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Classification des énergies

mercredi 9 mai 2007, par ORMEE

Les différentes formes d’énergie

Toute classification est plus ou moins arbitraire. Nous tenterons de classer les formes d’énergie selon leur provenance dans la nature et selon le phénomène physique principal qui les concernent.

Le tableau qui suit est un résumé de toutes les formes d’énergie théoriquement disponibles. A ce sujet, il faut être clair : la science ne découvrira pas bientôt une nouvelle énergie, la probabilité est voisine de zéro, quels que soient les efforts de recherche, tout comme la probabilité que les physiciens découvrent un jour une cinquième force fondamentale est voisine de zéro (pour mémoire, les quatre premières sont la gravitation, la force électromagnétique, l’interaction forte et l’interaction faible).

Bien entendu, les catégories qui sont présentées ici sont susceptibles de certaines variations et peuvent encore être subdivisées en sous-catégories.

Nous essayerons ici d’expliquer, le plus clairement et le plus simplement possible, ce qu’est chaque forme d’énergie primaire et d’en dresser un inventaire qui n’oublie aucune catégorie.

Les différentes formes d’énergie, rassemblées dans le tableau ci-dessous, sont ensuite présentées plus en détail tout au long de cette page.

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Quantité ou qualité ?
La qualité de l’énergie est tout aussi importante que sa quantité. Quand on parle d’énergie, il ne faut pas mélanger les pommes et les poires. Du point de vue de la physique, les énergies thermiques ne sont pas équivalentes aux autres et il faut faire la différence entre équivalence et substitution. A ce sujet on parlera aussi d’exergie Exergie L’exergie mesure la quantité d’énergie pondérée par sa "qualité". C’est la quantité maximum de travail que peut fournir l’énergie.

L’énergie se conserve, l’exergie se dissipe. Elle se dissipe au fur et à mesure que la qualité de l’énergie diminue, typiquement lorsque la température diminue.
, de cogénération et de pompe à chaleur.

  I Les énergies primaires

Nous ferons une distinction, essentielle pour l’analyse des ressources énergétiques, entre les énergies primaires et les énergies secondaires.

  • Les énergies primaires sont celle qu’on trouve dans la nature (sur Terre), plus ou moins prêtes à l’emploi et qui sont susceptibles de satisfaire tous nos besoins, de manière directe ou indirecte.
  • Les énergies secondaires n’existent pas comme telles dans la nature. Elles sont obtenues par transformation à partir d’une autre énergie. Un des exemples les plus connus est l’électricité. Pour désigner les énergies secondaires on utilise souvent l’expression "vecteurs énergétiques".

  A Les formes classiques

Pour classer les énergies primaires, nous ferons ensuite la distinction entre les formes classiques d’énergie, les plus courantes, et les formes relativistes ou énergies nucléaires.

  • Les formes classiques sont celles qui obéissent aux lois de la mécanique classique et de la thermodynamique. Elles obéissent à la loi fondamentale de la conservation de l’énergie.
  • Les formes relativistes sont ainsi qualifiées car elles font intervenir la théorie de la relativité et la possibilité de conversion entre masse et énergie, selon la fameuse loi E = mc2 énoncée par Albert Einstein. Dans ce cas, la loi de conservation de l’énergie doit être étendue à la masse.
  1 Le solaire ancien

Le rayonnement solaire, rayonnement électromagnétique résultant des réactions de fusion nucléaire au sein du soleil, est à l’origine de pratiquement toutes les formes d’énergies classiques. Le (très petit) solde non-solaire a été emmagasiné lors de la formation de la Terre, sous forme de chaleur et d’isotopes radioactifs, ou dans notre système planétaire sous forme d’énergie de rotation.

Le rayonnement solaire reçu par la Terre est donc la principale source d’énergie classique. Pour l’étude des enjeux énergétiques, il est naturel de faire la distinction entre :

  • le solaire ancien, qui a permis l’accumulation pendant des centaines de millions d’années d’une petite fraction de la biomasse,
  • et le solaire récent, celui que la planète reçoit tout au long de l’année.

Pendant des centaines de millions d’années, le rayonnement solaire a permis le développement des plantes et de la biomasse en général. Lorsqu’une petite partie de cette biomasse (moins de 1%) s’est trouvée enfouie, elle a pu évoluer jusqu’à former du pétrole, du gaz et du charbon (le carbonifère, principale période d’accumulation du charbon, a par exemple duré environ 70 millions d’années). C’est ce solaire ancien qui assure plus des trois quarts de notre consommation actuelle d’énergie. Pour fixer les idées, on peut considérer que, au rythme actuel, en deux siècles, nous aurons consommé le capital d’énergie solaire accumulé pendant deux cent millions d’années ! Nous consommons donc les combustibles fossiles un million de fois plus vite qu’ils ne se sont accumulés.

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Puit de pétrole

Les combustibles fossiles , ceux qui résultent de l’action du solaire ancien, sont des hydrocarbures, c’est-à-dire des composés d’hydrogène et de carbone, en proportions variables : très peu d’hydrogène pour le charbon (CH), un peu plus pour le pétrole (CH2) et encore plus dans le cas du gaz naturel (CH4). Le contenu énergétique des combustibles est exprimé par leur pouvoir calorifique, il s’agit d’énergie sous forme chimique. On distingue habituellement :

  • Charbon. Sur les continents et surtout durant le carbonifère, sous le climat très chaud et très humide d’une atmosphère à effet de serre très marqué, des végétaux terrestres (principalement du bois) ont pu s’accumuler massivement et se trouver recouverts d’eau puis de boue et de sable. Ils se sont alors lentement transformés en acide humique puis en bitume et finalement en charbon. Aujourd’hui, ce processus a encore lieu dans les tourbières, mais bien plus lentement qu’à l’époque carbonifère.
  • Pétrole. Du plancton, ou des déchets organiques charriés par les rivières, se sont accumulés dans les fonds des océans. Mélangés, à raison de 1 à 2% avec des matières minérales et tassés par la formation des couches suivantes, ils forment la roche mère qui se transforme progressivement en kérogène. Si le kérogène est dans les bonnes conditions de pression et température, que l’on retrouve entre 2.200 et 3.800 mètres de profondeur, il se transforme progressivement en pétrole par migration au travers de couches poreuses filtrant les éléments lourds, jusqu’à son piégeage dans des roches réservoirs.
  • Gaz naturel. Comme le pétrole, le gaz est produit par la lente transformation du kérogène. Mais, contrairement au pétrole, les conditions nécessaires à sa formation se trouvent à une profondeur de 3.800 à 5.000 mètres.

En plus de ces combustibles fossiles conventionnels, il faut, pour être complet, faire encore mention de combustibles fossiles non-conventionnels :

  • Huile et gaz de schiste. La capture du gaz très diffus présent dans certaines structures géologiques a fait son apparition ces dernières années. L’extraction du gaz de schiste, particulièrement difficile, nécessite le recours systématique aux techniques combinées du forage dirigé et de la fracturation hydraulique à grands volumes particulièrement coûteuses.
  • Sables bitumineux. Oil sands en anglais. Ils sont composés d’un mélange de sable (ou de schiste) et de bitume. C’est dans l’Alberta canadien que l’exploitation de ce combustible est la plus marquante, avec toutes les conséquences désagréables associées, humaines et environnementales. Le bitume, parfois en très faible proportion, doit encore être liquéfié pour pouvoir le séparer du sable, ce qui consomme une quantité notable d’énergie.
  • Schistes bitumineux. Oil shale en anglais. Ils contiennent un mélange de schiste (ou de sable) et de kérogène. Ce dernier doit encore être pyrolysé avant de fournir un combustible ou carburant, ce qui consomme une quantité notable d’énergie.
  • Hydrates de méthane. Il s’agit de méthane (comme le gaz naturel) intimement associé à des molécules d’eau. On en trouve dans le permafrost (sol perpétuellement gelé) ou dans certaines abysses océanes, sous forme de clathrates. Comme il s’agit d’un puissant gaz à effet de serre, il y aurait un grand risque à le libérer dans l’atmosphère. Faute de techniques adéquates de capture de ce méthane "diffus", c’est ce qui risque pourtant de se produire avec la fonte du permafrost provoquée par le réchauffement climatique.

Profitons-en pour aborder un aspect important, trop souvent négligé, de l’extraction des combustibles fossiles : l’autoconsommation. S’il faut une quantité appréciable d’énergie pour extraire et raffiner un combustible ou un carburant à partir d’un gisement, un problème se pose. S’il faut un kilo de pétrole pour produire un kilo de pétrole, il n’y a plus aucun intérêt à procéder à l’opération, d’autant plus que l’on aura quand même transformé la totalité du carbone contenu en CO2.

Cette question de la quantité d’énergie nécessaire pour extraire une quantité d’énergie donnée (combien de tep pour extraire une tep par exemple) se pose d’ailleurs pour l’ensemble des combustibles fossiles. Au début, le pétrole jaillit parfois spontanément et il faut très peu d’énergie pour l’extraire. Idem pour le gaz et même pour le charbon qui se trouve dans de grosses veines pas trop profondément enfouies. Avec le temps et l’épuisement progressif des réserves, les choses se gâtent et il faut de plus en plus d’énergie pour extraire le combustible fossile résiduel qui est de moins en moins accessible. Malheureusement, cette consommation n’est généralement pas reprise dans les statistiques internationales. Elle pourrait constituer une surprise "cachée". Ce taux de retour énergétique (EROEI EROEI
EROI
Taux de retour énergétique - Energy Returned On Energy Invested (EROEI) - Energy Return On Investment (EROI)
) constitue donc un facteur de plus en plus important dans les analyses de croissance économique.

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Barrage de Keban
1 km de longueur, 1 330 MW.
Source : Wikipedia.
  2 Le solaire récent

Ce sont les formes d’énergie qui résultent de l’action du rayonnement solaire à une époque récente (jusqu’à quelques années) : croissance de la végétation, évaporation de l’eau, mouvements atmosphériques ou marins, etc. On distingue habituellement :

  • La biomasse. Ce sont les arbres, les plantes, le phytoplancton, etc. C’est la forme d’énergie la plus ancienne couramment utilisée par l’homme, depuis la découverte du feu. Il faut aussi ranger dans cette catégorie les animaux et leurs excréments. L’énergie que représente la biomasse est sa capacité à brûler, c’est son pouvoir calorifique.
  • L’énergie hydraulique. C’est une conséquence du cycle de l’eau : évaporation, pluie et écoulement depuis les hauteurs vers la mer. L’énergie hydraulique résulte d’une hauteur de chute l’on peut trouver ou créer sur le trajet de son écoulement. On utilise souvent des barrages pour effectuer cette récupération d’énergie.
  • L’énergie éolienne. C’est celle du vent, qui résulte des mouvements atmosphériques. L’énergie est ici l’énergie cinétique du vent, celle due à sa vitesse (au carré d’ailleurs).
  • L’énergie solaire. On peut capter directement l’énergie du rayonnement solaire au moyen de différents systèmes. Les panneaux photovoltaïques par exemple transforment directement une partie de cette énergie en électricité. Les panneaux thermiques récupèrent une partie de cette énergie sous forme de chaleur.

On peut encore mentionner le mouvement de surface des océans, les vagues ou la houle, qui résulte du passage du vent et qui peut également produire de l’énergie. Enfin, on peut citer les courants marins, qui sont une conséquence plus complexe du cycle de l’eau et du réchauffement des océans par le soleil.

  3 Le non solaire

Dans la nature, on trouve également quelques formes d’énergie classiques non solaires. Cependant leur importance est modeste comparée aux autres énergies primaires.
L’énergie géothermique. C’est l’énergie thermique qui se trouve sous la croûte terrestre. Elle résulte de la chaleur produite par la désintégration nucléaire des isotopes radioactifs présents dans l’intérieur de la Terre, augmentée de la chaleur résiduelle de formation de notre planète, résultat des frictions et collisions des poussières qui se sont rassemblées pour la constituer. Les isotopes radioactifs quant à eux sont des vestiges d’étoiles qui ont explosé à la fin de leur vie et dont les résidus ont participé à la formation du système solaire.
L’énergie des marées. Elle est prise sur l’énergie de rotation du système Terre-Lune et même Terre-Lune-Soleil. C’est la différence de la force d’attraction de la Lune (et du Soleil) sur les océans (principalement), selon qu’ils sont du côté de la Lune ou du côté opposé, qui provoque le phénomène de marées.

  B Les formes relativistes

Depuis le début du XXe siècle, on sait que matière et énergie sont liées par la relation E = m.c2 (équation d’Einstein). L’énergie est égale au produit de la masse par le carré de la vitesse de la lumière. Ainsi, un kep kep Le kilo d’équivalent pétrole est une unité d’énergie évocatrice, correspondant à peu près à un litre de carburant.
Les consommations individuelles d’énergie exprimées en kilogrammes d’équivalent pétrole par jour et par personne (kep/j/p) donnent des chiffres simples et parlants.
d’énergie (42MJ) correspond à une masse de 46,7 millionièmes d’un milliardième de gramme. C’est en raison de l’extrême petitesse de cette valeur que cette équivalence a été découverte si tardivement.

En parallèle, des mesures extrêmement précises ont permis de découvrir que lorsqu’on brise un noyau lourd (l’Uranium 235 par exemple), la masse totale des morceaux (rubidium 93, césium 140 et deux neutrons par exemple) est plus petite que la masse du noyau initial. C’est cette masse disparue lors de la désintégration du noyau lourd que l’on retrouve sous forme d’énergie. Ce processus est à la base de la bombe atomique de Hiroshima, de la radioactivité naturelle (importante source de chaleur dans manteau de la Terre) aussi bien que des centrales nucléaires actuelles.

Mais on a également remarqué que lorsqu’on arrive à "fusionner" des noyaux légers (deux noyaux de deutérium par exemple), la masse diminue : la masse obtenue (de l’hélium 3 et un neutron par exemple) est plus petite que la somme des masses des noyaux de départs. Là aussi, cet écart de masse est libéré sous forme d’énergie. Ce principe est à la base de l’énergie rayonnée par le soleil, des bombes à hydrogène, mais aussi du fameux projet ITER, dans lequel certains scientifiques entrevoient l’avenir énergétique lointain de l’humanité. Si la fission existe à l’état naturel sur Terre, il n’en est pas de même de la fusion, qui se rencontre essentiellement dans les étoiles.

Pour qualifier ces écarts de masse, on parle de défaut de masse qui, en vertu de l’équation d’Einstein, est la cause du caractère exothermique des réactions nucléaires de fission des noyaux lourds et de fusion des noyaux légers.

  1 La fission
  • Uranium235. Lorsqu’il est percuté par un neutron lent (neutron thermique) un noyau d’U235 peut fissionner en deux noyaux plus légers en émettant de la chaleur et un neutron rapide. La chaleur sera évacuée par un fluide caloporteur et servira, après d’autres étapes, à faire tourner les alternateurs producteurs d’électricité. Le neutron rapide, ralenti par un agent modérateur, pourra assurer la poursuite de la réaction en chaîne en initiant la fission d’un autre noyau d’uranium. Ce principe est à la base du fonctionnement actuel de la totalité des réacteurs nucléaires dans le monde.
    Cependant, l’U235 ne représente qu’une toute petite partie de minerais d’uranium, surtout composé d’U238. Or dans certain cas, un noyau d’U238 capture un neutron lent et se transforme ensuite en plutonium239, après émission de deux électrons (rayonnement bêta). Ce sont ces nouveaux noyaux lourds, les transuraniens, tels le plutonium, qui constituent les déchets radioactifs les plus gênants en raison de leur très longue durée de vie.
  • Plutonium239 et Uranium233. Les ressources mondiales limitées en U235 ont favorisé les recherches sur des réacteurs utilisant ces deux autres combustibles nucléaires. Comme on l’a dit plus haut, l’U238 peut être transformé en P239. De manière tout à fait analogue, le thorium, abondant dans la nature, peut être transformé en U233. Cependant, pour provoquer la fission de ces deux noyaux atomiques il faut les bombarder avec des neutrons rapides et il faut donc un nouveau type de réacteur, différent de ceux que l’on utilise actuellement, qui utilisent des neutrons lents. Dans le monde, seuls quelques réacteurs expérimentaux de ce type ont fonctionné quelque temps. Superphénix en France est l’exemple le plus connu. Les ingénieurs nucléaires estiment cependant que, si les pouvoirs publics leur en donnent les moyens, des réacteurs de ce type pourraient être opérationnels d’ici 30 ou 40 ans.

  2 La fusion

La fusion nucléaire est un objectif technologique extraordinairement ambitieux que nous sommes très loin de maîtriser.

Jusqu’à ce jour quelques installations dans le monde (Tokamak en Russie par exemple) ont réussi à atteindre les conditions de température et de pression nécessaires à la fusion des deux isotopes de l’hydrogène (un proton) que sont le deutérium (un proton et un neutron) et le tritium (un proton et deux neutrons) pendant quelques toutes petites fractions de seconde.

Le projet mondial ITER, en cours à Cadarache en France, a pour objectif de maintenir une fusion de deutérium et de tritium pendant quelques minutes, tout en produisant plus d’énergie qu’il n’en consomme. Et pour atteindre ce modeste objectif, les physiciens et ingénieurs se sont donné une quarantaine d’années.

Après, il faudra encore d’autres projets de recherche pour s’assurer que l’on peut fabriquer des enceintes de réacteur capables de supporter pendant plus de quelques semaines, sans être détruites, le flux de neutrons extrêmement énergétiques produits par la fusion. Certains physiciens [1] sont particulièrement sceptiques. Enfin, si on trouve dans l’eau les quantités de deutérium nécessaires, il n’en est pas de même du tritium, qui devra être produit, probablement à partir du lithium.

En résumé, aucun scientifique ne peut garantir que cette technologie aboutira un jour, tout comme aucun scientifique ne peut certifier que l’on n’y arrivera jamais.

  II Les énergies secondaires

On parle aussi de vecteurs énergétiques c’est à dire de formes d’énergie, autres que les énergies primaires, et qui servent d’intermédiaires ou sont utilisées pour la consommation finale.

On utilise une énergie secondaire parce qu’elle est plus "pratique" que la forme primaire (ou qu’une autre forme d’énergie secondaire). Les lois de la physique, et en particulier de la thermodynamique, précisent toutefois que la quantité d’énergie secondaire produite par la transformation est toujours inférieure à la quantité d’énergie primaire utilisée pour la transformation. Il y a toujours une perte, plus ou moins importante, dissipée sous forme de chaleur qui n’a plus d’utilité. Cette dissipation dépasse habituellement les 50% lorsque l’on passe d’une énergie thermique à une énergie électrique ou mécanique. Ce n’est pas toujours la maladresse des ingénieurs qui explique ces pertes mais ce sont souvent des lois de la physique.

En raison de la très grande variété des énergies secondaires et du peu d’intérêt de la chose dans le cadre de notre étude, nous ne tenterons pas d’en dresser une liste exhaustive. A titre d’exemple, on citera cependant quelques formes d’énergies secondaires :

  • L’électricité est produite essentiellement dans des centrales électriques (thermiques, nucléaires ou hydrauliques) dans lesquelles une machine tournante entraîne un alternateur. Le grand avantage de l’électricité est qu’elle est aisément transportable et facilement utilisable par des milliers d’équipements de toutes natures. Elle est tellement courante dans notre environnement que nous n’y prêtons plus vraiment attention. Son gros inconvénient est qu’elle est difficilement stockable. Les meilleures solutions étant probablement le stockage dans des barrages-centrales hydrauliques (pompage-turbinage) et le stockage dans des batteries, selon les quantités que l’on désire stocker. De plus, le transport de l’électricité par lignes électriques, sous forme de courant alternatif, peut difficilement dépasser 1.000 ou 1.500 km sans que les pertes ne deviennent excessives.
  • L’hydrogène - énergie du futur ? - peut-être obtenu à partir de l’électricité, par hydrolyse, où à partir d’hydrocarbures, par reformage. Il faut ensuite le comprimer ou le liquéfier puis le transporter pour finalement l’utiliser, généralement dans une pile à combustible qui restitue de… l’électricité (avec, comme d’habitude, des pertes à toutes les étapes de la chaîne). Est-ce une énergie secondaire "pratique" ? L’avenir nous le dira. Cependant, on sous-estime souvent la dangerosité de ce gaz, très explosif en présence d’air.
  • L’essence, le diesel, le fioul de chauffage, le kérosène, etc. Ce sont des carburants produits dans des raffineries, le plus souvent à partir de la transformation du pétrole.
  • Le coke, obtenu à partir du charbon dans des cokeries.

[1Dont les prix Nobel Pierre-Gilles de Gennes et Masatoshi Koshiba.

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