Generalites sur l'energie

L’énergie au cœur du monde moderne

L’une des problématiques principales de notre société moderne est l’approvisionnement, la transformation et le contrôle de l’énergie. Les besoins croissants posent des problèmes de durabilité importants et l’économie des ressources énergétiques devient un problème crucial afin de maintenir de façon durable et écologique la persistance de notre monde.

Dossier:
le problème de l’accès à l’energie

La problématique de l'énergie

A ces trois besoins s’ajoute celui de la sécurité de la production d’énergie: Comment faire pour éviter que la demande ne soit supérieure à la production?

Consommation en France: Energie primaire

$$1~tep = 11 628~kWh$$

Transition énergétique de A à Z: Daniel Suchet

Définitions de l’énergie

Definition - wikipedia
L’énergie désigne une capacité à modifier un état ou à produire un travail entraînant un mouvement ou générant un rayonnement électromagnétique - de la lumière, par exemple - ou de la chaleur. Le mot vient d’ailleurs du grec et signifie « force en action ».

Dans le système international, l’énergie s’exprime en joules, mais dans le langage courant, elle s’exprime plus souvent en kilowatt-heure (kWh). Quand à la tonne d’équivalent pétrole (tep), elle permet généralement de comparer les différentes sources d’énergie entre elles.

Les FORMES d’énergie

Pas une mais DES énergies

Stockée dans les objets, les molécules, les atomes, l’énergie se manifeste de multiples façons. Mais qu’elle soit mécanique, cinétique, énergie thermique, chimique, rayonnante ou encore nucléaire, elle peut toujours se convertir d’une forme à une autre.

L’énergie mécanique

L’énergie mécanique, associée aux objets, est la somme de deux autres énergies :

  • L’énergie cinétique, est une forme d’énergie liée au mouvement d’un corps. Elle est proportionnelle au carré de sa vitesse. Plus la vitesse d’un objet est grande, plus son énergie cinétique est importante.
  • l’énergie potentielle est l’énergie stockée dans les objets, et qui peut potentiellement être transformée en énergie cinétique. Par exemple, une balle acquiert, quand on la soulève, une énergie potentielle dite de pesanteur, qui ne devient apparente que lorsqu’on la laisse tomber.

L’énergie thermique

Il s’agit tout simplement de la chaleur. Celle-ci est causée par l’agitation, au sein de la matière, des molécules et des atomes. L’énergie thermique représente donc l’énergie cinétique d’un ensemble microscopique.

L’énergie chimique

L’énergie chimique est l’énergie associée aux liaisons entre les atomes constituant les molécules. Certaines réactions chimiques sont capables de briser ces liaisons, ce qui libère leur énergie (de telles réactions sont dites exothermiques).

Lors de la combustion, qui est l’une de ces réactions, le pétrole, le gaz, le charbon ou encore la biomasse convertissent leur énergie chimique en chaleur – et souvent en lumière. Dans les piles, les réactions électrochimiques qui ont lieu produisent de l’électricité.

L’énergie rayonnante

C’est l’énergie transportée par les rayonnements, comme ceux issus d’une lampe, du Soleil. C’est aussi ce que l’on appelle des radiations (Rayons Gamma, RX, UV, visible, IR)

L’énergie nucléaire

L’énergie nucléaire est l’énergie stockée au cœur des atomes, plus précisément dans les liaisons entre les particules (protons et neutrons) qui constituent leur noyau. En transformant les noyaux atomiques, les réactions nucléaires s’accompagnent d’un dégagement de chaleur.

Dans les centrales nucléaires, on réalise des réactions de fission des noyaux d’uranium, et une partie de la chaleur dégagée est transformée en électricité.

Dans les étoiles comme le Soleil, l’énergie des atomes est libérée par des réactions de fusion des noyaux d’hydrogène.

L’énergie électrique

L’énergie électrique représente de l’énergie transférée d’un système à un autre (ou stockée dans le cas de l’énergie électrostatique) grâce à l’électricité, c’est-à-dire par un mouvement de charges électriques. Elle n’est donc pas une énergie en soi, mais un vecteur d’énergie. Le terme est toutefois communément utilisé par commodité de langage. Les systèmes pouvant fournir ces transferts électriques sont par exemple les alternateurs ou les piles. Les systèmes receveurs de ces transferts sont par exemple les résistances, les lampes ou les moteurs électriques.

Définition de la puissance, loi puissance - énergie

La puissance désigne l’énergie échangée par seconde. La loi de puissance - énergie est :

$$P = \tfrac{E}{t}$$

où P est la puissance, E l’énergie et t la durée d’échange.

Il y a 2 systèmes d’unités pour l’énergie : le système international et le système usuel :

P E t
système usuel kiloWatt (kW) kiloWatt heure (kW.h) heure (h)
système international Watt (W) Joule (J) seconde (s)

Rappel : pour convertir des heures en secondes, il faut multiplier par les heures par le nombre de minutes dans une heure, puis par le nombre de secondes dans une minute:

$$t_s=t_h \times 60 \times 60 = t_h \times 3600$$

Conséquence : pour changer de système d’unités, et passer d’une unité d’énergie en Joules vers des kiloWatt heure, il faut faire :

$$E{kW.h}= \tfrac{E{kJ}}{3 600}$$

et à l’inverse, pour faire : E(kW.h) => E(kJ) :

$$E_{kJ} = E_{kW.h} \times 3 600$$

Exemple : Un four électrique de puissance 1 kW est utilisé pendant 2h. Calculer l’énergie consommée, en kW.h; puis calculer l’énergie en J.

Réponse :

  • Energie en kW.h :

$$E = P_{kW} \times t_h = 1 \times 2 = 2 kW.h$$

  • Conversion de l’énergie en J :
$$E = E_{kW.h} \times 3 600 = 2 \times 3600 = 7200 kJ $$
  • Calcul direct de l’énergie en J :
$$E_J = P_W \times t_s = 1000 \times 2 \times 3600 = 7 200 000 J$$

Principe de conservation de l’énergie

Dans un système fermé, d’où l’énergie ne peut pas être échangée avec l’extérieur, la quantité d’énergie contenue demeure constante.

En pratique, lors d’une conversion d’énergie (on verra que ces conversions sont nombreuses), toute l’énergie apportée est égale à la somme des énergies produites. Certaines peuvent être utiles, d’autres non souhaitées (ce que l’on appelle des pertes d’énergie).

Par exemple : Une resistance chauffante d’un ballon d’eau chaude sanitaire est alimentée avec de l’énergie électrique E (une forme secondaire de l’énergie, comme on le verra plus loin). La resistance convertie cette énergie apportée en énergie thermique, utile pour chauffer l’eau, que l’on nommera Q1. Mais une partie de l’énergie produite est également responsable du chauffage du ballon contenant l’eau, et du local contenant le ballon. On dira qu’il y a des pertes d’énergie thermique Q2. On a alors, d’après le principe de conservation de l’énergie :

$$E = Q_1 + Q_2$$

elements diagramme
Exemple de diagramme d'énergie

On utilisera dans la suite du cours, une représentation des chaines énergétiques avec les symboles suivants :

elements diagramme
symboles utilisés pour les diagrammes d'énergie

rendement d’une conversion

Le rendement détermine quelle part de l’énergie (ou de la puissance) apportée est utilisée pour le fonctionnement attendu de l’appareil. On la définit avec la relation :

$$r = \tfrac{énergie\quad utile}{énergie\quad apportée}$$

ou

$$r = \tfrac{puissance\quad utile}{puissance\quad apportée}$$

Avec l’exemple précédent du chauffage du ballon d’eau chaude :

$$r = \tfrac{Q_1}{E}$$

économiser l’énergie

L’homme a un devoir d’économiser l’énergie, et de maintenir les ressources non renouvelables à un niveau le plus élevé possible. Cela passe par des choix technologiques, et par un soucis d’avoir le meilleur rendement possible lors d’une chaine de conversion énergétique, ou du transport de l’énergie.

Énergie primaire, secondaire

Les énergies qui nous sont utiles dans la vie de tous les jours ne sont pas forcément disponibles, prêtes à l’emploi dans la nature.

Il peut y avoir plusieurs conversions de l’énergie avant qu’elle ne soit disponible à un utilisateur. Le pétrole est raffiné avant d’arriver dans le réservoir de la voiture, l’électricité a été produite dans une centrale électrique à partir de la conversion d’une source d’énergie primaire. Pour simplifier, on distinguera les sources d’énergie PRIMAIRE des énergies SECONDAIRES.

  • énergie primaire L’énergie primaire correspond à l’état de l’énergie « au plus près » de la nature. C’est quand elle est directement exploitable sans transformation:

    • énergie éolienne (vent),
    • énergie solaire (soleil),
    • énergie hydraulique,
    • énergie géothermique (une énergie issue de la radioactivité naturelle de la croute terrestre: Docu,
    • énergie des combustibles fossiles (pétrole, charbon gaz) et nucléaires, et énergie biomasse. ;
  • énergie secondaire : Lorsqu’une énergie primaire n’est pas utilisable directement, elle peut être transformée en une source d’énergie secondaire, qui elle pourra être utilisée directement. C’est donc l’énergie issue de la conversion d’une énergie primaire. (l’énergie électrique, par exemple) ;

  • énergie utile : l’énergie secondaire peut encore subir des transformations. L’énergie utile, c’est celle qui rend réellement service à l’utilisateur (la lumière issue d’une lampe, chaleur fournie par un radiateur ou un four, …etc)

Toutes les formes d’énergie primaires peuvent permettre de produire de l’énergie électrique. L’origine de l’électricité commercialisée auprès des consommateurs d’EDF en 2016 se répartit comme suit :

diagramme production electricité
diagramme circulaire de production d'éléctricité en 2016

Etude de cas

Dans les exemples suivants, on s’intéressera à la forme d’énergie primaire, aux conversions et au formes de transport de cette énergie, ainsi qu’aux formes d’énergies associées. On donnera aussi la nature de l’énergie secondaire produite.

Premier exemple : la production d’énergie électrique à partir de l’hydrolique

L’hydroélectricité, c’est l’électricité produite à partir de la force de l’eau. A la fin du XIXème siècle, la centrale hydraulique voit le jour, elle permet de transformer l’énergie hydraulique en énergie électrique. Les centrales hydrauliques exploitent des barrages, construits sur les fleuves, les rivières ou les lacs. On peut les trouver en plaine comme en montagne.

Avantage : La force de l’eau est une source d’énergie inépuisable, donc renouvelable.

La production d’hydroélectricité ne génère ni gaz à effet de serre, ni déchets.

Inconvénient : Les barrages modifent le paysage et le cours des rivières, ils représentent un obstacle à la navigation et à la circulation des poissons.

barage hydrolique
document issu du site www.japrends-lenergie.fr
  1. Le reservoir d’eau, en hauteur, constitue un reservoir d’énergie potentielle (mécanique)
  2. barrage : retenue de l’eau
  3. L’eau qui descend dans la conduite possède de l’énergie cinétique
  4. L’eau communique son mouvement à une turbine, mise en mouvement de rotation
  5. L’alternateur, relié à la turbine, est mis en rotation. Le couplage : bobines - champs magnétique permet de transformer le mouvement en énergie électrique.
  6. L’électricité est alors transportée jusqu’aux utilisateurs, comme une énergie finale.

Pour cet exemple :

L’énergie électrique d’origine hydraulique représente une part de 4,5% des sources primaires. L’énergie primaire est l’énergie hydraulique. La forme de l’énergie est l’énergie mécanique (potentielle). L’eau est transportée jusqu’en bas du barrage dans une conduite : c’est le canal de transport de l’énergie mécanique de l’eau. En sortie, l’énergie mécanique de l’eau est de forme cinétique. L’organe essentiel de la conversion mécanique => électricité est l’ensemble turbine + alternateur. L’énergie secondaire produite est de l’énergie électrique. Cette énergie est alors transportée dans un nouveau canal de transport : à travers les lignes électriques.

diagramme hydraulique.png
diagramme hydraulique

Remarque : L’eau est souvent utilisée comme canal de transport de l’énergie dans les centrales. C’est un fluide ayant une forte capacité thermique, capable d’emmagasiner beaucoup d’énergie sous forme thermique.

compléments sur l’énergie hydraulique : connaissancedesenergie.org

Dossier sur la production d’énergie nucléaire :

Qu’est ce qu’une centrale nucléaire française ? Visite de Graveline

centrale Graveline
ensemble des 6 reacteurs de la centrale de Graveline_creditsMAYEUX-LAURENT

Dossier sur la production d’énergie par méthanisation :

Essor de la méthanisation, où l’on produit du biogaz

unité de methanisation
unité de méthanisation

Dossier sur le photovoltaïque :

fonctionnement d’une centrale photovoltaïque

centrale photovoltaïque
centrale photovoltaïque

compléments

Les déclinaisons de l’énergie

  • L’energie primaire
  • L’energie secondaire
  • L’énergie finale pour l’ensemble des énergies prêtes à l’emploi, délivrées au consommateur (l’essence disponible à la pompe, etc.) ;
  • L’énergie utile pour celle qui rend réellement service à l’utilisateur (la lumière issue d’une lampe, chaleur fournie par un radiateur ou un four, …etc)

un QCM pour s’auto-évaluer sur le chapitre : QCM1ereS