Introduction à la notion d'énergie

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Introduction à la notion d'énergie


Cette page, qui constitue une introduction à la notion d'énergie, n'a aucune prétention scientifique ni exhaustive. Pour bien des thèmes elle s'appuie d'ailleurs sur les articles de wikipedia qui vous permettront d'approfondir le sujet si besoin.

Rapide définition de la notion d'énergie

Généralités

Le mot « énergie » trouve son origine dans l'Antiquité grecque et latine. Éthymologiquement, ce terme signifie "force en action". L'énergie est la capacité à transformer un état, pour produire un travail, de la chaleur, de la lumière ou du mouvement.

On trouve plusieurs formes d'énergie :

Pas la peine de s'étendre sur ce vaste sujet sientifico-physique, voire philosophique, d'autres se sont déjà prêtés à l'exercice et on trouve d'ailleurs des pages web bien renseignées sur le sujet.

Énergie de stock et énergie de flux

En réalité, l'énergie est une notion quelque peu abstraite. On pourrait dire qu'elle existe sous 2 états différents : l'énergie stockée, et l'énergie échangée. Cette notion de stockage et d'échange est importante car elle va nous permettre de caractériser ce que l'on nomme parfois abusivement des sources d'énergie :

Les "énergies fossiles" sont donc des formes d'énergie stockée, alors que les énergies renouvelables sont des formes d'énergie échangée. Si les premières sont fort pratiques par leur caractère de "stock" dans lequel il est facile de puiser, en revanche les secondes sont beaucoup plus difficiles à collecter et à stocker. L'utilisation massive des sources d'énergie renouvelables implique donc une société et des technologies radicalement différentes des énergies fossiles que nous utilisons principalement aujourd'hui.

Unités énergétiques

Énergie

Dans le système d'unités internationales, l'énergie s'exprime en Joule (J). Un Joule est la quantité d'énergie nécessaire pour déplacer d'un mètre un poids de 1 Newton. 1 J = 1 N.m = 1 kg.m2.s-2. Le Joule est une unité de quantité d'énergie, qui tient son nom du physicien anglais James Prescott Joule.

Puissance

Par opposition, le Watt (W), qui équivaut à 1 J pendant 1 seconde (1 W = 1 J/s), est une unité de puissance (cela équivaut à un débit d'énergie). Une puissance d'1 W fournie pendant une heure correspond à une quantité d'énergie de 1 Wh, ou 3'600 J (3.6 kJ). Le Watt tient son nom de l'ingénieur écossaire James Watt également connu pour ses améliorations de la machine à vapeur, à l'origine de la Révolution Industrielle.

Unités courantes

Dans la vie de tous les jours, la quantité d'énergie que représente un Joule est si faible que l'on préfère souvent utiliser ses multiples (:

En des temps pas si éloignés que cela, lorsque la vapeur (l'eau, en fait) était un fluide couramment employé dans les process industriels, on a utilisé le cheval-vapeur (ch) qui correspond à 736 W. De même, toujours en se basant sur les propriétés de l'eau, on utilisait les calories (cal) et les kcal : 1 cal = 4.18 J. 1 kcal (4'180 J) est la quantité d'énergie nécessaire pour élever 1 kilogramme d'eau liquide (soit 1 litre d'eau) de 1 °C.

Une erreur courante est de confondre kW et kWh alors que les deux unités sont totalement différentes : rappelons que le kW est une unité de puissance alors que le kWh est une unité de quantité d'énergie. Si cette erreur est pardonnable pour la personne lambda, elle est en revanche inexcusable pour tout professionnel de l'énergie : c'est d'ailleurs un bon moyen de débusquer les charlatans, qui mélangent allègrement les deux unités et exposent ainsi leur ignorance voire leur volonté d'embrouiller le client.

Pour donner quelques ordres de grandeur :

Au niveau de la consommation d'énergie, on utilise :

Pouvoir calorifique inférieur (PCI) et supérieur (PCS)

PCI

Pour les usages de combustion, l'une des caractéristiques énergétiques (thermiques, en l'occurrence) est le pouvoir calorifique : c'est la quantité d'énergie thermique qui est libérée par la combustion dudit combustible, généralement ramenée à une unité de masse. Ainsi, pour reprendre l'exemple de la tep, on peut dire que le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du pétrole est de 11.67 MWh/tonne.

PCS

Les combustibles habituels sont généralement des hydrocarbures, composés d'atomes d'hydrogène et de carbone. La combustion est en réalité une oxydation de l'hydrogène et du carbone. La combinaison du carbone avec l'oxygène de l'air produit du CO2, la combinaison de l'hydrogène avec l'oxygène produit de la vapeur d'eau (H2O). Dans certains cas (suivant le matériel et les conditions d'exploitation), on peut récupérer la chaleur de cette vapeur d'eau par condensation, c'est une technologie utilisée par des chaudières performantes (chaudières à condensation). Le cas échéant, on parle de pouvoir calorifique supérieur (PCS), qui est égal au pouvoir calorifique inférieur (PCI) + la chaleur latente de vaporisation de l'eau. Par exemple, pour du gaz naturel, le PCS est supérieur d'environ 11% au PCI

Énergie et rendements

Tout changement d'état engendre des pertes, le plus souvent sous forme de chaleur (effet Joule, frottements). Toute utilisation de l'énergie implique donc un rendement inférieur à 1 (ou 100%). Dans le cas contraire (rendement supérieur à 1, ou 100%), le mouvement perpétuel existerait car cela signifierait que l'on parvient à produire plus d'énergie que l'on en consomme. Le rendement est donc le rapport de l'énergie utile divisée par l'énergie consommée. Pour comparer objectivement des technologies, il est primordial de comparer l'ensemble de la filière d'utilisation de l'énergie : par exemple, pour le rendement d'un appareil électrique, il faudrait comparer l'énergie effectivement dépensée depuis l'extraction de la ressource naturelle pour la production d'électricité, jusqu'au rendement de fonctionnement de l'appareil électrique.

Énergie primaire et énergie finale

L'énergie primaire est une forme ou source d'énergie disponible dans la nature. L'énergie finale est l'énergie réellement consommée par l'usager. Entre l'énergie primaire consommée et l'énergie finale (utile), une succesion d'étapes de transformation et de conversion auront eu lieu, avec à chaque fois des pertes.

Le rendement énergétique d'une filière est donc le rapport entre énergie finale et énergie primaire. Le problème étant de pouvoir considérer cette filière dans son ensemble afin d'être en mesure de comparer objectivement plusieurs solutions.

Sur l'ensemble d'une filière énergétique, un plus ou moins grand nombre d'opérations altère le rendement global de l'opération. Cette filière est plus ou moins longue, par exemple, pour l'électricité :

Dans le premier exemple (filière longue), si chaque étape considérée indépendamment offre un rendement énergétique correct, le rendement global de l'ensemble de la filière sera médiocre. Dans le second exemple, même si le rendement de conversion de l'énergie solaire en électricité est faible, le reste de la filière comprend bien moins d'opérations et le rendement global de l'ensemble est supérieur à la filière longue.

Dans la pratique, les chiffres officiels sont biaisés car on connaît mal les rendements de certaines étapes (volontairement occultés ?) : ainsi, il est fréquent de considérer que l'énergie primaire est celle livrée au système (par exemple la consommation annuelle de fioul pour le chauffage d'une maison), et l'énergie finale (ou utile) celle récupérée en sortie du système (la chaleur obtenue en sortie de chaudière). L'électricité échappe toutefois à cette règle (en partie), puisque dans notre système de production d'électricité actuel, on considère que l'énergie primaire est environ 3 fois supérieure à l'électricité consommée (pour tenir compte du rendement de production des centrales électriques).

Avec l'avènement des carburants alternatifs, le concept de "puits à la roue" est apparu : il consiste à analyser la dépense énergétique destinée au transport, depuis l'extraction de la ressource jusqu'à l'énergie réellement fournie à la roue du véhicule. Cette démarche pragmatique vise à identifier les solutions les plus intéressantes du point de vue énergétique et environnemental. Cette démarche devrait être utilisée pour l'ensemble des solutions énergétiques actuelles et futures, afin d'effectuer les bons choix en toute connaissance de cause.

Abus de langage et stratégies commerciales

Le rendement d'utilisation de l'énergie dépend de la référence de comparaison. Par exemple, le rendement d'une combustion sera différent selon que l'on compare la quantité d'énergie obtenue au PCI ou au PCI. Il est ainsi courant de trouver des chaudières à condensation qui affichent des rendements supérieurs à 100% : c'est un tour de passe-passe qui est réalisé en mélangeant volontairement PCI et PCS. On peut éventuellement le justifier par le fait que les fournisseurs de gaz facturent en kWh PCI.

Un autre abus de langage concerne les pompes à chaleur : certaines personnes, notamment ceux qui vendent ce genre de matériel, affirme que leurs pompes à chaleur ont des rendements de 3, 4, voire plus. Il s'agit en réalité de coefficient de performance (COP) : une pompe à chaleur ne produit pas de la chaleur ou du froid, elle transfert de la chaleur d'un système à un autre. Comme tout appareil électrique, une pompe à chaleur a un rendement inférieur à 1, mais il est vrai qu'elle « déplace » davantage de chaleur que ce qu'elle consomme comme électricité. Et du point de vue de l'utilisateur, c'est effectivement ce qui compte.

Conclusion sur la notion d'énergie

L'énergie est une notion difficile à appréhender car elle réfère à des ressources naturelles, des conversions et des transformations, ainsi qu'à des technologies très variées. Il est important de bien comprendre la différence entre puissance et quantité d'énergie ; ces deux grandeurs sont souvent confondues (volontairement ou pas ?), et bien qu'elles soient liées elles expriment deux notions totalement différentes.

Si certains abus de langage sont sans grandes conséquences dans la vie de tous les jours, il est primordial de bien percevoir les notions d'énergie de stock et d'énergie de flux, ainsi que la notion de rendement, qui seront indispensables pour bien comparer les solutions techniques actuelles et leurs alternatives potentielles.


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Mots-clés de la page

COP, énergie, énergie finale, énergie primaire, introduction, rendement, unités

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