L'énergie dans la société

Ce cours fait le point sur le concept d’énergie dans nos sociétés. Seuls quelques aspects physiques sont abordés ici : en particulier, la problématique sanitaire (dangerosité inhérente à toute technologie) n’est pas traitée.

Pour plus de détails, on pourra consulter le chapitre 4 de \shortciteNP{blanc2023}.

1Pourquoi parler d’énergie ?¶

Le réchauffement climatique est causé par l’accumulation de gaz à effet de serre (principalement du CO$_2$) dans l’atmosphère. Ces gaz à effet de serre sont des déchets des activités humaines : le dioxyde de carbone provient de la combustion des hydrocarbures. Les énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) sont des hydrocarbures. Or la quasi-totalité (85 %) de l’énergie primaire utilisée actuellement par l’humanité est de l’énergie fossile. Cette énergie est brûlée depuis le 19^e siècle, le produit de cette combustion, le CO$_2$, s’accumule dans l’atmosphère depuis. Et le climat se réchauffe inexorablement. Chaque année environ 45 milliards de tonnes de CO$_2$ sont rejetés dans l’atmosphère et 15 milliards de tonnes d’autres gaz à effet de serre.

Pour appréhender la problématique sociétale du réchauffement climatique il est donc indispensable de regarder ce qu’est l’énergie dans la société.

2Qu’est-ce que l’énergie ?¶

L’énergie est un concept omniprésent dans nos sociétés mais qui reste très flou dans l’esprit du public. La physique en donne cependant une définition très précise.

Le terme « énergie » vient du grec *energeia signifiant « force en action. » Le dictionnaire CNRTL en ligne la définit comme la « capacité d’un corps ou d’un système à produire du travail mécanique ou son équivalent. »

2.1Définition physique¶

2.1.1Énergie cinétique et énergie potentielle¶

L’énergie permet de quantifier (et comparer) des interactions entre des phénomènes physiques très différents. Elle a la particularité de se conserver, c’est-à-dire qu’un système ayant une certaine quantité d’énergie conserve cette quantité d’énergie après une transformation ou lors d’une interaction avec ou par un phénomène physique, à condition que le système soit isolé, c’est-à-dire sans interaction avec le monde extérieur.

Elle se trouve sous deux formes :

• l’énergie cinétique dont le qualificatif exprime le mouvement, quantifie l’énergie liée à la vitesse d’un système ;

• l’énergie potentielle qui exprime la potentialité d’un mouvement ultérieur. Elle peut revêtir de nombreuses formes (exprimés à une constante près) : énergie potentielle gravitationnelle ; énergie potentielle électromagnétique ; énergie potentielle de masse ou énergie de masse ; énergie potentielle élastique, liée à la déformation d’un matériau ; énergie potentielle chimique, liée à la variation du nombre de constituants d’un système ; etc.

On peut également relier ces différentes formes d’énergies potentielles aux interactions fondamentales, gravitationnelle, électromagnétique, forte (responsable de la cohésion des noyaux atomiques), faible (responsable de la radioactivité $\beta$ et de la fusion de l’hydrogène en hélium, entre autres).

2.1.2Conservation¶

La somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle d’un système constitue l’énergie mécanique d’un système, qui est conservée à tout instant.

Cela se traduit sous la forme d’un principe, le premier principe de la thermodynamique : l’énergie totale d’un système isolé est invariante au cours du temps. Tout en étant conservée l’énergie d’un système peut varier d’une forme à l’autre au gré de son évolution. Ces échanges se font par l’intermédiaire d’un travail ou d’un transfert thermique (ou quantité de chaleur).

On ne peut pas mesurer directement l’énergie d’un système, on peut seulement en déduire sa quantité à partir de la mesure de la variation d’une grandeur mesurable : température, vitesse, masse, intensité électrique, etc.

2.1.3Énergie ordonnée et énergie désordonnée¶

On peut distinguer deux formes d’énergie : une énergie « ordonnée » et une énergie « désordonnée ».

• L’énergie désordonnée est associée à l’énergie thermique, qui est l’énergie liée à l’agitation thermique des constituants de la matière (énergie cinétique des particules très nombreuses aux mouvements erratiques constituants un système physique).
• L’énergie ordonnée est liée à l’énergie mécanique, cinétique^[1] ou potentielle (gravitationnelle, électromagnétique, élastique, chimique...) du système macroscopique.

La différence fondamentale entre ces deux sortes d’énergies est que l’on peut intégralement transformer une énergie mécanique (ordonnée) en énergie thermique (désordonnée) alors que l’inverse n’est pas possible. Ce type de transformation est en effet interdit par le second principe de la thermodynamique, qui dit que l’entropie d’un système isolé (c’est-à-dire sans contact et sans lien énergétique avec l’extérieur) ne peut qu’augmenter.

2.1.4Unité d’énergie¶

L’énergie s’exprime en joules (J), une unité dérivée du système international d’unités : $1\ \text{J} = 1\ \text{kg}\cdot\text{m}^2\cdot \text{s}^{-2}$. Il existe d’autres unités d’énergie qui sont utilisées en fonction des domaines d’activité. Citons par exemple :

• le kilowatt-heure (kW$\cdot$h ou kWh) est l’énergie consommée par un appareil d’une puissance de 1000 watts pendant la durée d’une heure, 1 kWh = $3,6\cdot 10^6$ J. Cette unité est utilisée pour quantifier l’énergie électrique dans la société.
• la tonne-équivalent-pétrole (tep) (ou toe : tonne of oil equivalent en anglais) correspond à l’énergie thermique dégagée par la combustion (on parle alors de pouvoir calorifique) d’une tonne de pétrole « moyen », 1 tep = 41,868 GJ. Cette unité est utilisée dans l’industrie et en économie.

2.1.5Énergie ou puissance ?¶

La puissance est la quantité d’énergie par unité de temps. Elle s’exprime en watt (W), 1 W = 1 J$\cdot$s$^{-1}$. Elle exprime la vitesse à laquelle s’effectue un transfert d’énergie.

2.2Définition « sociale »¶

L’énergie est présente dans tous les actes de notre vie quotidienne. Dès que quelque chose change, il y a de l’énergie qui entre en jeu. Ce n’est pas une chose ou un objet, c’est un concept qui permet de quantifier ce qui change.

Notre corps est le siège de nombreuses transformations qui utilisent (forcément) de l’énergie : nos membres bougent grâce aux muscles qui transforment de l’énergie chimique en énergie mécanique, énergie chimique issue des aliments que nous ingérons. La transformation de cette énergie, via le métabolisme, permet aussi à nos organes de fonctionner, à notre température de se maintenir constante...

Les objets qui nous entourent ont été fabriqués grâce à l’énergie. Modifier la forme, faire changer d’état (liquide à solide, ou vice versa par exemple), assembler deux morceaux ou les séparer, etc., tout cela fait intervenir de l’énergie. Nous déplacer fait intervenir de l’énergie. Nous éclairer, nous chauffer, aussi.

Nous parlerons dans ce qui suit de production et de consommation d’énergie, mais, comme l’énergie est conservée, elle ne peut apparaître du néant et disparaître ensuite. Elle ne peut être que transformée. La \textit{production} d’énergie revient donc, par exemple, à transformer une énergie mécanique, dans un barrage, en énergie électrique, mais aussi en énergie thermique dans les frottements, la viscosité de l’eau, l’effet Joule, etc. La \textit{consommation} d’énergie, par exemple d’essence dans une voiture, revient à transformer une énergie chimique en énergie mécanique (énergie cinétique), mais aussi en énergie thermique (frottements, viscosité de l’air, énergie thermique de combustion, pertes dans le moteur, etc.).

2.2.1Énergie disponible¶

L’énergie disponible au sens physique du terme est l’énergie que fournit la transformation d’un système donné. Par exemple, pour les énergies fossiles, l’énergie disponible est celle qui est fournie par la réaction chimique de combustion. De même pour l’énergie nucléaire, l’énergie disponible est l’énergie de liaison des noyaux libérée lors d’une réaction de fission.

Pour l’énergie hydraulique, l’énergie disponible est l’énergie cinétique (issue de l’énergie potentielle de pesanteur) de l’eau dans les conduites forcées ; pour l’énergie éolienne, c’est l’énergie cinétique du vent. Pour l’énergie issue de la biomasse, c’est l’énergie thermique obtenue par combustion de celle-ci.

Nous parlerons également de source d’énergie en guise de synonyme, même si cette dénomination est abusive : il ne peut y avoir création d’énergie ex nihilo.

2.2.2Énergie primaire¶

L’énergie primaire est la forme sous laquelle une énergie est disponible après la première transformation.

Il y a deux grandes familles de sources d’énergie primaire :

• les énergies de stock : on puise dans une réserve de matière limitée. Ce sont les combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon) et le nucléaire avec le minerai d’uranium.
• les énergies de flux : on prélève dans un flux d’énergie qui nous arrive continûment, que l’on exploite ou pas (hydraulique, éolien, solaire, géothermie, biomasse). Les énergies de flux sont des énergies renouvelables^[2], car on ne consomme pas de matière combustible^[3].

Les diagrammes suivants illustrent les conventions définissant l’énergie primaire en fonction de la source (tiré de Bouneau (2018)).

Pour les énergies de stock : l’électricité produite dans les cen- trales thermiques ne représente qu’environ un tiers de l’énergie thermique dégagée, à cause du rendement thermodynamique. L’énergie primaire est ici la chaleur produite.

Pour les énergies de flux : l’énergie primaire est l’électricité produite. Le rendement est dû aux technologies de conversion de l’énergie disponible.

2.2.3Énergie utile¶

L’énergie disponible n’est pas directement utilisable. L’énergie utile est donc celle qui est directement utilisée ou utilisable après transformation par des machines. La notion d’énergie utile dépend aussi de ce que l’on souhaite en faire : utile à quoi ? À chaque étape de conversion de l’énergie disponible, on a un rendement :

Le rendement s’exprime dans le cas d’une transformation, comme la transformation thermodynamique de l’énergie thermique issue d’une centrale thermique en électricité.

Par exemple, l’énergie de fission nucléaire est transformée en électricité dans une centrale nucléaire dont le rendement global est d’environ 33 % (tenant compte du rendement thermodynamique de la machine, ainsi que de celui des turbines et des alternateurs). Ensuite l’électricité est transportée dans des câbles, avec des pertes de l’ordre de 10 %. Elle arrive chez le consommateur qui va l’utiliser pour alimenter une ampoule à incandescence^[4]. À ce niveau, si l’utilité est l’éclairage, alors le rendement est d’environ 10 %, si l’utilité est le chauffage, alors le rendement est d’environ 100 %. Dans le cas du chauffage, le rendement global est d’environ 30 % tandis que dans le cas de l’éclairage, le rendement global est d’environ 3 % (Bouneau (2018)).

Quand on parle d’énergie utile il faut donc bien préciser utile à quoi et à quel niveau de la chaîne de transformation et de transport elle se positionne, en tenant compte des différents rendements (machines) et des pertes (transport).

Le tableau \ref{tab:rendements} donne l’ordre de grandeur du rendement de quelques installations de transformation de l’énergie. On constate que généralement plus de la moitié de l’énergie initialement disponible est perdue (dans le sens où elle n’est pas utilisée, car non intégralement transformée dans la forme souhaitée.).

2.2.4Énergie finale¶

L’énergie finale est un concept utilisé en économie pour désigner l’énergie achetée par le consommateur : électricité, essence, fioul... Il ne s’agit pas (forcément) d’énergie utile. Ainsi, pour le transport ou le chauffage, on achète de l’essence, du fioul ou du bois avant toute production d’énergie thermique : il s’agit donc d’énergie primaire. Tandis que lorsqu’on achète de l’électricité, c’est après transformation, il s’agit directement d’énergie utile.

3Différentes classes d’énergies¶

3.1Puissances, facteurs de charge¶

Les installations de production d’énergie utile ne fonctionnent pas à leurs capacités maximales en permanence : il s’agit de la puissance installée (ou de la puissance crête dans le cas du solaire photovoltaïque). La puissance moyenne (dans le temps) effective permet d’en déduire le facteur de charge $f$ :

Où $P_{\text{moyenne}}$ est la puissance moyenne de l’installation sur une année (énergie totale produite sur une année divisée par le nombre de secondes dans une année), $P_{\text{installée}}$ est la puissance installée, à savoir la puissance théorique lorsque l’installation fonctionne dans des conditions optimales.

3.2Pilotable ou non pilotable¶

Nous avons vu que l’on peut classifier l’énergie de beaucoup de façons. Il y a notamment les énergies de flux et les énergies de stock.

Les énergies de flux nous parviennent de manière continue, il s’agit de les exploiter « au fil de l’eau » ! Il s’agit d’énergies dites « renouvelables », à l’échelle de leur temps d’exploitation par l’humanité : l’énergie solaire liée au flux de photons du Soleil, l’énergie éolienne liée au vent, l’énergie de la biomasse liée à la photosynthèse, l’énergie hydraulique liée au cycle de l’eau, l’énergie géothermique liée au flux d’énergie thermique issu du manteau terrestre... Les premières sont associées au rayonnement solaire (flux de photons, vents, cycle de l’eau, photosynthèse). La deuxième liée à la radioactivité de certains nucléides présents dans le manteau terrestre. L’intensité de son flux diminue au fur et à mesure de la décroissance radioactive, mais de façon imperceptible à l’échelle humaine.

Les énergies de stock sont associées à une quantité finie (ou lentement reconstituée) de matières premières sur Terre. Il s’agit des énergie fossiles (charbon, pétrole, gaz naturel) et de l’énergie nucléaire provenant de la fission de l’uranium, qui est en quantité limitée sur Terre : ce qui est « utilisé » a définitivement disparu. Ces énergies de stock sont donc épuisables.

Les énergies de stock sont pilotables, il s’agit de la capacité de ces sources d’énergie de pouvoir s’adapter à la demande, en particulier pour la production d’électricité. Certaines énergies de flux sont également pilotables, comme l’énergie hydraulique (issue des barrages) qui est d’ailleurs utilisée pour produire de l’électricité très rapidement, à l’échelle de quelques minutes, afin de réagir aux pics de consommation. L’énergie géothermique est également pilotable, le flux d’énergie thermique étant stable dans le temps. Tout comme l’énergie issue de la biomasse, puisque celle-ci peut être produite de manière continue et contrôlable.

Les centrales thermique nucléaires ou à charbon sont « pilotables » mais avec plus d’inertie. En revanche elles sont « modulables » à l’échelle de quelques heures. Elles permettent néanmoins d’assurer la production électrique de base de manière complétement prédictible.

Les autres énergies de flux (solaire et éolien) sont non pilotables car leur quantité exploitable est fixée par la nature (présence de vent ou pas, flux de photons solaires liés à l’alternance jour-nuit, à la saison et à la couverture nuageuse). On ne peut pas les contrôler, seulement tenter de lisser leurs fluctuations.

La figure 1 illustre les différents types d’énergie.

3.3Le paysage énergétique mondial¶

La consommation totale d’énergie primaire dans le monde est d’environ $6\cdot 10^{20}$ J = 650 EJ/an (en 2024 — AIE (2025)). Cela correspond à une puissance moyenne de 20 TW.
Cette consommation elle augmente à un rythme d’environ 2,2 % par an.

Les ressources fossiles (pétrole, gaz naturel, charbon) contribuent environ à 80 % de la consommation totale d’énergie primaire, le nucléaire à 5 % (avec 417 réacteurs), les renouvelables (essentiellement l’hydroélectricité et la biomasse — à avoir le bois et les biocarburants) à 15 %.

La production mondiale annuelle d’électricité est environ de 112 EJ (en 2024), soit 17 % de la production d’énergie primaire. Dont 59 % provenant d’énergies fossiles, 32 % de renouvelables et 9 % de nucléaire.

La consommation d’énergie primaire en France est environ de 9,3 EJ en 2024 (+ 1,9 % par rapport à 2023). C’est 1,4 % de la consommation mondiale. Environ 45 % est de l’énergie nucléaire, 42 % des énergies fossiles et 13 % des énergies renouvelables.

4L’électricité¶

L’électricité est un vecteur énergétique : elle permet de transporter relativement facilement de l’énergie. On peut le produire à partir de différentes sources, y compris des sources renouvelables ou peu polluantes. Il présente néanmoins un inconvénient majeur, la difficulté que l’on a à le stocker pour différer son utilisation.

La France consomme chaque année environ $1,6\cdot 10^{18}\ \text{J}$ = 1,6 EJ d’électricité, soit une puissance moyenne de 50 GW.

4.1Réseau électrique¶

Le réseau est constitué de lignes électriques fonctionnant à différents niveaux de tension, connectées entre elles par l’intermédaire de postes électriques qui permettent de répartir l’électricité et de passer d’une tension à une autre grâce à des transformateurs.

Les pertes par effet Joule ne sont pas négligeables puisqu’en 2019, sur 1,9 EJ d’énergie électrique produite par la France, 0,04 EJ (soit 2 %) ont ainsi été perdus, ce qui représente une puissance moyenne sur l’année de 1,2 GW : soit l’équivalent d’un réacteur nucléaire... (RTE (2019)). C’est pourquoi il est préférable de transporter l’électricité en haute tension, pour une puissance donnée, sur de longues distances.

Le courant dans un tel réseau est donc alternatif (afin de pouvoir modifier la tension facilement avec un transformateur) et sinusoïdal. En effet, la manière la plus simple de produire de l’électricité est de faire tourner un alternateur, qui, par induction transforme une énergie mécanique de rotation en énergie électrique. L’alternateur peut être entraîné par une turbine (barrage hydroélectrique, centrale thermique), par une éolienne, etc. De cette façon, comme il s’agit d’un mécanisme en rotation uniforme autour d’un axe, le courant produit sera naturellement sinusoïdal.

La fréquence du courant transporté est assurée par la rotation des alternateurs qui tournent tous à la même fréquence instantanée, proportionnelle à leur vitesse de rotation, c’est la fréquence synchrone (Sapy (2019)).

La mise en réseau de l’acheminement de l’électricité permet également de profiter du caractère aléatoire de la demande de chaque consommateur, en la lissant sur l’ensemble de l’interconnexion, tout comme les pannes : la probabilité que tout le monde fasse fonctionner ses appareils électriques en même temps ou que des pannes surgissent simultanément est ainsi nulle en pratique (Krakowski (2016)).

4.2Stabilité du réseau¶

L’électricité est un vecteur énergétique qui ne peut pas facilement se stocker massivement, en tout cas sous une forme immédiatement disponible et à un coût satisfaisant. Il faut donc qu’en permanence la production (nette, c’est-à-dire la production totale à laquelle on retranche les exportations et le stockage, on ajoute les importations et le destockage), soit égale à la consommation (nette, c’est-à-dire la consommation effective à laquelle on retranche les pertes diverses) , et ce en tout point $x$ du réseau et à chaque instant $t$, d’où la loi des réseaux électriques :

Cette condition est nécessaire au bon fonctionnement du système électrique. En revanche le maillage du réseau permet de faire face à différents aléas localisés (ouvrages hors-service, incidents, pic ou creux subit de consommation locale, etc.). Néanmoins le réseau n’est pas à l’abri d’un effondrement si les aléas locaux se répercutent sur l’ensemble.

4.3Le stockage¶

Les énergies de flux intermittentes, comme le solaire photovoltaïque et l’éolien, ne sont pas accessible à la demande. Les périodes de production électrique optimales (éolien, solaire, etc.) ne sont généralement pas corrélées aux périodes d’utilisation de l’énergie. Il faut donc pouvoir la stocker afin de différer sa consommation.

Dans un mix énergétique^[5] sans moyens de production d’électricité pilotables et accessibles rapidement pour accéder aux fluctuations de la demande, le stockage est l’unique solution pour satisfaire l’équation d’équilibre des réseaux électriques.

Il y a toute une série de technologies qui sont étudiées, existantes sur le plan industriel ou à l’état de recherche dans les laboratoires. Le stockage de l’électricité est effectivement compliqué. Pour stocker 1 kWh (3,6 MJ), il faut 70 g d’essence, 30 kg de batterie au plomb, 5 à 8 kg de batterie Li-ion ou 3600 kg d’eau à une hauteur de 100 m (Ngô (2016)).

La solution de stockage actuellement la plus efficace est celle du pompage hydraulique entre deux réservoirs situés à des altitudes différentes. Ce sont les Stations de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP) ou centrales de pompage-turbinage. La technique consiste à remonter (par pompage) de l’eau d’un bassin ou d’un cours d’eau, pour la stocker dans un réservoir à plus haute altitude. L’eau est alors disponible pour être turbinée et produire de l’électricité en fonction de la demande (figure 2). Lorsque la demande en électricité est faible, ou bien que la production des sources renouvelables est élevée, elle est utilisée pour pomper l’eau vers le bassin supérieur. Le rendement d’une telle installation est assez élevé, entre 70 et 85 %.

Début 2020, la capacité mondiale de stockage est de 174 GW \shortcite{doe2020}. Dont 168 GW en STEP (97 %), 2,4 GW (1,4 %) en stockage thermique, 2,0 GW en stockage électro-chimique (batteries), soit 1,1 %, dont 1,6 GW sous forme de batteries Li-ion.

La capacité de stockage représente ainsi environ 6,7 % de la consommation mondiale d’électricité.

En France, il y a 7 STEP (dont le barrage de Grand’Maison en Isère, d’une puissance de 1,8 GW) pour une puissance totale de 4,9 GW (soit 20 % de la puissance hydroélectrique installée — 25 GW en 2018), mobilisables en quelques minutes.

4.4Les énergies intermittentes¶

L’énergie éolienne dépend de la présence de vent. La figure 3 montre le côté intermittent de cette production sur une année, avec des variations importantes, de moins de 1 % de la capacité installée à moins de 90 % au maximum. Ces variations dépendent des vents, donc de la météorologie, mais elles sont généralement complétement décorrélées de la demande en électricité. L’énergie solaire obéit à l’alternance jour-nuit (figure 4), mais le maximum de production en journée reste relativement aléatoire.

La question de l’intermittence des sources prend tout son sens au regard de la nécessaire stabilité du réseau. Les fluctuations journalières de la demande sont de l’ordre de 15 à 20 % en France.

5La transition énergétique¶

Une transition énergétique serait une modification structurelle profonde de la société, visant à changer les modes de consommation de l’énergie afin de réduire les émissions de gaz à effet de serre. Cela n’a jamais été fait dans l’histoire de l’humanité (Fressoz (2021)), à grande échelle et sur le long terme : la consommation des diverses sources d’énergie a continué de croître, les nouvelles d’ajoutant aux anciennes (figure 5).

Il existe différents scénarios de transition énergétique plus ou moins réalistes d’un point de vue physique. Puisque la combustion des énergies fossiles est la principale cause du réchauffement climatique, décarboner l’énergie utilisée doit constituer un objectif majeur pour les sociétés dès à présent. Mais ce n’est pas suffisant : il va également falloir réduire drastiquement la consommation totale d’énergie quelle qu’elle soit.

5.1Scénario de l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE)¶

Le scénario Net Zero Emission de l’AIE est synthétisé sur la figure 6. Les renouvelables augmentent fortement, le nucléaire un peu, prenant la place d’une bonne fraction des énergies fossiles dont la part baisse de 80 % à 20 %.

La baisse des rejets de CO$_2$ prévus dans ce scénario est indiqué sur la figure 7. Elle requiert des déploiements massifs de technologies bas carbone (comme le carburant des avions), et en particulier la capture et le stockage de 7,6 Gt de carbone d’ici 2050. L’idée est de pomper le CO$_2$ à sa source dans l’industrie pour ensuite l’enfouir dans le sous-sol (stockage géologique). Cette technologie est risquée pour l’environnement, elle n’est pas mature comme le montre la figure 8 : aujourd’hui nous sommes capable de stocker seulement 40 Mt de CO$_2$ chaque année dans le monde, alors qu’environ 40 Gt sont rejettées. Il y a donc un facteur 1000 de différence. Ou seulement 100 si on considère que la première étaque du scénario de l’AIE est de capturer 4 Gt en 2030...

Ce scénario mise sur l’évolution des technologies, ce qui est un pari risqué. La diminution de la consommation n’est que de 7 % par rapport à 2020. C’est pourtant la piste à explorer qui serait la plus prometteuse...

5.2Quelle trajectoire ?¶

Plusieurs trajectoires sont envisageables pour y parvenir. Elles sont éminemment politiques (selon l’objectif souhaité pour la société), la science peut seulement évaluer leur côté faisable compte tenu des flux physiques. Les quelques notions abordées jusqu’ici devraient fournir les outils pour s’en faire une idée objective.

Compte tenu de l’état de la planète (outre la crise climatique, l’humanité doit faire face à un effondrement de la biodiversité, à de multiples pollutions, etc.), la transition énergétique n’est qu’un aspect des diverses modifications qui attendent nos sociétés, de gré (en anticipant du mieux possible les changements pour nous y préparer) ou de force (en nous adaptant en temps réel quand les crises seront ancrées dans nos quotidiens), dans les décennies à venir. Quoiqu’il en soit, il va falloir consommer moins de choses (d’énergie, d’objets, de matériaux).

6Les différents types d’énergie¶

6.1Les énergies de stock¶

Les énergie de stock sont des énergies épuisables (en quantité par définition limitée), mais dont il est possible de piloter leur flux avec une certaine latitude (Treiner (2018)).

6.1.1Les énergies fossiles¶

Les combustibles fossiles sont riches en carbone et sont issus de la dégradation de matières organiques (méthanisation) enfouies dans le sol depuis des centaines de millions d’années. Il s’agit du pétrole, du charbon, de la tourbe et du gaz naturel. Ces sources ne sont pas renouvelables (à l’échelle de l’humanité), car elles demandent des millions d’années pour se constituer, et sont utilisées bien plus rapidement.

Quand un être vivant meurt, il va se décomposer. Le carbone qui le compose est transformé en dioxyde de carbone dans un milieu riche en oxygène (aérobie). Dans un milieu pauvre en oxygène (anaérobie), comme sur un fond marin, c’est l’activité bactérienne qui va décomposer la matière, formant un composé solide, le kérogène, sorte d’état intermédiaire entre la matière organique et les combustibles fossiles, composé surtout de carbone et d’oxygène. La tectonique des plaques va soumettre le kérogène à des pressions et à des températures élevées (50 °C à 120 °C). Il s’ensuit alors une décomposition chimique (pyrolyse) qui conduit à la formation de pétrole et de gaz naturel. Le charbon est formé à partir de végétaux plus élaborés (arbres, plantes...), dont la pyrolyse du kérogène fournit, plus la pression et la température (donc la profondeur) augmentent, de la tourbe, de la lignite, de la houille et enfin de l’anthracite. La fraction de carbone augmente de moins de 55 % pour la tourbe à plus de 90 % pour l’anthracite.

Constituées d’atomes de carbone et d’hydrogène (le méthane a le rapport H/C le plus élevé, l’anthracite et certaines houilles sont composés de carbone presque pur), les combustibles fossiles sont des hydrocarbures. Emprisonnés dans les sous-sols de la Terre, ils sont extraits de différentes manières :

• par puisage, en ce qui concerne le pétrole et le gaz naturel ;
• par extraction directe à la surface des sols, pour la tourbe ;
• par extraction dans des mines, comme pour le charbon ;
• par extraction dans des mines à ciel ouvert, en particulier pour le lignite.

Le charbon a été le moteur de la révolution industrielle. Dès la fin du 17^e siècle, on se rend compte que sa combustion permet de dégager suffisamment d’énergie thermique pour faire fonctionner les machines à vapeur. Son utilisation permet également de limiter l’utilisation du bois et donc de la déforestation. Le pétrole devient l’objet d’une exploitation industrielle au milieu du 19^e siècle. Le gaz naturel fut d’abord utilisé pour l’éclairage (éclairage public au gaz dans les années 1820 aux États-Unis), avant d’être utilisé comme combustible pour propulser des machines et pour le chauffage. Ce n’est qu’après la Seconde Guerre Mondiale qu’il va susciter un intérêt en ce sens.

6.1.2Le nucléaire¶

L’énergie nucléaire (électricité) est une énergie de stock, actuellement basée sur l’uranium qui est un minerai présent dans la croûte terrestre, donc en quantité limitée.

La production d’électricité nucléaire dans le monde est de 10,2 EJ (énergie utile) ou 31 EJ (énergie primaire) en 2024 (AIE (2025)), soit 4,8 % de l’énergie primaire produite.

Toujours en 2024, 112 EJ d’électricité ont été généré dans le monde, dont 9 % par le nucléaire (AIE (2025)).

En France, la production d’électricité nucléaire a été de 1,3 EJ en 2024 (67 % de la production totale d’électricité), soit 41 GW en moyenne sur l’année, pour une capacité de production de 61,4 GW, d’où un facteur de charge de 67 %.

6.2Les énergies de flux¶

Les énergies de flux sont : l’énergie solaire, l’énergie éolienne, l’énergie marine, l’énergie hydraulique, l’énergie issue de la biomasse, l’énergie géothermique. Ce sont des énergies inépuisables (à l’échelle humaine), que l’on appelle donc « renouvelables » (à l’échelle humaine). Néanmoins leur flux est généralement variable, spatialement et/ou temporellement. Pour utiliser ces énergies, il faut connaître ces flux, leur régularité ou périodicité, leur intensité, et les possibilités de les récupérer ou de les transformer en énergie que nous puissions utiliser.

À part la géothermie, issue de la désintégration radioactive des roches dans les profondeurs de la Terre, et l’énergie issue des marées (issue de l’énergie gravitationnelle du Soleil et de la Lune) les autres énergies sont toutes directement ou indirectement issues de l’énergie radiative solaire. Cette énergie est à l’origine de la circulation atmosphérique, et donc des vents dont l’énergie mécanique prélevée est l’énergie éolienne ou l’énergie de la houle marine ; du cycle de l’eau (évaporation et précipitations), donc de l’énergie hydraulique ; des plantes qui croissent par la photosynthèse et forment la biomasse.

La surface terrestre (sous l’atmosphère), reçoit en moyenne sur toute sa surface et sur une rotation (24 h), environ 170 $\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$. La surface de la Terre faisant $4\pi R^2 = 5,1\cdot 10^{14}\ \text{m}^2$, elle reçoit (en moyenne) chaque seconde $8,7\cdot 10^{16}\ \text{J}$ de la part du Soleil.

L’humanité consomme environ 650 EJ/an ($6,5\cdot 10^{20}\ \text{J}\cdot \text{an}^{-1}$) ce qui représente une puissance moyenne de $2,1\cdot 10^{13}\ \text{W} = 21\ \text{TW}$. Ainsi, l’énergie consommée en une année parvient à la surface de la Terre en environ 2 h de la part du Soleil (en moyenne), bien que de manière diffuse et difficilement « récupérable » en l’état.

Environ 1 à 2 % de l’énergie solaire parvenant à la surface terrestre est transformée en vent, soit une puissance d’environ 900 TW (Miller et al. (2011)).

Sur $8,7\cdot 10^4$ TW d’énergie solaire parvenant à la surface de la Terre, environ 180 TW est convertie en biomasse.

6.2.1L’énergie solaire photovoltaïque¶

Il s’agit de l’énergie électrique récupérée grâce à des cellules photovoltaïques. L’effet photoélectrique à l’origine de ces cellules est un effet physique qui désigne l’émission d’électrons par un matériau soumis à un flux de photons. Cette propriété de certains matériaux (métaux, semi-conducteurs...) a été découvert en 1839 par Antoine Becquerel et son fils Alexandre Edmond (père de Henri Becquerel, découvreur de la radioactivité naturelle). Il a été théoriquement compris par Albert Einstein en 1905 à l’aide du concept de photon, particule de lumière, ce qui lui valu le prix Nobel de physique en 1921. L’effet photovoltaïque est un effet photoélectrique apparaissant sous l’incidence de photons sur un semi-conducteur, provoquant l’apparition d’un courant électrique. Il est utilisé dans les panneaux photovoltaïques permettant de produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire, dont la première application date de 1956 pour l’alimentation des satellites à l’aide de cellules au silicium. Les centrales photovoltaïques pour la production d’électricité sur les réseaux électriques apparaissent à partir des années quatre-vingt. Elles utilisent des onduleurs^[6] pour convertir le courant continu issu des panneaux en courant alternatif.

Actuellement la puissance installée (on parle puissance crête) des installations peut aller jusqu’à plusieurs centaines de mégawatts.

Le rendement (à savoir le rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie solaire reçue — Eq. (1)) d’un panneau solaire photovoltaïque varie entre 6 à 8 % pour les panneaux en silicium amorphe jusqu’à 46 % pour les plus performant en laboratoire. En moyenne, les rendements sont autour de 15 %.

Le facteur de charge (Eq. (2)) moyen des installations photovoltaïques varie de 10 à 24 % selon la localisation, les valeurs les plus élevées étant atteintes dans des régions très ensoleillées autour des basses latitudes.

En 2024, la puissance installée dans le monde est de 2,2 TW. La production d’électricité est de 7,6 EJ, soit un facteur de charge moyen de 11 %.

En France, en 2025 (RTE (2025)), la production d’électricité d’origine solaire est de 0,12 EJ (hausse de 33 % par rapport à l’année précédente). La capacité installée est de 30,4 GW. Le facteur de charge est donc de 12,6 %.

6.2.2L’énergie solaire thermique¶

L’énergie solaire thermique peut être utilisée directement pour chauffer de l’eau, cuire des aliments, etc. Ou bien indirectement, en concentrant le rayonnement solaire à l’aide de miroirs afin de produire de l’électricité de manière classique (chauffage d’un fluide caloporteur), auquel cas on parle de solaire thermodynamique. Les technologies utilisées dans les deux cas sont très différentes. Dans le premier, les températures sont dites basse ($\sim 100\ ^{\circ}\text{C}$), dans le second elles sont hautes (typiquement $> 300\ ^{\circ}\text{C}$). Dans le premier cas, l’échelle est généralement individuelle (chauffe-eau solaire, par exemple), dans le second elle est industrielle.

Par exemple, la centrale solaire Thémis dans les Pyrénées est un centre de recherche sur les centrales thermodynamiques.

La production des centrales solaires thermodynamiques atteignait 0,06 EJ en 2023, soit 0,05 % de la production mondiale d’électricité (un facteur 100 moindre que le solaire photovoltaïque). Les principaux pays producteurs sont l’Espagne (33 %), les États-Unis (20 %), la Chine (13 %) et l’Afrique du Sud (10 %). La puissance installée de ces centrales atteignait 7,6 GW fin 2024. (soit un facteur de charge global d’environ 25 %).

Néanmoins ce type de centrale est de plus en plus considéré comme un moyen de stockage de l’électricité.

6.2.3L’énergie éolienne¶

La puissance cinétique de déplacement des masses d’air sur la planète représente environ 900 TW (Miller et al. (2011)) (soit environ 1 % de la puissance solaire incidente au niveau du sol). Ce qui met l’air en mouvement est une différence de température de l’air qui induit une différence de pression, et donc un mouvement d’air pour rétablir l’équilibre. À l’échelle de la planète, l’énergie de rayonnement du Soleil n’est pas répartie de manière identique sur toute la surface de la Terre, la région des Tropiques en reçoit beaucoup plus que celle des pôles. Il y a donc une circulation générale de l’air pour répartir l’énergie solaire entre l’équateur et les pôles.

Mais la totalité des 900 TW (ce qui représente quand même 50 fois les besoins de l’humanité), ne peuvent être « extraits ». On montre que seulement 18 à 68 TW pourraient théoriquement être récupérés (Miller et al. (2011)). Comme le système Terre est à l’équilibre et que la vitesse des vents n’augmente pas avec le temps, l’énergie cinétique des masses d’air est dissipée. La moitié est dissipée par des frottements au sein de l’atmosphère elle-même, l’autre moitié par des frottements avec la surface des continents et des océans. L’idée est donc de récupérer une partie de l’énergie cinétique avant qu’elle ne se dissipe en énergie thermique en la transférent aux pales d’éoliennes. Elle devient de l’énergie mécanique de rotation, qui est à son tour transformée en électricité par l’intermédiaire d’un alternateur. Électricité qui peut ensuite être injectée sur le réseau.

La part de l’électricité éolienne dans la production mondiale atteignait 8 % en 2024. Les principaux pays producteurs sont la Chine (38 % du total mondial en 2018), les États-Unis (18 %) et l’Allemagne (5,5 %).

6.2.4La biomasse¶

D’après l’article 19 de la loi du 3 août 2009 de programmation relative à la mise en œuvre du Grenelle de l’environnement, « La biomasse est la fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, y compris les substances végétales et animales issues de la terre et de la mer, de la sylviculture et des industries connexes, ainsi que la fraction biodégradable des déchets industriels et ménagers. »

L’ensemble de la biomasse sur Terre (figure 9) est estimé à environ 550 Gt de carbone \shortcite{bar-on2018}. Les plantes en composent la grande majorité (450 Gt de carbone, soit 82 %), les bactéries viennent juste après avec 70 Gt de carbone (13 %).

Dans les organismes photosynthétiques, la chlorophylle permet d’utiliser l’énergie radiative solaire pour fabriquer des molécules organiques permettant la croissance de la plante. C’est une molécule organique complexe qui permet de récupérer les photons de longueur d’onde adéquate dans le rayonnement pour ensuite, à l’aide d’eau et de dioxyde de carbone, synthétiser les molécules organiques (glucides, comme le glucose) nécessaires à la plante. La chlorophylle absorbe la lumière visible dans toutes les longueurs d’onde entre 400 et 740 nm. Néanmoins la végétation n’absorbe pas parfaitement toutes ces longueurs d’onde, elle reflète environ 10 % de la lumière incidente. Cette lumière a une longueur d’onde essentiellement dans la bande verte (autour de 530 nm), c’est pourquoi la végétation apparaît verte.

La valorisation énergétique de la biomasse peut produire trois formes d’énergie utile, en fonction du type de biomasse et des techniques mises en œuvre :

• de la chaleur ;
• de l’électricité ;
• une force motrice de déplacement.

On distingue trois procédés d’utilisation de la biomasse : la voie thermochimique (combustion, gazéification, pyrolyse), la méthanisation et la production de biocarburants. La méthanisation permet de produire du gaz par la dégradation de la matière organique par des micro-organismes. La pyrolyse est typiquement la fabrication de charbon de bois. La gazéification est la réaction entre le carbone de la biomasse et des gaz réactants pour produire un gaz combustible.

En moyenne, la biomasse fournit 17 MJ par kilogramme de matière sèche. Comme le flux d’énergie radiative solaire est de $171\ \text{W}\cdot \text{m}^{-2}$, cela est équivalent à la production de : $10^{-5}\ \text{kg}\cdot\text{s}^{-1}\cdot \text{m}^{-2}$. Soit, dans des unités plus « agricoles », $3150\ \text{t}\cdot \text{an}^{-1} \cdot \text{ha}^{-1}$... En comparant à la production effective annuelle de maïs, par exemple, qui varie entre 30 et 60 $\text{t}\cdot \text{an}^{-1} \cdot \text{ha}^{-1}$ (Monteith (1972)), on obtient un rendement énergétique d’environ 1 à 2 %.

En 2023 la biomasse fournissait 56 EJ d’énergie primaire, soit 9 % environ de l’énergie primaire consommée dans le monde, 2,38 EJ d’électricité, soit 2,2 % de la production mondiale d’électricité.

6.2.5L’énergie marine¶

Les mers et océans représentent 71 % de la surface de la planète. Ils reçoivent $1,95\cdot 10^{24}\ \text{J}\cdot \text{an}^{-1} = 5,4 \cdot 10^{17}\ \text{kWh}$ de rayonnement solaire sur leur surface. Ils véhiculent donc une grande quantité d’énergie restituée sous forme mécanique (vents, houles, courants), thermique (gradients de température), chimique (gradients de salinité). Quelques exploitations de ces énergies existent, mais elles sont largement minoritaires.

6.2.6La géothermie¶

La surface de la Terre reçoit non seulement un flux d’énergie radiative venant du Soleil (environ 171 W$\cdot$m$^{-2}$), mais également un flux d’énergie thermique provenant du sous-sol. Ce flux est beaucoup plus faible, environ 0,1 W$\cdot$m$^{-2}$ (Davies (2010)), provenant pour moitié de la désintégration radioactive de quatre isotopes à vie longue présents dans la croûte terrestre et le manteau supérieur depuis la formation de la Terre (thorium 232, uranium 238 et 235, potassium 40), et pour moitié de l’énergie de refroidissement de la Terre, issue de sa formation. Une petite partie provient de la cristallisation de la graine.

Cette puissance géothermique représente un total de 46 TW sur l’ensemble de la surface de la Terre, dont un tiers par les continents et deux tiers par les océans (Davies (2010)).

Le flux n’est pas uniforme sur la surface de la planète, il est maximal au niveau des dorsales océaniques. Même en France, il varie d’un facteur deux entre les régions. Il n’est pas non plus uniforme à l’intérieur de la Terre (sinon, avec un gradient constant de 0,03 °C$\cdot$m$^{-1}$, on aurait une température de 190 000 °C au centre du noyau !).

Il est possible d’exploiter ce flux d’énergie thermique, en creusant plus ou moins profondément. Il est utilisé pour le chauffage ou la production d’électricité. L’énergie thermique est généralement récupérée à l’aide d’un échangeur thermique, qui permet de transférer cette énergie d’un fluide vers un autre sans les mélanger, avec une surface d’échange.

6.2.7L’électricité hydraulique¶

Une différence de niveau dans un cours d’eau, naturelle ou bien provoqué (par une retenue, par exemple) permet de transformer l’énergie potentielle de pesanteur en énergie cinétique. L’eau peut ainsi actionner une turbine, son énergie cinétique est alors transformée en énergie cinétique de rotation, qui va elle-même actionner un alternateur synchrone, transformant l’énergie mécanique en énergie électrique (Lavy (2004)).

La France possède un potentiel hydroélectrique important grâce à la présence de massifs montagneux sur son territoire, et d’un réseau électrique performant pour transporter l’électricité depuis le lieu de production jusqu’aux consommateurs, distants. Le potentiel hydroélectrique est déjà exploité en très grande partie.

La puissance actuellement (2024) installée est de 20,4 GW (soit environ 20 fois moins que la Chine — le barrage des Trois-Georges en Chine, le puissant existant, représente 22,5 TW installés). La production en 2024 est de 0,26 EJ, ce qui représente 13,6 % de la consommation finale d’électricité pour cette année-là^[7].

Les principaux types de centrales sont les centrales au fil de l’eau, sans réservoir, et les centrales réservoirs qui sont dotées d’un réservoir.

Les centrales au fil de l’eau la turbinent au fur et à mesure sans la retenir, assurant une production continue d’électricité. La puissance installée est d’environ 7,6 GW (soit 30 % du parc), répartie sur plus de 2000 installations, la production représente 54 % de la production hydroélectrique française.

Les centrales réservoirs disposent d’une retenue permettant de stocker l’eau pour la turbiner en fonction de la demande. On distingue les centrales de lac et les centrales d’éclusée selon la taille de réservoir. La puissance installée est de 18 GW, répartie dans une centaines de centrales de lac et 140 centrales d’éclusée. La production annuelle représente 46 % de la production hydroélectrique française. Ce type de centrale est crucial pour assurer la stabilité du réseau électrique. Il permet en effet l’ajustement de la production aux pics de consommation ou bien en cas d’incident sur le réseau. Cette puissance est mobilisable en quelques minutes^[8], ce qui explique qu’une centrale comme celle de Serre-Ponçon n’a un facteur de charge que de 21 % : elle ne fonctionne pas en permanence.

Les reste de la puissance installée (4,9 GW) est constitué de stations de transfert d’énergie par pompage (STEP — section Section 4.3).

La puissance installée fin 2024 est de 25,7 GW ce qui représente 19 % de l’ensemble des centrales électriques de France. La production hydroélectrique a totalisé 0,27 EJ en 2024 soit 14% de la production électrique totale. Le potentiel accessible est déjà bien exploité, donc en France, et même en Europe, le développement de l’énergie hydroélectrique est limité^[9].

En 2024, la puissance installée des centrales hydroélectriques atteint 1,4 TW dans le monde, produisant environ 16,5 EJ par an, soit 45 % de la production mondiale d’énergie renouvelable et 14 % de la production mondiale d’électricité.