L'énergie et ses enjeux

I. Identifier les sources et les formes d'énergie

• L'énergie est partout autour de nous et se manifeste sous différentes formes.

• Identifier les sources et les transferts d'énergie est donc essentiel pour comprendre comment l'énergie est utilisée dans notre quotidien.

1. Notion de source d'énergie

• Une source d'énergie est un système qui fournit de l'énergie.

• Exemples :

  $\circ$ Le Soleil est une source d'énergie lumineuse et thermique.

  $\circ$ Dans une lampe de poche (lampe torche ou celle du smartphone par exemple), la pile (ou la batterie) est la source d'énergie chimique.

2. Les différentes formes d'énergie

• L'énergie peut exister sous plusieurs formes. Voici quelques-unes des formes d'énergie les plus courantes :

  $\circ$ Énergie thermique : énergie liée à la température ;

  $\circ$ Énergie électrique : énergie associée au mouvement des électrons ;

  $\circ$ Énergie chimique : énergie stockée dans les liaisons chimiques ;

  $\circ$ Énergie nucléaire : énergie libérée lors des réactions nucléaires ;

  $\circ$ Énergie lumineuse : énergie transportée par la lumière.

• Pour les formes d'énergie liées au mouvement d'un objet (cinétique, potentielle ou mécanique) seront abordées ultérieurement dans la fiche de cours suivante :

  Aspects énergétiques des phénomènes mécaniques

II. Unités usuelles pour l'énergie

• L'unité standard d'énergie dans le système international est le joule ($J$).

• Remarque : il existe d'autres unités usuellement utilisées dans la vie quotidienne. Par exemple :

  $\circ$ Le watt-heure ($Wh$) pour suivre la consommation d'électricité (grâce au compteur Linky par exemple) ;

  $\circ$ La calorie ($cal$) pour établir la valeur nutritionnelle d'un aliment ou suivre l'énergie dépensée lors d'un effort physique.

III. Puissance et énergie

1. Introduction à la puissance nominale

• Tous les appareils électriques comportent au moins deux indications : la tension normale d'utilisation (dite tension nominale) et la puissance consommée en fonctionnement normal.

• La puissance nominale d'un appareil électrique, notée $P$, est la puissance électrique qu'il reçoit lorsqu'il est soumis à sa tension nominale.

• Elle s'exprime en watt (de symbole $W$).

• Selon la puissance de l'appareil étudié, les unités dérivées sont également utilisées :

  $\circ\quad$ Le kilowatt ($kW$) : $1 \, \text{kW} = 1000 \, \text{W}$ ;

  $\circ\quad$ Le mégawatt ($MW$) : $1 \, \text{MW} = 1\,000\,000 \, \text{W}$ ;

  $\circ\quad$ Le gigawatt ($GW$) : $1 \, \text{GW} = 1\,000\,000\,000 \, \text{W}$.

• Exemples de puissances nominales (ordres de grandeur) :

  $\circ\quad$ Calculatrice : $0,1 \, \text{mW}$ ;

  $\circ\quad$ Lampe basse consommation : $2-20 \, \text{W}$;

  $\circ\quad$ TV LCD : $150 \, \text{W}$;

  $\circ\quad$ Perceuse : $600 \, \text{W}$ ;

  $\circ\quad$ Lave-linge : $2,5 \, \text{kW}$ ;

  $\circ\quad$ Cuisinière électrique : $2-3 \, \text{kW}$.

• Signification de la puissance nominale : plus un dipôle a une puissance nominale élevée plus son action est efficace. Ainsi, plus la puissance nominale est élevée :

  $\circ\quad$ Plus l'éclat d'une lampe est fort.

  $\circ\quad$ Plus l'aspiration d'un aspirateur est forte.

  $\circ\quad$ Plus le son produit par des enceintes peut être fort, etc.

2. Notion de puissance

• La puissance correspond à l'énergie échangée (reçue ou donnée) pendant une seconde.

• Remarque : la relation exprimant la puissance électrique reçue par un appareil sera revue ultérieurement :

  L'énergie électrique

3. Notion d'énergie

$\textcolor{purple}{\text{a. Définition}}$

• Les systèmes échangent (i.e. reçoivent ou donnent) de l'énergie et la convertissent sous différentes formes :

  $\circ\quad$ Énergie thermique (résistance, lampe à incandescence, ...) ;

  $\circ\quad$ Énergie lumineuse (lampe) ;

  $\circ\quad$ Énergie mécanique (mouvement du moteur) ;

  $\circ\quad$ Énergie électrique (mouvement d'un alternateur) ;

  $\circ\quad$ Etc.

• L'énergie moyenne transférée à un système dépend de la durée de son fonctionnement et de la puissance nominale de l'appareil. Ainsi, l'énergie $E$ transférée pendant une durée $\Delta t$ à un système de puissance nominale $P$ est égale au produit :

  $\boxed{E = P \times \Delta t}$

  avec

  $\circ\quad$ $E$ en joule(s) ($J$) ;

  $\circ\quad$ $P$ en watt(s) ($W$) ;

  $\circ\quad$ $\Delta t$ en seconde(s) ($s$).

• Remarques :

  $\circ\quad$ L'énergie peut également prendre pour notation usuelle $W$ ;

  $\circ\quad$ Une énergie de $1~J$ est l'énergie transférée à un appareil de puissance $1~W$ fonctionnant pendant $1~s$.

  $\circ\quad$ Cette unité étant donc très petite, est utilisé plus souvent le wattheure ($Wh$) et le kilowattheure ($kWh$).

  $\circ\quad$ On calcule $E$ en $kWh$ si la puissance $P$ est en kilowatts ($kW$) et le temps $\Delta t$ en heures ($h$) :

$\boxed{E(\text{kWh}) = P(\text{kW}) \times \Delta t(\text{h})}$

$\textcolor{purple}{\text{b. Application}}$

• Pour mieux comprendre comment utiliser ces concepts dans la vie courante, considérons un exemple de calcul de consommation d'énergie électrique.

• Un four électrique a une puissance nominale de $2~kW$. Si ce four est utilisé pendant $3~h$, l'énergie électrique consommée est calculée comme suit :

  $\circ\quad$ $E = P \times \Delta t = 2 \, \text{kW} \times 3 \, \text{h} = 6 \, \text{kWh}$ ;

  $\circ\quad$ Ainsi, l'utilisation du four pendant $3~h$ consomme $6 \, \text{kWh}$ d'énergie électrique.

• Remarque : connaissant le coût unitaire du kilowattheure, certains exercices peuvent également demander d'en déduire le coût totale d'une consommation électrique donnée (ou déterminée préalablement).

IV. Transfert et conversion d'énergie

1. Transfert (ou transport) d'énergie

• Un transfert (ou transport) d'énergie se produit lorsque l'énergie est déplacée d'un système à un autre.

• Exemple : l'énergie électrique est transférée de la prise à un appareil électroménager.

2. Conversion d'énergie

• Une conversion d'énergie se produit lorsque l'énergie change de forme.

• Exemples :

  $\circ$ Lorsque la lampe de poche est allumée, l'énergie chimique de la pile (ou de la batterie) est convertie en énergie électrique, puis en énergie lumineuse (grâce à l'ampoule à incandescence ou à la LED par exemple).

  $\circ$ Dans une centrale hydroélectrique, l'énergie potentielle (ou de position $E_P$) de l'eau stockée dans un barrage est convertie en énergie cinétique ($E_C$) lorsque l'eau tombe. Cette énergie cinétique est ensuite convertie en énergie mécanique ($E_M$) par une turbine, puis en énergie électrique ($E_{\text{élec}}$) par un alternateur.

  $\circ$ Dans une centrale thermique (à charbon, fioul ou gaz), l'énergie thermique issue de la réaction de combustion est convertie en énergie thermodynamique (par le générateur de vapeur), puis en énergie mécanique (par la turbine), et enfin en énergie électrique (par l'alternateur) ;

  $\circ$ Un panneau solaire photovoltaïque convertit l'énergie lumineuse reçue du Soleil en énergie électrique.

V. Établir un bilan énergétique pour un système simple

1. Bilan énergétique

• Un bilan énergétique est une méthode permettant d'établir les évolutions de l'énergie dans un système en fonctionnement. Il permet de comprendre comment l'énergie est transférée et convertie dans un système.

• Ce dernier doit établir :

  $\circ$ Les sources d'énergie : ce sont les éléments qui fournissent de l'énergie au système. Par exemple, dans une voiture, l'essence est une source d'énergie chimique.

  $\circ$ Les transferts d'énergie : ils décrivent comment l'énergie se déplace d'un endroit à un autre. Par exemple, dans une voiture, l'énergie chimique de l'essence est transférée au moteur.

  $\circ$ Les conversions d'énergie : elles se produisent lorsque l'énergie change de forme. Par exemple, dans une voiture, l'énergie chimique de l'essence est convertie en énergie mécanique pour faire tourner les roues.

2. Loi de conservation de l'énergie

• La loi de conservation de l'énergie stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement convertie d'une forme à une autre. Cela signifie que la quantité totale d'énergie dans un système isolé reste constante.

• Ce principe fut explicité en ces termes par Antoine LAVOISIER (1743-1794) : "Rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme". En effet, même si le père de la chimie moderne énonçait cette phrase pour une transformation chimique, celle-ci reste valable pour une étude énergétique d'un dipôle.

• Propriété :

  On peut définir un récepteur comme étant un convertisseur d'énergie qui consomme de l'énergie et la convertit en une ou plusieurs autres formes d'énergie (chimique, mécanique, thermique, etc.).

  Le principe de conservation de l'énergie s'écrit :

  $\boxed{\sum E_{\text{reçues}} = \sum E_{\text{cédées}}}$

  En version puissance, le principe de conservation reste identique :

  $\boxed{\sum P_{\text{reçues}} = \sum P_{\text{cédées}}}$

3. Illustration d'un bilan énergétique : diagramme (ou chaîne) énergétique

• Un bilan énergétique peut être modélisé par le biais d’un(e) diagramme (ou chaîne) énergétique.

• Convention :

  $\circ$ Un système est représenté par une ellipse ;

  $\circ$ Une source (ou réservoir) d’énergie est représentée par un rectangle (en précisant sa forme) ;

  $\circ$ Un transfert d’énergie est représenté par une flèche (en précisant sa forme).

• Exemple d'application :

  La bouilloire électrique est un système à part entière :

  $\circ$ La source d'énergie est l'électricité ;

  $\circ$ L'énergie électrique est convertie en énergie thermique pour chauffer l'eau, par le biais d'une résistance chauffante ;

  $\circ$ Le transfert d'énergie se fait de la prise électrique à la bouilloire ;

  $\circ$ La conversion d'énergie se fait de l'énergie électrique à l'énergie thermique.

• Remarques :

  $\circ$ La quantité d'énergie électrique consommée est égale à la quantité d'énergie thermique produite (en supposant le système parfaitement isolé), illustrant la conservation de l'énergie.

  $\circ$ En réalité, le système n'étant pas parfaitement isolée, une partie de l'énergie thermique sera perdue dans le milieu extérieur (l'air environnant les parois de la bouilloire) et ne chauffera donc pas l'eau.

4. Notion de rendement

• Définition :

  Le rendement d'un système est le rapport entre la puissance utile cédée par ce système et la puissance reçue par ce dernier (puissance coûteuse) :

  $\boxed{\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{reçue ou coûteuse}}}}$

• Remarques :

  $\circ$ Cette étude peut être réalisée en termes d'énergie.

  $\circ$ En effet, on sait que par définition $\boxed{W = E \cdot\Delta t}$ avec $\Delta t$ la durée de l'expérience (en $\text{s}$).

  $\circ$ Il suffit donc de multiplier chaque terme de puissance par la durée $\Delta t$ pour exprimer le bilan énergétique du récepteur $\Rightarrow$ le rendement reste inchangé.

VI. Enjeux énergétiques : contexte général

Ce contexte général n'est pas à connaître par cœur ! Il permet simplement d'appréhender un sujet majeur pour l'humanité.

1. Dépendance des sociétés modernes aux énergies fossiles

• L'économie du monde actuel repose principalement sur l'utilisation d'énergies fossiles, à savoir :

  $\circ\quad$ Le pétrole,

  $\circ\quad$ Le charbon

  $\circ\quad$ Et le gaz naturel.

• La consommation d'énergie fossile se répartit majoritairement dans les secteurs :

  $\circ\quad$ Du transport,

  $\circ\quad$ De l'industrie,

  $\circ\quad$ De l'énergie et de l'électricité,

  $\circ\quad$ Et du bâtiment (chauffage des bâtiments résidentiels et tertiaires).

• Le pétrole est utilisé à plus de 60% dans le domaine des transports pour faire avancer des voitures et des camions (transport terrestre), mais aussi des bateaux (transport maritime) et des avions (transport aérien). Chacun de ces modes de transport utilise presque exclusivement le pétrole comme énergie. Le reste du pétrole est surtout utilisé en pétrochimie pour produire des objets contenant du plastique, matériau omniprésent aujourd'hui.

• Le charbon est utilisé à plus de 67% pour produire de l'électricité, principalement via des centrales électriques à charbon. Le reste du charbon est utilisé pour produire de l'acier (car c'est un alliage de fer et de carbone) et du ciment.

• Le gaz naturel est quant à lui utilisé dans environ 25% de la production d'électricité mondiale. Le reste du gaz naturel est surtout utilisé pour le chauffage des bâtiments résidentiels et tertiaires et dans les fours et chaudières industriels.

• Toutes ces énergies sont utilisées en les brûlant, c'est-à-dire via une réaction de combustion :

  $\circ\quad$ Essence ou gasoil issus du pétrole dans un moteur à combustion (voiture, camion) ;

  $\circ\quad$ Charbon dans une centrale électrique (à charbon) ;

  $\circ\quad$ Combustion du gaz naturel pour le chauffage domestique.

• Les produits de ces combustions, comme par exemple le dioxyde de carbone ($CO_2$), ont un fort impact sur l'environnement (par exemple le réchauffement climatique) et peuvent être dangereux pour l'Homme.

2. Dangers associés aux combustions

• Le dioxyde de carbone $CO_2$ est un des gaz à effet de serre responsables du réchauffement climatique. Les émissions de ce gaz sont principalement dues à la combustion des énergies fossiles citées plus haut :

  $\circ\quad$ Le charbon contribue à environ 40% pour les émissions mondiales de dioxyde de carbone dues aux énergies fossiles ;

  $\circ\quad$ Le pétrole y contribue à environ 35%

  $\circ\quad$ Et le gaz naturel 21%.

• Le dioxyde de carbone n'est pas le seul produit d'une combustion ayant un impact environnemental. Par exemple, lors d'une combustion, les atomes d'oxygène se lient avec les atomes d'azote contenus dans l'air pour former des oxydes d'azote appelés usuellement $NO_x$. Ces gaz sont partiellement responsables des pluies acides. On peut également citer le méthane ou encore l'ozone troposphérique.

• A côté de l'impact environnemental, les combustions présentent également des dangers pour les personnes (risque d'incendies, pouvant causer de graves brûlures voire la mort). Un type de combustion, dite incomplète, est particulièrement dangereuse pour les individus. Une combustion est incomplète lorsque le dioxygène est en quantité insuffisante, c'est-à-dire quand il n'y a pas assez d'air. Les combustions incomplètes produisent des suies (particules très fines) et du monoxyde de carbone $CO$. Ce dernier est très dangereux pour l'homme car il se fixe très fortement sur l'hémoglobine du sang à la place du dioxygène, empêchant ainsi une oxygénation correcte du corps. De plus, il est inodore et incolore, donc quasiment indétectable par l'Homme. Les oxydes d'azote $NO_x$ produits lors de combustions sont également nocifs pour l'Homme.

3. Alternatives aux énergies fossiles

• La consommation massive d'énergies fossiles pose aujourd'hui deux problèmes :

  $\circ\quad$ Ces énergies sont disponibles en quantité limitée sur Terre ;

  $\circ\quad$ L'utilisation (autrement dit, la combustion) de ces énergies est fortement émettrice de $CO_2$.

• Le premier problème montre que le modèle économique actuel basé sur la consommation massive de charbon, pétrole et gaz n'est pas durable. Le second problème va conduire à une augmentation de la température moyenne à la surface du globe de quelques degrés, ce qui va vraisemblablement conduire à des catastrophes climatiques puis humaines largement sous-estimées.

• Pour réduire les émissions de dioxyde de carbone et l'utilisation d'énergies fossiles, une piste serait d'avoir recours aux énergies dites renouvelables en tant que substituts, notamment :

  $\circ\quad$ La géothermie,

  $\circ\quad$ L'énergie solaire,

  $\circ\quad$ L'énergie éolienne.

• La position du nucléaire dans les énergies renouvelables et non renouvelables n'est pas clairement définie, mais cette énergie a l'avantage d'être très peu émettrice de $CO_2$ une fois la centrale nucléaire mise en fonctionnement : on peut donc consensuellement parler d'énergie décarbonée.

• Cependant, les énergies solaire et éolienne sont des énergies très diffuses (il faut énormément d'éoliennes ou de panneaux solaires pour égaler la puissance d'une centrale nucléaire d'une puissance d'1 GW par exemple) et ne fonctionnent pas en permanence car sont tributaires de l'ensoleillement et du vent. En effet, les installations solaires photovoltaïques ont en moyenne un facteur de charge (= pourcentage du temps sur une année où ces installations fonctionnent effectivement) de 15% et les parcs éoliens français 20%.

• Par conséquent, à côté des énergies renouvelables, il est nécessaire de stabiliser la fréquence du réseau à 50 Hz :

  $\circ\quad$ Soit en ayant des moyens de stockage de cette électricité colossaux, via des batteries (trop onéreuses pour l'heure, sans compter le coût d'adaptation du réseau électrique) ou des STEP (Station de Transfert d'Energie par Pompage) par exemple

  $\circ\quad$ Soit en couplant ces énergies à des centrales électriques conventionnelles (charbon, pétrole, gaz ou nucléaire) : cette deuxième option, beaucoup moins onéreuse, devrait privilégier la technologie nucléaire, la seule offrant un moyen décarboné de production d'électricité. C'est le choix fait actuellement par la France pour produire son électricité. Ce mix électrique {renouvelable + nucléaire} est décarboné à plus de 90%.

_{= Merci à gbm et à athrun pour avoir essentiellement contribué à l'élaboration de cette fiche =}