Généralités sur l'énergie
Objectif
On présente ici les principaux types d'énergie, ainsi que la problématique de la chaîne énergétique, qui sont nécessaires à l'appropriation de la notion de consommation énergétique.
Contexte
L'énergie utilisée pour les activités humaines provient de produits énergétiques (sources ou ressources énergétiques) comme le pétrole, le charbon ou l'uranium qui ne peuvent être utilisés directement.
Cela est vrai aussi pour les énergies renouvelables (énergie solaire photovoltaïque par exemple, ou énergie éolienne) : elles ne peuvent être utilisées directement et doivent subir une transformation avant utilisation sous forme d'énergie finale.
Formes d'énergie
Les sources et ressources énergétiques « contiennent » une énergie qui est qualifiée d'énergie primaire.
Définition :
L'énergie primaire correspond à l'état de l'énergie « au plus près » de la nature.
On distingue plusieurs formes d'énergie primaire :
L'énergie humaine et animale est une énergie mécanique de traction.
L'énergie mécanique des éléments naturels comprend l'énergie hydraulique (cours d'eau et chutes d'eau avec ou sans barrage), l'énergie éolienne, l'énergie marine (par exemple l'énergie marémotrice rendue célèbre en France par la centrale de la Rance).
L'énergie chimique peut être transformée en chaleur (combustion), ou en énergie cinétique (lors d'une explosion par exemple).
L'énergie nucléaire a pour l'instant une seule application : la fission nucléaire pour générer de la chaleur qui est ensuite transformée en électricité.
L'énergie solaire correspond au rayonnement de l'astre solaire ; ce rayonnement peut être transformé en chaleur (grâce notamment aux panneaux solaires thermiques) ou en électricité (cellules photovoltaïques par exemple).
L'énergie thermique terrestre est l'énergie contenue naturellement sous forme de chaleur dans les couches profondes de l'écorce terrestre.
Les sources d'énergie primaire peuvent être des énergies de stock (charbon, uranium, etc.) ou renouvelables (rayonnement solaire, vent, etc.).
Pouvoir caloforique
L'énergie « contenue » dans les ressources fossiles dépend du produit et est caractérisée par son Pouvoir Calorifique.
Remarque :
Le Pouvoir Calorifique est aussi appelé chaleur de combustion.
Définition :
La chaleur sensible est la quantité de chaleur qui est échangée entre plusieurs corps d'un système isolé, sans changement de phase physique. La chaleur latente est la quantité de chaleur qui est échangée du fait d'un changement d'état (changement de phase).
Il existe deux types de pouvoir calorifique :
- Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS[1]) est l'énergie thermique libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible. Cette énergie comprend la chaleur sensible, mais aussi la chaleur latente de vaporisation de l'eau, généralement produite par la combustion. Cette énergie peut être entièrement récupérée si la vapeur d'eau émise est ensuite condensée (comme dans les chaudières à condensation).
- Le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI[2]) est l'énergie thermique libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible sous forme de chaleur sensible, à l'exclusion de l'énergie de vaporisation (chaleur latente) de l'eau présente en fin de réaction.
Définition :
La connaissance PCI[2] est pratique lorsqu'il s'agit de comparer des combustibles entre eux. On peut aussi comparer des procédés de production de chaleur (chaudières) sur la base du PCI[2] du combustible utilisé.
Comparaison de quelques combustibles sur la base de leur pouvoir calorifique
Nom | PCS (MJ/kg) | PCI (MJ/kg) | PCS/PCI | PCI/PCS |
---|---|---|---|---|
Charbon1 | 34.1 | 33.3 | 1.024 | 0.977 |
CO | 10.9 | 10.9 | 1.000 | 1.000 |
Méthane | 55.5 | 50.1 | 1.108 | 0.903 |
Gaz naturel2 | 42.5 | 38.1 | 1.115 | 0.896 |
Propane | 48.9 | 45.8 | 1.068 | 0.937 |
Essence3 | 46.7 | 42.5 | 1.099 | 0.910 |
Diesel3 ou FOD | 45.9 | 43.0 | 1.067 | 0.937 |
Dihydrogène | 141.9 | 120.1 | 1.182 | 0.846 |
1. Anthracite, moyenne 2. En provenance de Groningue, Pays-Bas 3. Une moyenne des produits vendus au grand public |
La notion de pouvoir calorifique est applicable à tout matériau pouvant libérer de l'énergie sous forme de chaleur, même si la réaction libérant cette énergie n'est pas une réaction de combustion, en particulier, pour les matières radioactives utilisées pour la production de chaleur (« combustible » nucléaire). Dans ce cas, le PCI[2] et le PCS[1] désignent respectivement l'énergie thermique théoriquement récupérable avec des techniques classiques (chaudière conventionnelle, réaction de fission nucléaire à partir d'uranium enrichi) et avec des techniques avancées (chaudière à condensation, réaction de fission par neutrons rapide (surgénération).
Remarque :
Repères
Énergie finale
La notion d'énergie primaire est fondamentale, car c'est l'énergie réellement disponible, mais elle ne suffit pas à décrire les processus énergétiques en jeu. En effet, l'énergie primaire est rarement utilisée sous cette forme.
Le consommateur se soucie assez peu de l'énergie primaire ; il est essentiellement intéressé par l'énergie qu'il pourra réellement utiliser, sous une forme ou sous une autre pour sa consommation finale. On la qualifie d'énergie finale.
Définition :
L'énergie finale est l'énergie utilisée par l'utilisateur final.
Les formes d'énergie finale sont diverses :
l'énergie mécanique est utilisée pour l'industrie, l'agriculture, les transports, et divers usages domestiques ;
l'énergie thermique est utilisée dans l'industrie, les services, l'agriculture, pour le chauffage, etc. ;
l'énergie électrique est utilisée pour l'industrie et les services, l'éclairage, la réfrigération, divers équipements domestiques (dont le petit électroménager ...).
Remarque :
A l'échelle d'un pays, le bilan d'énergie finale regroupe toutes les énergies commercialisées (carburant de transport, électricité) mais aussi les énergies auto-consommées comme l'énergie solaire thermique.
Chaîne énergétique
Entre la source d'énergie et la ressource, les processus de transformation sont complexes et sources de pertes énergétiques ; c'est la chaîne énergétique.
Définition :
Un vecteur énergétique est un mode de stockage ou de transport de l'énergie avant consommation.
Exemple :
L'électricité, l'hydrogène (ou plus exactement le dihydrogène H2), l'air comprimé ou encore les réseaux de chaleur sont des vecteurs énergétiques.
L'énergie « produite » après transformation de l'énergie primaire est appelée énergie secondaire. Elle peut être ou non un vecteur énergétique. Elle est parfois identique à l'énergie finale (cas de l'électricité).
Exemple :
L'essence à la pompe ou l'électricité « à la prise » sont des formes d'énergie finale, alors que le gaz naturel est une forme d'énergie primaire. L'électricité est à la fois un vecteur énergétique, et une énergie finale.
Fondamental :
La notion d'impact environnemental en termes d'énergie est directement liée à l'énergie primaire utilisée, mais aussi à l'ensemble des transformations qui ont été opérées tout au long de la chaîne énergétique.
Consommation énergétique de l'électroménager
On propose ici deux visionner deux vidéos liées à la problématique de l'énergie dans les foyers.
Pour en savoir plus
http://www.manicore.com/documentation/energie.html
http://fr.wikipedia.org/wiki/Ressources_et_consommation_%C3%A9nerg%C3%A9tiques_mondiales
http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_en_France
http://www.manicore.com/documentation/energie.html
Dunod, Demain, l'énergie Moteur de l'humanité, Christian Ngô
Dunod Les enjeux de l'énergie, Après Fukushima, Estelle Iacona, Jean Taine, Bernard Tamain
CEA, mémento sur l'énergie (édition 2013)