Les définitions utiles et les unités de mesure
La Fée électricité, magnifique tableau de Raoul Dufy, réalisé en 1937 pour l’exposition universelle de Paris, est toujours visible aujourd’hui au Musée d’Art Moderne. 109 savants et penseurs qui ont contribué à l’invention de l’électricité y sont représentés. Et plusieurs d’entre eux ont donné leur nom aux unités de mesure de l’énergie et de la puissance.
Isaac Newton (la force, N), James Watt (la puissance, W) et James Prescott Joule (l’énergie, J), deux anglais et un écossais, y cotoient Blaise Pascal, le belge Zénobe Gramme, qui développa la dynamo, ou encore l’allemand Heinrich Hertz qui donnera son nom à l’unité de fréquence Hz).
L’énergie
L’énergie c’est la capacité à effectuer des transformations : déplacer un objet, modifier sa température, modifier sa forme. Elle est partout présente : dans le corps humain, dans la rivière qui fait tourner un moulin, dans le moteur à combustion interne ou électrique qui fait rouler une voiture, dans l’eau de la casserole qu’on réchauffe ou encore dans la force du vent qui fait tourner les éoliennes.
L’énergie existe sous de multiples formes :
- l’énergie musculaire humaine ou animale
- l’énergie thermique qui génère de la chaleur
- l’énergie mécanique qui fait déplacer ou déformer les objets
- l’énergie électrique qui fait circuler des électrons dans les fils électriques
- l’énergie chimique qui lie les atomes dans les molécules
- l’énergie de rayonnement ou lumineuse qui génère de la lumière.
Toutes les formes d’énergie n’ont pas la même « valeur » et l’on doit faire une distinction importante entre l’énergie mécanique (travail) de l’énergie thermique (chaleur). La première, qui fait déplacer ou déformer les objets, est beaucoup plus utile que la seconde. La chaleur a en effet tendance à se diluer dans les objets et seule une partie de celle-ci peut être convertie en énergie mécanique. C’est ainsi que dans une centrale électrique thermique à peine plus d’un tiers de la chaleur produite peut être convertie en électricité. Ou que dans un moteur à explosion à peine plus d’un tiers de l’énergie thermique dégagée est convertie en énergie mécanique de traction.
L’énergie électrique est toujours obtenue par transformation d’une autre forme d’énergie (sauf à imaginer de capter directement pour pouvoir l’utiliser l’énergie de la foudre). Historiquement l’électricité a d’abord été obtenue par transformation d’énergie musculaire (la dynamo) ou mécanique (la force des rivières). Son développement a très large échelle a été basé sur l’énergie thermique (à partir de la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz ou de la fission nucléaire) qui, transformée en énergie mécanique dans des turbines produit ensuite l’énergie électrique. Plus récemment la conversion directe de l’énergie lumineuse (effet photoélectrique) s’est ajoutée à la palette des sources d’énergie électrique tout comme l’énergie mécanique du vent convertie dans les éoliennes.
La mesure de l’énergie
Le joule (J) est la mesure de l’énergie dans le Système international de mesure. Sa définition n’est pas toujours simple à comprendre. Il faut d’abord passer par le Newton (N) qui est l’unité de mesure de la force et est égal à la force capable de fournir à un objet d’un kilogramme une accélération d’1 m/s2 . Le joule est alors le travail d’une force d’un newton déplaçant cet objet d’un mètre dans la direction de l’accélération. Pour illustrer plus pratiquemen, le joule représente l’énergie requise pour élever une pomme de 100 grammes d’un mètre ou encore l’énergie nécessaire pour élever la température d’un gramme (un litre) d’air sec de un degré Celsius. Le joule est donc une unité d’énergie minuscule, c’est pourquoi on utilisera plus fréquemment le kilojoule (1.000 J) ou dans les statistiques globales d’énergie le pentajoule (PJ=1015 J) ou l’exajoule (EJ =1018 J).
Comme pendant longtemps la référence de base pour l’énergie était la nutrition ou encore la chaleur on utilise aussi la calorie ou la kilocalorie. 1 kilocalorie équivaut à 4,2 kilojoules.
De même comme la référence énergétique mondiale a été longtemps le pétrole on peut aussi ramener toute mesure énergétique à son équivalent en pétrole. L’unité de base est alors la tonne équivalent pétrole, (tep). Celle-ci est équivalente à 41.868 millions de joules.
Après avoir abordé la puissance nous verrons enfin que l’énergie peut aussi se mesurer par référence à l’électricité et à sa mesure.
La puissance
La puissance est très souvent confondue avec l’énergie mais ce n’est pas l’énergie. La puissance correspond à la vitesse à laquelle l’énergie est délivrée. Elle se mesure en watt (W), ce qui correspond à un joule par seconde.
Par exemple, si pour faire bouillir un litre d’eau, on utilise d’un côté une flamme d’un gros feu de bois et de l’autre, la flamme d’une bougie : dans les deux cas, la même quantité d’énergie sera utilisée pour faire bouillir l’eau. Seulement, ce sera fait plus rapidement avec un feu qu’avec une bougie. L’énergie est dégagée plus rapidement avec le feu de bois qu’avec la flamme de la bougie. Si la puissance du gros feu de bous est 20 fois celle de la bougie il faudra 20 fois plus de temps à la bougie pour faire bouillir l’eau.
La puissance d’une centrale électrique mesure donc sa capacité instantanée à délivrer de l’électricité. Elle se mesurera en kilowatt (kW = 1.000 W) ou plus souvent en megawatt (MW = 1.000.000 W). L’énergie qu’elle produira se mesurera en kilowatt-heure (kWh c-à-d un kW pendant une heure). Le kWh sera donc une unité de mesure alternative pour l’énergie. Il est équivalent à 3.600 kilojoules.
Energie finale et énergie primaire
Une énergie primaire est une énergie brute n’ayant pas subi de transformation et se trouve à l’état brut dans l’environnement : le charbon, le pétrole, le gaz naturel mais aussi l’uranium, la biomasse et le vent, le soleil ou l’eau des rivières ou des marées sont des énergies primaires.
Une énergie secondaire est une énergie obtenue par la transformation d’une énergie primaire. L’électricité (qui n’existe pas à l’état primaire) est une énergie secondaire tout comme l’essence, le gasoil (diesel) ou les biocarburants. L’hydrogène est également une énergie secondaire.
Une énergie finale est enfin une énergie secondaire rendue sur son lieu d’utilisation après pertes de transport (perte des réseaux électriques et gaziers, énergie pour le transport des produits pétroliers).
Compte tenu des pertes de transformation de l’énergie primaire en énergie secondaire et des pertes de transport l’énergie finale est par essence inférieure à l’énergie primaire.
Les ordres de grandeur tangibles
Pour fixer les ordres de grandeur, une voiture à essence consommant 6 litres/100 km utilisera 60,3 kWh pour ces 100 kilomètres, un Airbus A321 consomme en moyenne 3 à 4 litres de kérosène par passager aux 100 km soit 28,8 à 38,4 kWh par passager pour 100 km, tandis que la consommation moyenne de fioul de chauffage par maison (en France et en Belgique) est de l’ordre de 2.000 litres par an soit, rapportée à 150 jours de chauffage annuel, 130 kWh par jour.
Le graphique de la consommation d’énergies fossiles de ce chapitre est exprimé en Exajoules (EJ) ou 1018 Joules (un milliard de milliards de Joules !) et calculé en multipliant les quantités de charbon, pétrole et gaz consommées par leur contenu énergétique. On peut aussi ramener les consommations d’énergie à un combustible standard, par exemple la Tonne-équivalent-pétrole (Tep) : une Tep est équivalente à 11.630 kWh ou 41,868 Gigajoules (un Gigajoule c’est un milliard de Joules).
Les ordres de grandeur macroéconomiques
Mais il est aussi intéressant de se pencher sur les ordres de grandeur globaux. En 2022, la consommation mondiale d’énergie primaire s’est élevée à 604 EJ ou 14.427 millions de tonnes-équivalent pétrole (Mtep). Cela fait donc en moyenne 1,8 Tep pour chacun des quelques 7,95 milliards d’humains mais 6,2 Tep en moyenne pour chacun des américains (USA), 3,0 Tep en moyenne pour chaque européen (UE+UK) ou 2,7 Tep en moyenne pour chaque chinois.
Quant à l’électricité générée la quantité moyenne par habitant a été, toujours en 2022, de 8.160 kWh en Belgique, de 6.880 kWh en France et de 6.870 kWh en Allemagne.
Et pour se fixer les idées encore un peu plus sur la France et la Belgique, la consommation d’énergie primaire y a été respectivement de 200,4 Mtep (2,95 Tep en moyenne par habitant) et de 58,5 Mtep (5,01 Tep en moyenne par habitant).
© Michel Allé
Décembre 2023