Energie

Le terme énergie en grec ancien (ἐνέργεια) peut être traduit par « force en action ». (©photo)

Définition et catégories

Le terme « énergie » recouvre des réalités nombreuses et diverses. Si l’on met à part ses utilisations imagées comme « un homme plein d’énergie », l’énergie désigne une capacité à agir quels qu’en soient les modes : mettre en mouvement, chauffer, comprimer, éclairer, sonoriser, transmettre une information, etc.

Dans le langage courant, le terme « énergie » 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 (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.

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 de l’énergie 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.

Formes d'énergies libres

Aujourd’hui l’énergie utilisable par l’homme se présente en de multiples formes. Nonobstant cette diversité, les scientifiques ont réussi à établir des équivalences de telle sorte à 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

Elle 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 dont l’énergie éolienne

Elle naît du mouvement d’un corps massif. C’est elle qui caractérise 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

Elle 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. Cette loi physique a été précisée dans le deuxième principe de la thermodynamique. 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 dont l’énergie solaire

Elle naît des rayonnements reçus. Ceux-ci sont, suivant leur longueur d’onde, 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 et ceci 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 ultérieurement transformée en électricité dans les centrales thermodynamiques.

L’énergie chimique dont les énergies fossiles

Elle 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 électrique

Elle 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. Son domaine d’application ne cesse de croître.

L’énergie nucléaire

Elle 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. La chaleur de fusion sera utilisée de manière expérimentale à grande échelle dans le tokamak d’Iter en vue d’une éventuelle exploitation industrielle à fin du XXIe siècle/début du XXIIe.

Classification

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

Les consommations d’énergie primaire

De manière à comptabiliser les consommations d’énergie sans omission ou double comptage, a été créée la notion de consommation d’énergie primaire. Celle-ci prend en compte les consommations d’énergie directement au service des hommes (comme le gaz lorsqu’il est utilisé pour le chauffage central) et les consommations d’énergie indirectement au service des hommes encore appelées consommations intermédiaires qui participent à des processus visant à produire des biens et services utiles à l’homme (comme le gaz lorsqu’il est utilisé dans une réaction chimique). A contrario les consommations d’énergie en vue de produire une autre forme d’énergie libre (comme le gaz utilisé pour produire de l’électricité) ne sont pas comptées dans les consommations primaires.

Les énergies renouvelables ou non renouvelables

Pour ce qui relève des considérations de développement durable, les sources d’énergie sont fréquemment  classées en deux catégories : renouvelable et non renouvelable. 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. Dans la première figurent les énergies solaires (énergies radiatives), les énergies éoliennes (énergies cinétiques), la biomasse (énergies chimiques), les énergies hydrauliques (énergies cinétiques). Dans la seconde, les énergies fossiles (énergies chimiques) et nucléaires sont répertoriées. Au sens strict, les énergies fossile et nucléaire pourraient être aussi considérées comme renouvelables mais sur des périodes trop longues pour être prises en compte à l’échelle humaine.

L’émission de CO2

Lorsqu’il s’agit de traiter la problématique des gaz à effet de serre, les sources d’énergie sont classées en deux catégories. Dans la première, celles ne générant pas de CO2 dans 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. Certaines générations de panneaux photovoltaïques peuvent émettre par leur fabrication, leur acheminement et leur installation, une quantité de CO2 du même ordre de grandeur que ce qu’ils font économiser dans leur utilisation ultérieure.

Unités de mesure et chiffres clés

Le système international a choisi, comme unité pour l’énergie, le joule du nom d’un physicien anglais du XIXe,  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. C’est ainsi que de nombreuses autres unités sont utilisées, de l’électron volt au kilowattheure vers le térawattheure, ou encore les tonnes d’équivalent pétrole.

Futur

L’histoire de l’homme a été substantiellement marquée par les énergies libres auxquelles il pouvait avoir accès. Aujourd’hui, l’énergie est un facteur systématique et incontournable des activités humaines. Le futur s’inscrira probablement dans la même problématique. 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.

Le saviez-vous ?

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 désignant la vitesse de la lumière, E désignant 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.

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