer des habitations grâce à des forages légers. 

La biomasse a, quant à elle, pour source le Soleil dont l’énergie de rayonnement est transformée en énergie chimique par les matières organiques d’origine végétale (bois), animale, bactérienne ou fongique (champignons). Il existe des centrales « biomasse » qui produisent de l’électricité avec la combustion de matières organiques. 

Parmi toutes ces sources d’énergie, on distingue les énergies primaires des énergies secondaires. Ce à quoi il faudra rajouter la notion d’énergie finale.

L’énergie primaire

Une énergie primaire est une énergie brute n’ayant pas subi de transformation, dont la source se trouve à l’état pur dans l’environnement. Le vent, le Soleil, l’eau, la biomasse, la géothermie, le pétrole, le charbon, le gaz ou l’uranium sont des sources d’énergies primaires.

L’énergie secondaire

On appelle « énergie secondaire » une énergie qui est obtenue par la transformation d’une énergie primaire. 

Par exemple, l’électricité est une énergie secondaire qu’on obtient à partir de plusieurs énergies primaires : l’énergie solaire avec des panneaux, l’énergie nucléaire avec des réacteurs, l’énergie hydraulique avec des barrages ou encore l’énergie du vent avec des éoliennes. Il n’existe pas d’électricité à l’état naturel.

L’essence, le gasoil et les biocarburants sont également des énergies secondaires ; on les obtient par la transformation du pétrole, qui lui, est brut ou de la biomasse. L’hydrogène, qui n’existe pas à l’état pur, (sauf pour l’hydrogène blanc, NDLR) est également une énergie chimique secondaire car il faut le produire.

Cette transformation d’une énergie en une autre se fait toujours — c’est une loi fondamentale de la physique — avec une perte d’énergie, si bien que la transformation d’une énergie primaire en énergie secondaire «  consomme de l’énergie primaire ».

L’énergie finale

L’énergie dite « finale » est celle qui est utilisée à la satisfaction des besoins des usagers. La satisfaction des besoins peut être directe, si l’énergie est consommée par un être humain au cours d’un usage domestique (se chauffer, travailler sur son ordinateur, se déplacer en voiture), ou indirecte si elle est utilisée dans la production de biens ou de services destinés à la consommation humaine.

Là encore, le transport de l’énergie secondaire produite, et les éventuelles phases de stockage, vont occasionner de nouvelles pertes.

La consommation finale, c’est donc l’énergie primaire, moins les pertes pour disposer de l’énergie secondaire, moins encore les pertes (transport, stockage et restitution…) pour disposer de l’énergie finale, à consommer ! Sauf si bien sûr, on utilise directement de l’énergie primaire pour faire chauffer un four dans une industrie ou dans un logement. Dans ce cas, il n’y a pas de machines de conversion, et il n’y a que le transport du combustible (charbon, bois…).

Nous y reviendrons avec les questions de rendement, d’efficacité énergétique, des celle des facteurs de charge. Mais avant cela, il nous faut faire quelques précisions supplémentaires sur la mesure de l’énergie.

La mesure de l’énergie : ne pas confondre Energie et puissance

On mesure l’énergie à l’aide d’une unité particulière nommée le joule. Son nom vient du physicien anglais James Prescott Joule. Un joule représente par exemple l’énergie requise pour élever une pomme de 100 grammes d’un mètre ou encore l’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme (un litre) d’air sec de un degré Celsius.

Dans le domaine de la nutrition, c’est la kilocalorie qui est utilisée. 1 kilocalorie équivaut à 4,2 kilojoules. Pour évaluer l’énergie utilisée sur une année, on utilise généralement la tonne équivalent pétrole, tep.
1 tep est égale à 41 868 000 000 joules. 

La puissance correspond, quant à elle, à la vitesse à laquelle l’énergie est délivrée. Elle se mesure en watt, ce qui correspond à un joule par seconde. 

Par exemple, si pour faire bouillir un litre d’eau, on utilise d’un côté une flamme d’un gros feu de bois et de l’autre, la flamme d’une bougie : dans les deux cas, la même quantité d’énergie sera utilisée pour faire bouillir l’eau. Seulement, ce sera fait plus rapidement avec un feu qu’avec une bougie. L’énergie est dégagée plus rapidement avec le feu de bois qu’avec la flamme de la bougie. Le feu de bois est donc plus puissant que la flamme de la bougie. 

Pour calculer l’énergie consommée, nous allons calculer en « Wh » (watts par heure). Pour prendre un exemple concret : votre lave linge, pour fonctionner, a besoin d’une puissance de 1000 à 2500 watts selon les modèles. Disons que vous avez pris un lave linge économe et qu’il fait 1000 W. S’il fonctionne durant 10 heures, il aura consommé 10 heures x1000 W soit 10 000 Wh, soit 10 kWh en énergie.

Autre exemple, à la phase de production, lorsqu’une éolienne de 1000 W (1 MW) fonctionne durant 10 heures (à plein régime), elle va fournir une énergie de 10 000 Wh, soit les 10 KWh du lave linge !

La question des rendements

Le rendement est le ratio entre l’énergie secondaire produite et l’énergie primaire utilisée de l’unité de transformation d’énergie.

Autrement dit, le rendement en matière d’énergie est un concept qui mesure l’efficacité avec laquelle une certaine quantité d’énergie est convertie d’une forme à une autre, ou utilisée pour effectuer un travail spécifique. En termes simples, il s’agit du rapport entre l’énergie utile obtenue et l’énergie initialement fournie (source). Mais attention, le concept d’efficacité énergétique est différent (voir paragraphe suivant).

Par exemple, le rendement d’une centrale électrique qui fabrique de l’électricité en brûlant du gaz et du charbon est de 30 à 50%. (source).

Il faut noter dès à présent que les rendements des convertisseurs d’énergie renouvelables sont bien meilleurs que ceux des énergies fossiles et nucléaires. Ainsi, l’efficacité énergétique d’un moteur thermique est d’environ 13% alors que pour un moteur électrique, l’efficacité est de 73%. 

L’efficacité énergétique

L’efficacité énergétique est un concept plus large qui se réfère à l’utilisation optimale de l’énergie pour réaliser une tâche ou une fonction. Elle englobe non seulement le rendement énergétique, mais aussi la manière dont l’énergie est utilisée pour minimiser le gaspillage et maximiser l’efficacité dans les processus ou les équipements.

Par exemple, l’efficacité énergétique pourrait inclure l’utilisation de matériaux isolants pour réduire les pertes de chaleur dans un bâtiment ou l’utilisation de technologies qui consomment moins d’énergie pour produire le même résultat (comme des ampoules LED par rapport à des ampoules incandescentes).

Le facteur de charge électrique

Le facteur de charge électrique est une mesure de l’efficacité d’une installation de production d’énergie électrique, exprimée en pourcentage. C’est le ratio entre l’énergie qu’elle produit sur une période donnée et l’énergie qu’elle aurait produite durant cette période si elle avait constamment fonctionné à puissance nominale – c’est-à-dire la puissance la plus élevée qu’une unité de production peut délivrer : à pleine capacité et en continu (source).

Ainsi, le facteur de charge varie d’une unité de production à une autre, notamment en fonction de sa localisation (ex : ensoleillement de la zone pour les panneaux solaires, vitesse du vent pour les éoliennes), de la source d’énergie (ex : intermittente ou non), du niveau d’utilisation de l’unité de production (ex : arrêt forcé ou production limitée si la demande d’électricité est trop faible ou en cas de maintenance).

La question de l’intermittence

Elle revient systématiquement dans les polémiques au sujet des énergies renouvelables. Mais elle est souvent mal comprise.

Selon Claudio Rumolino (Energéticien et géographe, chargé de mission éolien participatif) « Lorsque l’on évoque « l’intermittence » il faut savoir que cette dernière ne doit pas être confondue avec la variabilité (ou fluctuation) d’une production d’énergie. La nuance est importante.
Ainsi, est intermittent un convecteur électrique, lequel passe des dizaines de fois par jour des positions « marche » à « arrêt » : c’est tout ou rien ; de 1 ou 2 kW à zéro, sans transition. Il y en a en France autant que dans le reste de l’Europe (25 millions ?).
Non seulement EDF s’en accommode, mais en est depuis des décennies un grand promoteur. Est intermittente également une centrale de production
« en base » qui tombe en panne et prive le réseau, d’un seul coup, d’une puissance de plusieurs centaines de MW, de manière parfaitement imprévisible. Nos réacteurs nucléaires en sont un très bon exemple.

Pour ce qui concerne particulièrement la fluctuation de la production des éoliennes, il faut souligner qu’elle est (presque) parfaitement prévisible mais qu’en plus, le vent ne s’arrête jamais complètement, de sorte que la puissance d’une machine parmi les plus courantes oscillera, en période de vent – c’est-à-dire 80 % du temps, prévu plusieurs jours à l’avance -, entre 50 et 2000 kW, mais très fréquemment stabilisée à sa puissance maxi, dès que le vent souffle à une quarantaine de km/h à hauteur de moyeu (à 70 m du sol au minimum).
Les prévisions de la production fluctuante permettent ainsi une programmation avec faibles marges d’erreur et, par conséquent, une planification aisée de la production d’appoint. Notons que celle-ci n’est pas obligatoirement issue de ressources fossiles ou fissiles. Les appoints peuvent exploiter, pour commencer, des énergies renouvelables stockables ; ou bien la transformation par divers moyens des excédents de production électrique renouvelable (la nuit ou l’été) : stations de transfert d’énergie par pompage-turbinage, production par électrolyse de méthane ou d’hydrogène stockables dans les réseaux de gaz naturel existants, etc. » (source).

Remarque supplémentaire : Bien souvent, lorsque l’on consulte les sources documentaires disponibles pour comprendre la consommation énergétique d’un pays, on ne trouve que les notions de « consommation d’énergie primaire » et de la « consommation finale » (voir le bilan énergétique de la France, ici) . Or, c’est une simplification problématique, notamment pour comparer les rendements des différents types de machines de conversion.

Pour rédiger cette fiche, nous avons notamment utilisé le site du CEA et les articles de « connaissance des énergies » et vous retrouverez toutes les informations sur les liens : https://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/essentiel-sur-energies.aspx ; https://www.connaissancedesenergies.org/