Énergie : sources et formes

Le terme « énergie » recouvre des réalités diverses et désigne une capacité à agir, quels qu’en soient les modes : mettre en mouvement, chauffer, comprimer, éclairer, sonoriser, transmettre une information, etc.

L'énergie en physique

En physique, l'énergie est définie comme la capacité d’un système à produire un travail, transférer de la chaleur ou provoquer un changement d’état ou de mouvement. 

Cette notion repose sur plusieurs formes distinctes d’énergie, parmi lesquelles l’énergie cinétique, liée au mouvement d’un objet, et l’énergie potentielle, associée à sa position dans un champ de force, comme celui de la gravité. L'énergie est une grandeur mesurable exprimée en joules (J) dans le système international d’unités (SI) et respecte le principe fondamental de conservation : dans un système fermé, la quantité totale d’énergie reste constante, bien qu’elle puisse se transformer d’une forme à une autre.

La physique classique différencie l’énergie mécanique de l’énergie thermique, électrique ou nucléaire, chacune obéissant à des lois spécifiques de conservation et de transformation. Par exemple, l’énergie thermique, qui consiste en une agitation de particules au niveau microscopique, peut être convertie en énergie mécanique dans les moteurs thermiques. De même, l’énergie chimique contenue dans les liaisons moléculaires peut être libérée sous forme de chaleur ou de travail lors des réactions chimiques.

Ces transformations d’énergie sont au cœur des processus naturels et des technologies humaines, illustrant comment la compréhension physique de l’énergie est essentielle pour exploiter et optimiser les ressources énergétiques dans divers domaines scientifiques et industriels.

Outre les formes énoncées, en prenant en compte en particulier les énergies constitutives de la matière, d’autres formes apparaissent. La somme de toutes ces énergies peut être appelée énergie globale ou potentielle. C’est cette énergie globale à laquelle il est fait référence dans la fameuse équation d’Einstein : E = mc² énoncée dans un cadre relativiste (m désignant la masse du système, c la vitesse de la lumière et E l’énergie globale du système).

Ainsi, de manière paradoxale un système isolé ne contenant qu’un kilogramme de plumes aura donc la même énergie globale qu’un même système isolé contenant un kilogramme d’uranium 235. Cependant, les technologies disponibles permettent d’extraire de l’uranium 235 une fraction d’énergie libre bien supérieure à ce qu’il est possible d’obtenir à partir des plumes.

L'énergie et l'Homme

Dans le langage courant, le terme est employé en substitution d’« énergie utilisable par l’Homme », aussi appelée « énergie libre ». Ainsi quand il est fait référence à la consommation d’énergie, il faut comprendre consommation d’énergie utilisable par l’Homme ou encore consommation d’énergie libre.

Cette précision est d’autant plus importante que le monde scientifique a démontré que dans un système isolé (comme peut l’être notre univers), l’énergie totale est toujours conservée - c'est d'ailleurs le premier principe de la thermodynamique ; ce qui exclut toute consommation ou déperdition d’énergie. A contrario, l’énergie utilisable par l’Homme, qui constitue une sous-partie de l’énergie totale, peut effectivement être consommée, et faire l'objet de déperditions.

L’histoire de l’Homme a été substantiellement marquée par l’évolution des sources d’énergie libre qu’il a su ou pu utiliser. Jusqu’à il y a environ 500 000 ans, la seule énergie libre à la disposition de l’Homme était sa propre énergie. En maîtrisant le feu pour chauffer, cuire, éclairer ou travailler les métaux, il a franchi la première marche de son apprentissage énergétique. Sont venues ensuite l’utilisation des énergies animale domestiquée, éolienne, hydraulique, thermique à cycles, chimique, électrique, nucléaire, solaire, etc.

Chacune de ces étapes a été l’occasion d’une évolution le plus souvent majeure des structures des sociétés humaines.

L’énergie utilisable par l’Homme se présente en de multiples formes. Nonobstant cette diversité, les scientifiques ont réussi à établir des équivalences afin de pouvoir utiliser les mêmes unités de mesure pour chacune d’elles.

Dans la liste qui suivra, il sera fait référence à des formes qui peuvent sous certaines conditions être transposées en d’autres. Par exemple, l’énergie nucléaire peut être transformée en énergie électrique. Dans ces transformations, il y a globalement une dégradation de l’énergie passant d’un stade plus ou moins noble et structuré (énergie chimique, énergie de radiation, etc.) vers un stade final de chaleur, c'est-à-dire de mise en mouvement désordonné de molécules. Ces transformations partiellement irréversibles obéissent entre autres au deuxième principe de la thermodynamique.

L’énergie de gravitation

L'énergie de gravitation naît de l’attraction directe et réciproque entre deux corps massifs. Elle est négligeable pour de petits objets entre eux mais devient majeure à une plus grande échelle.

C’est elle qui met en mouvement vers le sol un objet rendu libre ou qui génère le mouvement des planètes autour du Soleil. Elle est utilisée par exemple dans des barrages hydrauliques où, en faisant s’écouler de l’eau dans des canalisations, elle permet de mettre en mouvement des turbines.

L’énergie cinétique

L'énergie cinétique naît du mouvement d’un corps massif. Elle caractérise par exemple l’énergie d’une voiture lancée sur la route ou celle du vent.

Elle est omniprésente dans ses effets microscopiques, car ce sont les énergies cinétiques des molécules et atomes d’un corps qui déterminent son niveau de température. La température est ainsi une mesure indirecte du degré d’agitation des particules. L’énergie cinétique permet de mettre en mouvement les pales des éoliennes qui elles-mêmes actionnent des générateurs d’électricité.

L’énergie thermique ou calorique

L'énergie thermique naît de la température d’un corps qui, selon les cas, peut diffuser de la chaleur pour des cuissons, pour accélérer des réactions chimiques mais aussi pour générer des mouvements. Cette génération de mouvement n’est possible que si la température d’un corps peut être confrontée à la température d’un corps plus froid.

L’énergie thermique a eu un rôle essentiel dans la révolution industrielle permettant notamment la production d’acier et la mise en mouvement les locomotives à vapeur. Elle actionne aujourd’hui les turbines et alternateurs générant de l’électricité.

La géothermie, chaleur provenant du globe terrestre, est un cas particulier de l‘énergie thermique.

L’énergie radiative

L'énergie radiative naît des rayonnements reçus, qui suivant leur longueur d’onde, sont de natures différentes (ondes radio, lumière visible, rayons Ultra-Violets, rayons X, etc.) mais ont en commun de pouvoir se déplacer même dans le vide, à la vitesse de la lumière.

C’est l’énergie radiative qui permet à une ampoule électrique d’éclairer, à un four à micro-ondes de cuire les aliments, à un radar de mesurer une vitesse.

Le Soleil est une source importante de radiation reçue sur Terre. Il nous envoie un niveau important d’énergie par petits paquets dits photons, présentant des longueurs d’ondes différentes. C’est cette énergie qui est récupérée directement en électricité dans les centrales photovoltaïques, ou encore en chaleur, qui peut ultérieurement être transformée en électricité dans les centrales thermodynamiques.

L’énergie chimique

L'énergie chimique naît des forces de liaison regroupant des atomes dans une molécule. Dans des réactions chimiques où se reconstituent de nouvelles molécules fréquemment plus stables chimiquement que les molécules initiales, se dégage une quantité de chaleur. C’est elle qui est utilisée dans un accumulateur ou une pile électrique en libérant de l’énergie récupérée en mouvement d’électrons, c'est-à-dire en électricité.

C’est elle qui est libérée dans la combustion d’une bûche par exemple dans un foyer. Les énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon) sont une forme particulière d’énergie chimique. L’énergie issue de la biomasse est également d’origine chimique.

L’énergie nucléaire

L'énergie nucléaire naît de l’utilisation des forces de liaison des protons et des neutrons au sein du noyau des atomes. En transformant par fission des atomes lourds tels que l’uranium 235 ou par fusion des atomes légers tels que les isotopes d’hydrogène, une réaction nucléaire libère de la chaleur, des neutrons, des rayons alpha, beta, gamma… La chaleur de fission est utilisée dans les centrales nucléaires pour actionner les générateurs d’électricité au travers de fluides caloporteurs.

L'électricité

L'électricité naît du déplacement des électrons dans un conducteur. Sa production est issue de la consommation d’autres formes d’énergie.

C’est elle qui actionne les moteurs électriques, fait fonctionner les circuits électroniques intégrés et les différents types d’éclairage.

Elle se caractérise par une grande facilité de distribution mais présente une difficulté de stockage. Ses usages ne cessent de croître.

Les grands principes de l’énergie

Deux concepts essentiels sont à mémoriser sur la conservation et la conversion de l'énergie.

Selon le principe de conservation de l’énergie (ou premier principe de la thermodynamique), l’énergie totale d’un système isolé reste constante. Cette énergie peut changer de forme (transformation de chaleur à haute température en énergie cinétique puis électrique, avec rejet de chaleur à basse température) et être échangée entre sous-systèmes, mais sa quantité demeure constante pour un système isolé. C’est une variante du principe universel énoncé par Lavoisier selon lequel « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ».

La transformation d’une forme d’énergie en une « seule » autre n’est jamais intégrale : les déperditions qui ont lieu au cours de cette conversion prennent souvent la forme de chaleur. Cette chaleur, dont l’existence est nécessaire pour que soit vérifié le premier principe de la thermodynamique, est souvent qualifiée de « fatale » car elle est rarement valorisée (utilisée). Les rendements de conversion varient selon les formes d’énergie en jeu et les systèmes utilisés pour la conversion.

Ainsi, le rendement des machines thermiques, qui ont pour vocation de transformer de l’énergie thermique en énergie cinétique (de chaleur en travail), est limité par ce second principe de la thermodynamique énoncé par Nicolas Sadi Carnot au XIX^e siècle.

Cette dégradation de la « qualité » d'énergie lors d’une transformation traduit l’augmentation inévitable d’un paramètre, l’entropie. 

Défini comme le rapport de la différence de température entre source chaude et source froide, le rendement est d’autant plus élevé que la source de chaleur est à une température élevée (ex. : chaudière d’une centrale thermique à charbon, à gaz, nucléaire…) et que la température de la chaleur rejetée est basse (ex. : la température de refroidissement offerte par l’atmosphère ou les cours d’eau).

Voici une liste des principales sources d’énergie composant le mix énergétique mondial. Chacune présente des avantages et des inconvénients spécifiques en matière de coût, d'impact environnemental et de potentiel d’exploitation.

Énergie solaire

L’énergie solaire provient de la conversion du rayonnement solaire en électricité ou en chaleur. Elle est exploitée par des panneaux photovoltaïques qui transforment directement la lumière en électricité, ou par des centrales solaires thermiques pour la chaleur.

Énergie éolienne

L’énergie éolienne exploite la force du vent pour faire tourner les pales d’éoliennes, produisant ainsi de l’électricité via un générateur. Installées sur terre ou en mer, les éoliennes représentent une solution renouvelable qui peut être très performante dans les zones venteuses. Cependant, leur production est intermittente et dépendante des conditions météorologiques.

Énergie hydraulique

Produite par le mouvement de l’eau, l’énergie hydraulique est captée principalement par des barrages qui contrôlent le débit pour produire de l’électricité en continu.

L'hydroélectricité une des sources d’énergie renouvelable les plus stables et massives, mais elle nécessite des infrastructures importantes et peut avoir des impacts environnementaux sur les écosystèmes fluviaux.

Énergie géothermique

La géothermie puise la chaleur du sous-sol de la Terre pour chauffer des bâtiments ou produire de l’électricité. Selon la profondeur, cette source d’énergie peut offrir une chaleur modérée ou très intense.

Elle est peu dépendante des conditions climatiques et génère très peu d’émissions, mais son utilisation est limitée aux zones géologiquement adaptées.

Biomasse

La biomasse est obtenue en brûlant des matériaux organiques, comme le bois, les résidus agricoles, et les déchets verts, et peut être convertie en électricité, en biogaz et en biocarburants.

Bien qu’elle soit renouvelable, son bilan carbone dépend de la gestion des ressources et du cycle de replantation.

Pétrole

Principal carburant fossile mondial, le pétrole est extrait puis raffiné pour produire de l’essence, du diesel et des produits chimiques.

Son utilisation sont essentielles pour de nombreux secteurs, en particulier le transport et la pétrochimie, mais entraînent une forte émission de CO₂ contribuant au changement climatique et de la pollution atmosphérique. Sa finitude et ses impacts environnementaux poussent à la recherche d’alternatives énergétiques durables.

Charbon

Le charbon, source d’énergie fossile utilisée depuis des siècles, est majoritairement employé dans les centrales à charbon pour produire de l’électricité.

Bien qu’abondant et économique, il est aussi la source d’émissions de CO₂ la plus importante parmi les fossiles, et son extraction cause des dommages environnementaux significatifs. Les efforts pour réduire son utilisation se multiplient.

Gaz naturel

Le gaz naturel est un hydrocarbure moins polluant que le pétrole et le charbon, principalement utilisé pour le chauffage, l’électricité, et comme carburant.

Grâce à sa combustion plus propre, il est parfois considéré comme une "énergie de transition". Cependant, son extraction peut provoquer des émissions de méthane, un puissant gaz à effet de serre.

Tourbe

Utilisée surtout dans certaines régions pour le chauffage, la tourbe est un combustible fossile formé par la décomposition partielle de matière organique dans les marécages.

Bien qu'elle soit moins exploitée aujourd’hui, elle est considérée comme une source de carbone, émettant des gaz à effet de serre lors de sa combustion.

Fission nucléaire

La fission nucléaire génère de l’énergie en scindant les noyaux d’atomes lourds, comme l’uranium, dans les centrales nucléaires.

Ce procédé libère une quantité massive d’énergie avec peu d’émissions de CO₂, mais pose des défis en matière de sécurité et de gestion des déchets radioactifs. Elle demeure une option stratégique pour de nombreux pays en quête de décarbonisation.

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire, qui cherche à reproduire l’énergie libérée par les étoiles, consiste à fusionner des noyaux légers pour libérer de grandes quantités d’énergie.

Encore en phase expérimentale, la fusion promet une énergie abondante et quasi illimitée sans les déchets radioactifs de la fission. Cependant, elle pose des défis techniques énormes, et son exploitation industrielle reste à venir.

Hydrogène

L’hydrogène est un vecteur énergétique polyvalent, de plus en plus envisagé pour sa capacité à produire de l’énergie sans émettre de CO₂ lorsqu’il est utilisé dans une pile à combustible.

Il peut être utilisé pour alimenter des véhicules, comme alternative aux batteries électriques, ou pour produire de la chaleur et de l’électricité dans des industries à forte consommation énergétique.

En outre, l’hydrogène vert, produit par électrolyse de l'eau à partir d’énergies renouvelables, représente une voie prometteuse pour décarboner des secteurs difficiles à électrifier, tels que l’aviation, le transport maritime et certaines industries lourdes.

Énergie marémotrice

L’énergie marémotrice exploite la force des marées pour générer de l’électricité. Des installations comme les barrages marémoteurs transforment la montée et la descente des eaux en énergie.

Ce procédé est renouvelable et prévisible, mais les infrastructures nécessaires peuvent impacter les écosystèmes marins.

Énergie houlomotrice

L’énergie des vagues capte la puissance des mouvements de la mer grâce à des dispositifs flottants ou des systèmes de bouées.

Bien que cette technologie soit encore en développement, elle présente un potentiel intéressant pour les régions côtières. Toutefois, elle reste coûteuse et techniquement complexe à mettre en œuvre.

Énergie osmotique

L’énergie osmotique est générée par la différence de salinité entre l'eau douce et l'eau de mer, généralement dans les estuaires.

Encore peu exploitée, cette technologie peut fournir une énergie continue et propre, mais elle nécessite davantage de recherche pour devenir rentable à grande échelle.

Énergie thermique des mers

L'énergie thermique des mers utilise la différence de température entre les eaux de surface, chauffées par le soleil, et les eaux profondes. Elle est également connue sous le nom d’OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion).

Elle est disponible principalement dans les régions tropicales et peut fournir une énergie constante, bien que la technologie soit encore en phase de démonstration et coûteuse à mettre en œuvre.

Production d'énergie dans le monde, par source

Entre 1979 et 2019, la production énergétique mondiale a doublé, passant de 301,43 exajoules (EJ) à 606,49 EJ, en raison de l'augmentation de la demande liée à la croissance démographique et au développement économique. Le pétrole est resté la principale source d'énergie, bien que sa part relative ait légèrement diminué, avec une production passant de 134,60 EJ à 187,36 EJ.

Les énergies renouvelables et alternatives ont connu une croissance remarquable. La consommation de bioénergies et de déchets a presque doublé, passant de 29,13 EJ à 56,81 EJ, tandis que les autres sources, principalement renouvelables, ont explosé, passant de 0,43 EJ à 13,50 EJ. Le gaz naturel a plus que doublé, passant de 50,40 EJ à 140,78 EJ, montrant une transition vers des sources plus propres comparativement au charbon, dont la production a continué d'augmenter en termes absolus.

Cette tendance se confirme avec des investissements dans les énergies bas carbone qui devraient plus que doubler ceux des énergies fossiles en 2024.

L’histoire de l’homme a été substantiellement marquée par les énergies libres auxquelles il pouvait avoir accès. L’énergie est un facteur systématique et incontournable des activités humaines. L’accroissement de la population de la planète, l’augmentation du niveau de vie des habitants des pays émergents, le caractère fini et donc limité des réserves d’énergies fossiles contribueront à augmenter et tendre les besoins d’énergie libre.

Face à cela, les réponses devront être trouvées dans une utilisation plus efficace de l’énergie, dans un surcroît d’utilisation des énergies renouvelables et nucléaires. La vitesse respective d’évolution de ces facteurs antagonistes créera les conditions d’un développement harmonieux de l’économie mondiale ou au contraire une crise d’approvisionnement mondiale aux conséquences potentiellement tragiques.

En fonction des points de vue et/ou des besoins, les formes d’énergie sont classifiées et quantifiées.

L’énergie primaire et l'énergie finale

L’énergie primaire et l’énergie finale sont deux concepts distincts dans le domaine de l’énergie, décrivant des étapes différentes dans le processus d'utilisation des ressources énergétiques.

L’énergie primaire désigne l'énergie des différentes sources disponibles dans la nature avant transformation. Elle englobe notamment l’énergie du vent, du soleil, de la chaleur terrestre, de l’eau stockée dans un barrage, des combustibles renouvelables ou fossiles. Il est souvent fait référence à l'énergie primaire dans les grands bilans statistiques (comme le Statistical Review of World Energy), les différentes consommations étant ramenées en énergie primaire avec des taux de conversion.

L’énergie finale désigne l’énergie livrée au consommateur final pour satisfaire ses besoins (carburants à la pompe, électricité chez soi, etc.) après transformations par l’homme.

La différence entre l’énergie primaire et finale réside dans les pertes subies lors des conversions et acheminements, qui réduisent le rendement global du système énergétique. Entre l’énergie primaire et l’énergie finale fournie aux consommateurs, il s’opère en effet des pertes lors d’opérations de transformation (ex : chaleur nucléaire en électricité, raffinage) et de transport (ex : pertes par effet Joule, transport des hydrocarbures).

Les énergies fossiles, renouvelables et nucléaires

Les énergies fossiles, renouvelables et nucléaires sont trois catégories principales de sources d’énergie, chacune avec des caractéristiques distinctes et des impacts variés sur l’environnement. Elles se distinguent par leur origine, leur impact environnemental, et leur capacité de renouvellement : les fossiles sont limités et émetteurs de CO₂, les renouvelables sont inépuisables et peu polluantes, tandis que le nucléaire offre une énergie dense et non carbonée mais non renouvelable.

Les énergies fossiles sont issues de la décomposition de matière organique sur des millions d’années, elles incluent le pétrole, le charbon et le gaz naturel. Bien qu’elles soient encore majoritairement utilisées, elles génèrent d’importantes émissions de CO₂, contribuant au changement climatique.

Les énergies renouvelables proveniennent de sources naturelles inépuisables comme le soleil, le vent, l’eau, ou la biomasse, ces énergies émettent peu ou pas de CO₂ et sont au cœur des stratégies de transition énergétique, bien qu’elles soient parfois intermittentes et dépendent des conditions climatiques.

Le terme renouvelable n’est d’ailleurs pas à prendre au sens propre, il conviendrait de dire « renouvelable à l’échelle humaine » puisque le Soleil qui en est le moteur essentiel direct ou indirect a une durée de vie limitée.

L'énergie nucléaire, qui exploite la fission des atomes, principalement d’uranium, produit une électricité à faible émission de CO₂, avec une capacité continue. Cependant, elle soulève des enjeux liés à la sécurité et à la gestion des déchets radioactifs à long terme.

Les émissions de gaz à effet de serre

Lorsqu’il s’agit de traiter la problématique des gaz à effet de serre, les sources d’énergie sont souvent classées en deux catégories. Dans la première, celles, dites « bas carbone » ne générant pas de CO₂ lors de leur utilisation. Y figurent les énergies éolienne, solaire, hydraulique et nucléaire. Dans la seconde, les autres.

Cette différenciation mérite cependant d’être analysée avec plus de finesse. Tous les systèmes de production d'énergie émettent des gaz à effet de serre par leur fabrication, leur acheminement, leur installation, leur maintenance.

Enfin, il y a d’autres gaz à effet de serre générés par l’énergie, à l’instar du méthane (CH₄), souvent libéré lors de l’extraction et du transport du gaz naturel, et du protoxyde d’azote (N₂O), émis lors de certaines combustions industrielles et agricoles. Ces gaz, bien que présents en moindre quantité que le CO₂, ont un potentiel de réchauffement global beaucoup plus élevé, contribuant ainsi de manière significative au changement climatique.

Le système international a choisi, comme unité pour l’énergie, le joule du nom d’un physicien anglais du XIX^e, James Prescott Joule. Le joule est cohérent avec des unités plus usitées que sont le kilogramme, le mètre et la seconde. Cependant, cette unité s’avère trop importante pour des raisons pratiques lorsqu’il s’agit d’étudier le mouvement d’un électron par exemple ou trop faible lorsqu’il s’agit de mesurer la consommation d’énergie d’un foyer et a fortiori la production d’énergie d’une tranche de centrale nucléaire.

Un exajoule (EJ) est une unité de mesure de l'énergie dans le système international d'unités. Un exajoule équivaut à 10^18 joules. Pour donner une idée de son échelle : 1 exajoule (EJ) = 1 000 000 000 000 000 000 joules (10^18 joules)

C’est ainsi que de nombreuses autres unités sont utilisées, de l’électron volt au wattheure, ou encore les tonnes d’équivalent pétrole :

• Watt (W) : Unité de puissance qui exprime le taux de transfert d’énergie. Un watt équivaut à un joule par seconde. Il est couramment utilisé pour indiquer la puissance des appareils électriques ou de production d’énergie.
• Wattheure (Wh) : Mesure de l’énergie consommée ou produite sur une heure à une puissance de 1 watt . Très courante pour la facturation d’électricité (en kilowatt, soit 1000 watts), elle exprime l’énergie utilisée par les appareils au quotidien.
• Calorie (cal) : Utilisée principalement en nutrition, elle correspond à la quantité d’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme d’eau d’un degré Celsius. En énergie, on parle parfois de kilocalories (kcal) pour des besoins plus élevés.
• Tonne d’équivalent pétrole (tep) : Mesure de comparaison des énergies, équivalant à l’énergie produite par la combustion d’une tonne de pétrole brut. Utilisée pour comparer la production et la consommation d’énergies de différentes sources.
• British thermal unit (BTU) : Unité anglo-saxonne, définie comme la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température d’une livre d’eau de 1°F. Elle est couramment utilisée dans les pays anglo-saxons pour exprimer l’énergie dans le secteur du chauffage et de la climatisation.