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

Le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI[2]) est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité-masse de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée. Cette quantité est mesurée en laboratoire. Le PCI[2] s'exprime en Joules par kilogramme (J/kg)

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

La notion de PCI[2] est surtout utilisée en Europe, alors que les Etats Unis lui préfèrent celle de PCS[1].

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.

La chaîne énergétique commence par la source ou ressource, puis lénergie primaire, le vecteur énergetique et l'énergie secondaire, l'énergie finale, le consommateur.
Chaîne énergétique

Jean-Luc MENET Paternité - Pas d'Utilisation Commerciale - Partage des Conditions Initiales à l'Identique

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.

RÉCRÉATION - Energie, chasse au gaspiInformationsInformations[3]
#14 || Vidéo www.lesecohabitants.fr : Je choisi bien mon téléviseurInformationsInformations[4]
  1. PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur

  2. PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur

  3. https://www.youtube.com/watch?v=iSmWazXoWcg Creative Commons Zéro

  4. https://www.youtube.com/watch?v=S4Z_wgNHOnI Creative Commons Zéro

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