Panorama rapide des différents types d’énergie

L’objectif de cet article est de balayer rapidement les différents types d’énergie utilisée dans nos sociétés, de comprendre leurs origines et de différencier les énergies renouvelables des non renouvelables. On indiquera également celles qui sont émettrices de CO2.

Les économies mondiales ont besoin d’énergie pour fonctionner, que ce soit pour les entreprises du secteur industriel, agricole, ou des services, ou que ce soit pour les besoins des particuliers pour leur chauffage, leur transport et leurs équipements électroménagers.

Si on remonte un peu dans le temps, disons d’un million d’années, l’homme ne disposait que de sa propre énergie, l’énergie humaine. Lorsqu’il a découvert le feu, vers 500 000 av J.-C, il a eu accès à une nouvelle source d’énergie. Il a ensuite utilisé l’énergie animale vers 4000 av J.-C, puis l’énergie éolienne avec les moulins à vent en 700 av J.-C, l’énergie hydraulique avec les moulins à eau vers 18 av J.-C. Il faut attendre les années 1700 pour que la première machine à vapeur voie le jour. Le premier moteur à combustion interne apparaitra en 1807, le premier moteur électrique en 1834. Vers 1840 on note les premières utilisations de biomasse dans des gazéifieurs. L’énergie nucléaire par fission des atomes apparaitra en 1942, puis le solaire montrera le bout de son nez, avec les premières cellules photovoltaïques en 1954. En 2020, l’énergie nucléaire par fusion n’est pas encore opérationnelle, le démonstrateur ITER est en cours de construction dans les Bouches-du-Rhône et doit démarrer vers 2025. Si les promesses sont tenues, il faudra attendre encore plusieurs dizaines d’années pour que des réacteurs à fusion industriels alimentent le réseau.

Comme nous allons le voir, l’énergie n’a en réalité que trois origines :

- L’énergie solaire qui provient du soleil.

- L’énergie géothermique qui provient de la chaleur émise par le centre de la Terre.

- L’énergie nucléaire qui provient de l’énergie des liaisons entre les constituants des noyaux atomiques.

Toutes les autres énergies dérivent de l’énergie solaire.

- L’énergie hydraulique utilisée au niveau des barrages utilise l’énergie gravitationnelle de la terre. La masse de la terre attire l’eau vers le bas et l’accélère. L’eau transforme alors son énergie potentielle en énergie cinétique (ou mécanique) qui est récupérée à l’aide d’une turbine hydraulique. Celle-ci en tournant entraine un alternateur qui va produire un courant électrique utilisable.

Mais il ne faut pas oublier qu’une fois le barrage vide, la production d’électricité s’arrête. Il faut remonter l’eau de la mer ou de l’océan dans le réservoir du barrage !

Qui va bien pouvoir faire ce travail gigantesque ? 

Le soleil va s’en charger grâce au cycle de l’eau. Le rayonnement solaire chauffe les mers, les océans ce qui produit une forte évaporation. Le rayonnement solaire sur les forêts va également provoquer une évapotranspiration au niveau des végétaux. Ces deux phénomènes génèrent des nuages qui vont se déplacer au gré des vents et finir par se condenser en pluie et qui via les ruisseaux, rivières et fleuves alimenteront les barrages. Chouette ! On peut de nouveau produire de l’électricité. 

Voilà pourquoi l’énergie hydraulique est bien une énergie renouvelable, non émettrice de CO2 et d’origine solaire.

- Les énergies éoliennes et hydroliennes tirent respectivement leur énergie de l’énergie cinétique des molécules d’air et des molécules d’eau, grâce à des moulins à vent ou des éoliennes et des hydroliennes. Les vents et les courants marins proviennent du fait que la terre ne reçoit pas la même quantité d’énergie solaire partout. Un déséquilibre de température et de pression se produit en différentes parties du globe. Et d’après la thermodynamique, des échanges de matières vont se produire pour tenter d’homogénéiser les températures, provoquant vents et courants, les zones chaudes communiquant leurs énergies aux zones froides.

On peut ajouter le cas des usines marémotrices qui utilisent l’énergie des marées. Les marées étant provoquées par l’effet gravitationnel de la lune sur les océans, on peut parler dans ce cas d’énergie purement gravitationnelle. 

Il s’agit également d’énergies renouvelables, non émettrices de CO2 et d’origine solaire.

- L’énergie solaire thermodynamique, celle utilisée dans les chauffe-eau solaires. Ceux-ci récupèrent directement l’énergie radiative du soleil et également par effet de serre. Les rayons solaires visibles et infrarouges proches traversent la surface vitrée du capteur et chauffe le substrat dans lequel s’écoule un fluide caloporteur. Le substrat réémet un rayonnement en infrarouge lointain (chaleur) qui est bloqué par la surface vitrée du capteur. Le rayonnement piégé produit alors un échauffement maximal du fluide caloporteur.

Il s’agit d’énergies renouvelables, non émettrices de CO2 et de type solaire direct.

- L’énergie solaire photovoltaïque permet de convertir directement le rayonnement solaire en électricité. Les cellules photovoltaïques des panneaux solaires exploitent l’effet photoélectrique du silicium semi-conducteur qui les constitue. Pour simplifier, on peut dire que l’énergie d’un photon (un grain de lumière) va transférer son énergie à un électron du capteur ce qui va le mettre en mouvement. Et qu’est-ce qu’un mouvement d’électrons ? Eh bien, tout simplement un courant électrique. Le capteur photovoltaïque va donc produire une énergie électrique.

Il s’agit également d’énergies renouvelables, non émettrices de CO2 et d’origine solaire.

- Les énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz) se classent dans les énergies de type chimiques. La combustion de ces produits correspond à une réaction chimique, une oxydation plus précisément. À haute température, les molécules d’oxygènes sont capables de casser les molécules des composés carbonés que constituent le charbon, le pétrole et le gaz. L’énergie chimique ainsi dégagée provient de l’énergie de liaisons des molécules. 

Le charbon, le pétrole et le gaz proviennent de la décomposition et de la transformation de biomasse végétale produite il y a plusieurs millions d’années. Cette biomasse a été produite par les végétaux grâce au mécanisme de photosynthèse. Ce mécanisme permet de transformer le gaz carbonique et l’oxygène de l’air en matière organique grâce à l’énergie lumineuse du soleil.

Les énergies fossiles sont donc bien des énergies d’origine solaire, mais elles ne sont pas renouvelables à une échelle de temps humaine et elles sont fortement émettrices de CO2.

- Les énergies liées à la biomasse se classent comme les énergies fossiles, dans les énergies chimiques. C’est strictement la même chose, mais la biomasse (le bois par exemple) s’est constituée récemment (moins d’un siècle) et pourra se reconstituer également rapidement. Si le prélèvement sur les forêts est compatible avec leur capacité de régénération, alors dans ce cas, le bois est une énergie renouvelable. Pour ce qui concerne de l’utilisation de biomasse non ligneuse, par exemple la culture du colza pour les agrocarburants, la consommation d’espace agricole provoquera une forte compétition avec les cultures à usage alimentaire. 

Les énergies liées à la biomasse sont des énergies d’origine solaire, renouvelables à une échelle de temps humaine sous certaines conditions. Elles sont émettrices de CO2 lors de leur utilisation, mais comme elles captent le CO2 lors de leur production, le bilan est équilibré.

- L’énergie géothermique se classe dans les énergies thermiques d’origine gravitationnelle et nucléaire ou solaire suivant les types, voir en fin d’article. 

Lorsque vous vous enfoncez dans le sol, la température augmente d’environ 1°C tous les 30 mètres. À 4000 mètres de profondeur, la température dépasse largement les 100 °C. On peut donc chauffer de l’eau ou un fluide caloporteur simplement en le faisant circuler dans cet environnement chaud.

Il faut distinguer :

- La géothermie à très basse température

Il s’agit de récupérer les calories du sol sur les premiers mètres grâce à une pompe à chaleur. La température du sol à quelques mètres de la surface est voisine de 12°C, avec de faibles et lentes variations.

Il s’agit dans ce cas d’une énergie de type solaire, puisque c’est le soleil qui réchauffe les premiers mètres de sol.

- La géothermie à basse température

Elle consiste à l’aide d’un puits de profondeur moyenne (entre 100 et 1500 mètres) d’atteindre des zones où la température est plus importante, entre 15 et 30°C.

Il s’agit dans ce cas d’une énergie de type nucléaire et gravitationnelle, voir les explications en fin d’article.

- La géothermie à haute température ou profonde

Elle nécessite de creuser des puits à plus de 1500 mètres de profondeurs. Elle permet de faire tourner des turbines à partir de la vapeur d’eau formée à ces profondeurs.

Il s’agit dans ce cas d’une énergie de type nucléaire et gravitationnelle, voir les explications en fin d’article.

- La fission nucléaire.

Des atomes radioactifs d’uranium 235 sont cassés par des neutrons lents en deux atomes plus petits. Cette fission dégage une énergie importante provenant des liaisons existantes entre les constituants du noyau des atomes, d’où le nom de nucléaire.

Cette énergie est donc de type nucléaire, non émettrice de CO2, mais non renouvelable, car les ressources en uranium sont limitées et ne se reconstituent pas. Il faut ajouter à cela la problématique de la gestion des déchets radioactifs, sans solution acceptable actuellement et le risque d’accidents nucléaires aux conséquences incalculables.

- La fusion nucléaire

À l’inverse de la fission nucléaire où se sont de gros atomes radioactifs instables qui sont cassés, le principe de la fusion est de regrouper (fusionner) des noyaux légers en noyaux plus lourds et plus stables. C’est ce qui se passe au cœur du soleil. Les atomes d’hydrogène fusionnent entre eux pour former des atomes d’hélium lors d’un processus en plusieurs étapes. 

4H => He + E

Finalement, on obtient un atome d’hélium dont la masse est inférieure à la masse de la somme des atomes d’hydrogène qui le constitue. La différence de masse (M) s’est transformée en énergie suivant la formule d’Einstein : E= Mc². 

Un kilogramme d’hydrogène fournit 993,15 grammes d’hélium. La différence de 6,85 gr est convertie en énergie : E = 0,00685 x (3 x 108)2= 6,2 x 1014 joules.

Ces 6,85 gr d’hydrogène ont libéré autant d’énergie que la combustion de 22 000 tonnes de charbon.

Les réacteurs à fusion développés par l’homme tentent de fusionner du deutérium en hélium.

La fusion est une énergie de type nucléaire. Elle est non renouvelable dans le sens ou le deutérium n’est pas renouvelé, mais les très grandes quantités de deutérium contenu dans l’océan permettraient une utilisation pendant des milliers d’années. C’est une énergie qui n’émet pas de CO2. 

Contrairement à la fission, les risques d’accident nucléaire sont beaucoup plus faibles et les déchets nucléaires sont produits en plus faible quantité. 

Cependant, il est illusoire de compter sur cette énergie pour résoudre le problème du réchauffement climatique actuel. Nous avons besoin de réduire nos émissions de CO2 immédiatement et massivement, alors que cette technologie ne sera opérationnelle au mieux que dans plusieurs dizaines d’années.

Pour ceux qui veulent aller plus loin :

En début d’article, j’indique que l’énergie sur terre n’a que trois origines : solaire, géothermique et nucléaire.

À l’origine, il n’y a en fait que deux types d’énergie : l’énergie gravitationnelle et l’énergie nucléaire.

En effet, l’énergie du soleil provient de réactions thermonucléaires qui se sont amorcées par contraction des gaz d’hydrogène grâce à la force gravitationnelle qui s'exerce entre les particules de matière.

Pour l’énergie géothermique, c’est en partie la même chose, mais la masse de la terre étant beaucoup plus faible que celle du soleil, la force gravitationnelle n’est pas suffisante et les réactions thermonucléaires ne peuvent pas s’enclencher. 

Lors de la formation de la terre, l’agglomération de matière associée aux chocs des météorites va augmenter fortement la température. Il faut associer à cette première source d’énergie, la désintégration d’éléments radioactifs comme l’uranium 235, l’uranium 238, le thorium 232 et le potassium 40. Pour être complet, il faut aussi ajouter deux autres sources d’énergie : la cristallisation exothermique de la partie liquide du noyau de la Terre et les mouvements de matière liés à l’effet gravitationnel de la lune.

L’énergie géothermique est donc une énergie en partie gravitationnelle et en partie nucléaire.

Le jour où le soleil s’éteindra dans cinq milliards d’années environ, il ne nous restera comme énergie renouvelable que l’énergie des usines marémotrices !

Et si l’on remonte encore, jusqu’au Big Bang à l’origine de l’univers, il n’y avait certainement qu’une seule forme d’énergie, mais pour l’instant la science n’a pas encore réussi à l’expliquer.