Les différentes formes d’énergie

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1 Les différentes formes d’énergie
Chaleur Travail mécanique Rayonnement Chimique Electricité Matière (nucléaire par exemple) Ces énergies sont utilisées en permanence dans tous les secteurs d’activité. Il est facile de trouver des exemples pour chaque forme d’énergie. La chaleur pour le chauffage des habitations ou dans des procédés de fabrication. Le rayonnement qui nous éclaire ou qui est utilisé à des fins médicales est un autre exemple. Par contre les besoins sont variables suivant les lieux géographiques et les modes de vie. Ainsi la quantité d’énergie utilisée pour le chauffage en Finlande ou au Niger sera très différente. Sources d’énergies

2 Les transformations d’énergie
Pour parler des transformations d’énergie il ne faut pas oublier la maxime de Monsieur Lavoisier. L’énergie ne se perd pas, elle se transforme. On parle de conservation de l’énergie. Toute cette énergie finie tôt ou tard sous forme de chaleur. Celle-ci est rejetée dans l'atmosphère, contribuant ainsi à l'augmentation des températures indépendamment de l'effet de serre créé par les gaz à effet de serre GES. On va prendre 2 exemples parmi ces transformations. La photosynthèse est un processus énergétique biologique qui permet aux plantes et à certaines bactéries de synthétiser de la matière organique en exploitant la lumière du soleil. L’exploitation de la conversion thermique / électrique avec des modules semi conducteurs permet le refroidissement d’enceintes médicales. On peut citer par exemple les valisettes de voyage pour les diabétiques.

3 Les unités de l’énergie
Le Joule J : C’est l’unité légale dans le système international (ISO). On retrouve 2 définitions : Travail mécanique : 1 J correspond au déplacement d’un poids de 1 N sur une distance de 1 m. Pour élever, sur notre planète, une masse de 10 kg sur une hauteur de 1 m, il faut fournir une énergie d’environ 100 J. Thermique : 4,18 J accroissent de 1°C un gramme d’eau. Pour élever 1 L d’eau de 40°C, il faut 167,2 kJ (sans changement d’état) ; Le Joule est une unité qui est très petite au regard des grandeurs qu’on va devoir traiter. On utilisera plutôt des multiples comme le kJ, le MJ ou GJ voir plus. Ces multiples seront utilisés pour toutes les unités Pour le thermique, on trouve aussi la calorie : 1 cal accroit de 1°C un gramme d’eau donc 1 cal = 4,18 J La calorie est aussi utilisée en agroalimentaire et diététique. Attention : On ne trouve pas toujours les mêmes valeurs de conversion entre la calorie alimentaire et la calorie (chauffe). Certains auteurs parlent de grande calorie Cal (calorie alimentaire) et petit calorie cal (calorie chauffage). Il y a un facteur 1000 entre les 2 unités (1 Cal = 1000 cal). Sources d’énergies 3

4 Les unités de l’énergie
Le kilowattheure kWh : à la base, c’est l’unité utilisée en électricité. 1 kWh c’est un convecteur de 1000 W qui fonctionne 1 heure 1 kWh = J = 3, J (MJ) La tonne équivalent pétrole tep : C’est une unité d’énergie d’un point de vue économique et industriel. 1 tep est équivalent à kWh ou à 41,868 GJ C'est l'énergie produite par la combustion d'une tonne de pétrole moyen, ce qui représente environ kWh. Le kWh est l’unité préférée des électriciens. Elle permet surtout de travailler avec des nombres plus faciles à manipuler. Par ailleurs c’est l’unité sur les factures d’électricité ou gaz que vous payez régulièrement. La tep est définie par le pouvoir calorifique que peut fournir une tonne de pétrole. Elle sert aux économistes pour comparer entre elles des formes d’énergie différentes. Les équivalences sont calculées en fonction du contenu énergétique ; ce sont des moyennes choisies par convention. Le pétrole étant le combustible le plus utilisé, les économistes ont choisi cette unité de référence Sources d’énergies 4

5 Exemples de formules Energie mécanique potentielle
Wp = m.g.H avec Wp en J, m en kg, g en m.s-2 et H en m. Energie mécanique cinétique dans un mouvement de translation Wct = ½.m.v² avec v en m.s-1. Energie mécanique cinétique dans un mouvement de rotation Wcr = ½.J∆.Ω² avec J en kg.m2 et Ω en rad.s-1 . J∆ moment d’inertie en référence à l’axe de rotation ∆ Energie thermique Wth = m.C.∆θ avec C en J.kg-1.K-1 et ∆θ en K. C capacité thermique et ∆θ élévation de température. Energie électrique Wél = U.Q avec U en V, Q = I.t avec Q = quantité d’électricité Q en CouIomb (C) , I en A et t en s (1 A.h = 3600 C) Définition des ressources renouvelables : Une ressource renouvelable désigne une ressource naturelle dont le stock peut se reconstituer sur une période courte à l'échelle humaine. Il faut que le stock puisse se renouveler au moins aussi vite qu'il est consommé. Définition des ressources épuisables : Une ressource naturelle est qualifiée de non renouvelable ou épuisable lorsque sa vitesse de destruction dépasse sa vitesse de création. Les sources primitives d’énergie étaient Toutes des énergies renouvelables ! LE FEU à partir du bois ou d’huile : il a servi à presque tout. LA FORCE ANIMALE (boeufs, chevaux, chiens...) L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) LE SOLEIL Les ressources dites « modernes » font appels à des ressources comme l’uranium et les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel,….). Il a fallu des millions d’année pour constituer ces stocks. L’énergie électrique a un statut un peu particulier puisqu’elle n’est pas disponible sous une forme primaire exception faite des décharges électrostatiques lors des orages. On verra plus loin que le classement actuel inclus parfois l’électricité comme une énergie primaire ou comme une énergie secondaire. Sources d’énergies

6 Les ressources énergétiques
Les ressources renouvelables : Le soleil La géothermie Le couple terre – lune L’hydraulique L’éolien Le biomasse Etc Les ressources épuisables : Les énergies fossiles L’uranium Définition des ressources renouvelables : Une ressource renouvelable désigne une ressource naturelle dont le stock peut se reconstituer sur une période courte à l'échelle humaine. Il faut que le stock puisse se renouveler au moins aussi vite qu'il est consommé. Définition des ressources épuisables : Une ressource naturelle est qualifiée de non renouvelable ou épuisable lorsque sa vitesse de destruction dépasse sa vitesse de création. Les sources primitives d’énergie étaient Toutes des énergies renouvelables ! LE FEU à partir du bois ou d’huile : il a servi à presque tout. LA FORCE ANIMALE (boeufs, chevaux, chiens...) L’EAU des rivières et des marées (moulins, forges...) LE VENT (pompes, moulins...) LE SOLEIL Les ressources dites « modernes » font appels à des ressources comme l’uranium et les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel,….). Il a fallu des millions d’année pour constituer ces stocks. L’énergie électrique a un statut un peu particulier puisqu’elle n’est pas disponible sous une forme primaire exception faite des décharges électrostatiques lors des orages. On verra plus loin que le classement actuel inclus parfois l’électricité comme une énergie primaire ou comme une énergie secondaire. Sources d’énergies 6

7 Consommation quotidienne d’une agglomération de 10 M d’hab
Pour fixer les idées sur les quantités d’énergie à fournir, l’image présentée est intéressante. Attention dans cette représentation, les problèmes sociaux et environnementaux ne sont pas évoqués. Ce n’est qu’une comparaison sans parler des conséquences des choix énergétiques. Sources d’énergies 7

8 Épuisables et polluantes
Les quantités d’énergies épuisables Réserves exploitables, au rythme actuel de notre consommation : FOSSILES Pétrole : 2x1015 kWh soit 40 à 50 ans Charbon : 8x1015 kWh soit 200 ans Gaz naturel : 1,6x1015 kWh soit < 60 ans Hydrates de méthane : > 10x1015 kWh ? NUCLEAIRE Fission (U235) : 0,4x1015 kWh soit 40 ans Surgénérateurs (U238) : 80x1015 kWh soit 600 ans Fusion (deutérium et tritium) : 80x1015 à 1021 kWh source quasi inépuisable, encore très loin d’une utilisation industrielle Épuisables et polluantes Source Bernard Multon Ce sont les réserves connues et le nombre d’années varie en fonction des sources consultées. Mais les ordres de grandeurs restent les mêmes. L’intérêt des énergies fossiles réside dans leur énergie massique ou volumique qui sont très élevées. Pour un carburant à base de pétrole, on a environ une énergie massique de 42 MJ/kg à comparer avec l’énergie massique d’une batterie électrique lithium/ion qui est de 2 MJ/kg. On comprend tout de suite l’intérêt de ces énergies fossiles. Sources d’énergies 8

9 Répartition des approvisionnements en énergie primaire
OCDE Nord Amérique 2731 Mtep Amérique Sud 575 Mtep OCDE Europe 1821 Mtep Ex URSS 687 Mtep Chine 2130 Mtep Afrique 655 Mtep OCDE Pacifique 870 tMep Cette carte donne une répartition des approvisionnements en énergie primaire par zone géographique. Les pays fortement industrialisés sont les plus énergivores. L’Amérique du Nord, La Chine et l’Europe représentent plus de la moitié de la demande en énergie ce que l’on retrouve aisément sur le camembert en bas à droite. Sources d’énergies 9

10 Production d’énergie primaire mondiale en 2008
On peut observer que l’énergie primaire épuisable représente 87% des énergies utilisées. Si on exclue la part nucléaire on trouve 81% d’énergie fossile. Ce sont ces énergies qui contribuent fortement aux émissions des gaz à effet de serre (GES) et au réchauffement climatique. Une partie des énergies renouvelables sont exploitées depuis de nombreuses années (hydraulique, déchets, etc…) mais leur proportion évoluent difficilement. Ce n’est que depuis un petit nombre d’années que la prise de conscience fait évoluer la situation. Sources d’énergies 10

11 Répartition par secteur de l’énergie finale mondiale
On observe la répartition de l’énergie finale dans les différents secteurs d’activité. On rappelle que l’énergie finale est une énergie transformée pour une utilisation directe. On peut ainsi voir que l’ensemble des secteurs du transport, de l’industrie et du résidentiel monopolise plus de la moitié des ressources énergétiques. La répartition par secteur varie selon le niveau et la structure de l’économie d’un pays Sources d’énergies 11

12 266 Mtep Mix énergétique français Sources d’énergies 12
Le mix énergétique ou le bouquet énergétique est la proportion (en pourcentage %) de toutes les sources d’énergie utilisées (combustibles fossiles, nucléaire, solaire, éolien, géothermique et hydroélectrique) pour produire de l’énergie finale. La France a un mix atypique avec une forte proportion de nucléaire. Ce mix est intéressant pour les gaz a effet de serre. Par contre il présente l’inconvénient d’être générateur de déchets radioactifs. Actuellement il n’y a pas de solutions pour ré exploiter ou faire disparaitre ces déchets que nous léguons aux générations futures pour des milliers d’année. Sources d’énergies 12

13 Comparaison de mix énergétiques
Moyen Orient : 594 Mtep Chaque pays, chaque continent va pouvoir définir son mix énergétique en fonction de ses ressources et de sa politique énergétique. On peut observer ici 2 mix très différents mais ils sont basés essentiellement sur les énergies fossiles polluantes et épuisables. Chine (RPC+HongKong) 2131 Mtep Sources d’énergies 13

14 Mix énergétique et mix électrique Français
La notion de mix est applicable dans de nombreuses applications. De la même façon on peut définir un mix électrique comme étant l’ensemble des sources d’énergie qui servent à produire l’électricité. Il parfois très différent du mix énergétique. Ce mix-électrique permet d’évaluer le contenu en CO2 de chaque kilowattheure produit. Les émissions de CO2 relatives à chaque type de combustibles et à chaque technologie sont connues. Des bases de données statistiques existent. La valeur moyenne mondiale est environ de 600 grammes de CO2 par kWh. 14

15 Evolution de la consommation de l’énergie primaire mondiale
Géothermique /éolien/solaire Combustion déchets Hydraulique Nucléaire Gaz Pétrole Charbon On constate une augmentation continue de la consommation mondiale des énergies fossiles ce qui ne va pas vers une amélioration du changement climatique, ni vers une gestion raisonnée des ressources fossiles. Entre 2000 (c'est à dire hier) et 2004, la consommation a augmenté de 10% ! Les énergies renouvelables, sauf hydroélectricité, sont (encore) négligeables Le charbon et la tourbe ont évolué très rapidement depuis que la Chine est devenue un pays industrialisé Sources d’énergies 15

16 La chaine énergétique Pertes Pertes Pertes Pertes Pertes Pertes
Energie primaire: d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation Energie primaire Energie secondaire Energie finale Energie utile Pertes Pertes Pertes Cas de la voiture à essence: Energie primaire: Pétrole Energie secondaire: essence raffinée Energie finale: essence dans le réservoir Energie utile: déplacement du véhicule Une source d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Si elle n’est pas directement utilisable, elle doit être transformée en une source d’énergie secondaire pour être mise en œuvre. Il y a un cas particulier. Il s’agit de « l’électricité nucléaire » qui est classée comme une énergie primaire. L'énergie secondaire est toute l'énergie obtenue suite à la transformation d'une énergie primaire (en particulier électricité d'origine thermique ou le fuel de chauffage obtenu dans une raffinerie à partir du pétrole). Cette énergie n’est pas encore livrée. L'énergie finale (on la trouve aussi sous le nom d’énergie disponible) est l'énergie livrée au consommateur (essence à la pompe, électricité au foyer, les granulés de bois pour le chauffage, eau chaude pour le chauffage de logement dans un réseau urbain...). De façon générale, c’est l’énergie disponible à l’entrée d’un équipement avant sa conversion définitive. L’énergie utile est la forme définitive comme la lumière artificielle produite par une lampe, un déplacement avec un véhicule ou une électrolyse pour nettoyer des pièces industrielles. A chacune des conversions une partie de l’énergie est « perdue » ou plus exactement dissipée sous une autre forme d’énergie (souvent en chaleur). Cela nous amène à parler du rendement d’une conversion. Pertes Pertes Pertes Sources d’énergies

17 Rendement Autres concepts Efficacité énergétique
« RAPPORT entre des résultats des activités d’un organisme, des biens ou des services ET l’énergie consacrée à cet effet » (EN 16001). L’efficacité énergétique est la capacité d’atteindre les objectifs fixés. Efficience L’efficience est la capacité à minimiser les ressources pour atteindre les objectifs fixés. L’efficience permet de qualifier un rendement par une appréciation des moyens engagés pour un objectif à atteindre. La notion de rendement d’une conversion peut être abordée sous différents points de vue. Très souvent on se préoccupe du rendement instantané. Dans ce cas la notion de temps est négligée. On raisonne alors en termes de puissance. Avec l’évolution des technologies et des besoins, on a vu apparaitre la notion de rendement énergétique (système embarqué, stockage d’énergie, etc…). On s’aperçoit que le prélèvement d’énergie et utilisation de l’énergie sont non synchrones. D’autre part, ces 2 notions de rendement restent souvent orientées sur une seule partie de la chaine de conversion énergétique. Sources d’énergies

18 Rendement « global » Sources d’énergies 18
« Quel est mon réel besoin ? ». Le besoin peut se décliner sous des aspects physiques, technologiques, économiques ou sociologiques comme par exemple « déplacer des personnes dépendantes en ville ». Pour cela une activité vous est proposée dans le module ET301. Cette idée nous amène à définir un rendement sous la forme de « service rendu / énergie consommée + rejets » qui est plus proche de nos préoccupations actuelles (épuisements des ressources, réchauffement climatique, etc….). Cela nous amènera à parler d’énergie grise. Cette notion est abordée dans un autre module de formation. Sources d’énergies 18

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