Cours_Energies Renouvelables

1.  Définition

En physique, l'énergie est une mesure de la capacité d'un système à modifier un état, à produire un travail entraînant un mouvement, un rayonnement électromagnétique ou de la chaleur. Dans le Système international d'unités (SI), l'énergie s'exprime en joule du nom d’un physicien anglais du XIX^e, James Prescott Joule. Le joule est cohérent avec des unités plus usitées que sont le kilogramme, le mètre et la seconde (1Joul = 1Kg.m².s^-2).

Dans le langage courant, le terme « énergie » est utilisé pour remplacer « l’énergie utilisable par l’homme », également appelée « énergie libre ». Ainsi, lorsqu’on fait référence à la consommation d’énergie, il faut comprendre consommation d’énergie utilisable par l’homme ou consommation d’énergie gratuite.

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 perte d'énergie. A l’inverse, 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 connues ou pu utiliser. Jusqu’il y a environ 500 000 ans, la seule énergie gratuite dont disposait l’homme était sa propre énergie. En maîtrisant le feu pour chauffer, cuisiner, éclairer ou travailler les métaux, il franchit le premier pas de son apprentissage énergétique. Puis vint l’utilisation des énergies animales domestiques, éoliennes, hydrauliques, thermiques, chimiques, électriques, nucléaires, solaires, etc. Chacune de ces étapes a été l'occasion d'une évolution, le plus souvent majeure, dans les structures des sociétés humaines.

2. Formes d'énergies libres

Aujourd’hui, l’énergie utilisable par les humains se présente sous de multiples formes. Malgré cette diversité, les scientifiques ont réussi à établir des équivalences afin de pouvoir utiliser les mêmes unités de mesure pour chacun d'eux. Dans la liste qui suit, il sera fait référence à des formes qui peuvent, sous certaines conditions, être transposées dans 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 rayonnement, etc.) vers un stade final de chaleur, c'est-à-dire de mouvement désordonné des molécules. Ces transformations partiellement irréversibles obéissent entre autres au deuxième principe de la thermodynamique.

2.1. Énergie gravitationnelle

L'énergie gravitationnelle naît de l'attraction directe et réciproque entre deux corps massifs. Elle est négligeable pour les petits objets mais devient majeure à plus grande échelle. C'est lui qui met en mouvement un objet libre vers le sol ou qui génère le mouvement des planètes autour du Soleil. Il est utilisé par exemple dans les barrages hydrauliques où, en faisant circuler l'eau dans des canalisations, il met en mouvement des turbines.

2.2. Énergie cinétique dont l'énergie éolienne

L'énergie cinétique naît du mouvement d'un corps massif. C'est cela 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 des atomes d'un corps qui déterminent son niveau de température. La température est donc une mesure indirecte du degré d’agitation des particules. L'énergie cinétique permet de mettre en mouvement les pales des éoliennes qui font elles-mêmes fonctionner des générateurs d'électricité.

2.3. Énergie thermique ou calorique

L'énergie thermique naît de la température d'un corps qui, selon les cas, peut diffuser de la chaleur pour cuisiner, accélérer des réactions chimiques mais aussi générer des mouvements. Cette génération de mouvement n’est possible que si la température d’un corps peut être comparée à la température d’un corps plus froid. Cette loi physique a été clarifiée dans la deuxième loi de la thermodynamique. L'énergie thermique a joué un rôle essentiel dans la révolution industrielle, permettant notamment la production d'acier et la mise en mouvement des locomotives à vapeur. Aujourd'hui, elle exploite les turbines et les alternateurs produisant de l'électricité.

L'énergie géothermique, chaleur provenant de la terre, est un cas particulier de l'énergie thermique.

2.4. L’énergie radiative, y compris l'énergie solaire

L'énergie radiative provient du rayonnement reçu. Celles-ci sont, selon leur longueur d'onde, de natures différentes (ondes radio, lumière visible, rayons Ultra-Violets, rayons X, etc.) mais ont en commun la capacité de se déplacer même dans le vide et à la vitesse de la lumière. C’est l’énergie radiative qui permet à une ampoule électrique de s’allumer, à un four à micro-ondes de cuire des aliments et à un radar de mesurer la vitesse.

Le Soleil est une source majeure de rayonnement reçu sur Terre. Il nous envoie un niveau d’énergie important sous forme de petits paquets appelés photons, ayant des longueurs d’onde différentes. C'est cette énergie qui est valorisée directement en électricité dans les centrales photovoltaïques, voire en chaleur, qui peut ensuite être transformée en électricité dans les centrales thermodynamiques.

2.5. L’énergie chimique, ya compris les énergies fossiles

L'énergie chimique 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.

2.6. L’énergie nucléaire

L'énergie nucléaire 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.

2.7. L'électricité

L'électricité 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. Ses usages ne cessent de croître.

3.  Classification : énergie primaire et énergie finale

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

3.1.   L’énergie primaire : désigne l'énergie des différentes sources disponibles dans la nature avant transformation. Elle englobe notamment l’énergie du vent, du soleil, de la chaleur terrestre, de l’eau stockée dans un barrage, des combustibles renouvelables ou fossiles.

3.2.   L’énergie finale : désigne l’énergie livrée au consommateur final pour satisfaire ses besoins (carburants à la pompe, électricité chez soi, etc.) après transformations par l’homme. Entre l’énergie primaire et l’énergie finale fournie aux consommateurs, il s’opère des pertes lors d’opérations de transformation (ex : chaleur nucléaire en électricité, raffinage) et de transport (ex : pertes par effet Joule, transport des hydrocarbures).

4.  Les énergies renouvelables ou non-renouvelables

4.1. Les énergies renouvelables

Les énergies renouvelables, appelées également ressources renouvelables ou énergies alternatives, sont des sources d'énergie qui se reconstituent naturellement à l'échelle humaine et sont considérées comme durables sur le plan environnemental. Contrairement aux combustibles fossiles, qui sont limités et contribuent à la pollution de l'environnement et au changement climatique, les énergies renouvelables reposent sur des processus naturels qui peuvent être exploités pour produire de l'électricité sans épuiser les ressources de la Terre. L'énergie renouvelable englobe l'énergie éolienne, l'énergie hydraulique, l'énergie solaire, la géothermie,  l'énergie chimique, la biomasse[1],…

Les énergies renouvelables offrent de nombreux avantages, notamment la réduction des émissions de gaz à effet de serre, l'atténuation du changement climatique, la promotion de l'indépendance énergétique et la stimulation de la croissance économique grâce au développement de technologies énergétiques propres. Alors que le monde évolue vers un avenir énergétique plus durable, les énergies renouvelables jouent un rôle crucial pour répondre à la demande énergétique tout en minimisant l’impact environnemental.

4.2. Les énergies non-renouvelables

Les énergies non renouvelables, également connues sous le nom d’énergies finies ou conventionnelles, sont des sources d’énergie dont l’approvisionnement est limité et qui ne peuvent pas être reconstituées à l’échelle du temps humain. Ces sources d’énergie proviennent de combustibles fossiles et de ressources minérales qui se sont accumulées pendant des millions d’années et sont consommées à un rythme beaucoup plus rapide qu’elles ne peuvent être reconstituées naturellement. Les énergies non renouvelables comprennent les combustibles fossiles et l’énergie nucléaire.

Les énergies non renouvelables sont les principales sources d'énergie pour la production d'électricité, les transports, le chauffage et les processus industriels. Cependant, leur utilisation a des conséquences environnementales importantes, notamment la pollution de l’air et de l’eau, la destruction de l’habitat et les émissions de gaz à effet de serre qui contribuent au changement climatique.

En raison de leur nature limitée et de leur impact environnemental, il existe un intérêt croissant pour la transition vers des sources d’énergie renouvelables comme alternative plus durable et plus respectueuse de l’environnement. Alors que les énergies non renouvelables continuent de jouer un rôle important dans la satisfaction de la demande énergétique mondiale, les efforts visant à réduire leur consommation et à développer des alternatives plus propres sont de plus en plus importants pour relever les défis de la sécurité énergétique et de l’environnement.