Sources d'Énergie : Renouvelables et Non Renouvelables

L'importance fondamentale de l'énergie

L'énergie est essentielle à tous les phénomènes qui se déroulent dans l'univers. Depuis le mouvement des planètes et des étoiles jusqu'aux activités des êtres vivants, en passant par les mouvements tectoniques, le cycle de l'eau et les courants océaniques, tous ces processus nécessitent de l'énergie.

Consommation énergétique humaine

L'énergie est une nécessité pour l'activité de tous les organismes vivants. En outre, les humains utilisent principalement deux formes d'énergie :

• L'énergie interne ou endosomatique, qui correspond à la consommation d'énergie nécessaire à l'entretien du corps (métabolisme basal, activité physique).
• L'énergie externe ou exosomatique, qui correspond au reste de la consommation d'énergie. C'est l'énergie que nous utilisons pour faire fonctionner de nombreux appareils et machines qui nous fournissent lumière, chaleur, transport, etc.

Systèmes énergétiques : primaire et finale

Nous appelons système énergétique l'ensemble des processus liés à l'énergie, depuis ses sources d'origine jusqu'à ses utilisations finales.

L'énergie primaire est l'énergie brute disponible dans la nature, avant toute transformation (pétrole brut, rayonnement solaire, vent...).

Cette énergie subit une série de transformations (raffinage, production d'électricité...) tout au long de la chaîne énergétique jusqu'à ce qu'elle soit utilisable par le consommateur final ; c'est l'énergie finale (essence, électricité...).

Les sources d'énergie sont des ressources naturelles existantes qui fournissent de l'énergie primaire, soit directement, soit après transformation par des procédés technologiques, pour répondre aux besoins humains en énergie finale utile.

Sources d'énergie non renouvelables

Ce sont celles qui existent en quantités limitées sur Terre et dont les stocks ne se renouvellent pas, ou très lentement, à l'échelle humaine (sur des millions d'années). Parmi les sources d'énergie non renouvelables, on distingue principalement :

• Les combustibles fossiles : issus de la décomposition et de la transformation de matière organique (micro-organismes, plantes, animaux) enfouie il y a des millions d'années.
• Les éléments radioactifs (combustibles nucléaires) : présents dans la croûte terrestre au sein de certains minéraux. La pechblende, par exemple, est un minerai contenant de l'uranium.

Pétrole

Le pétrole est une substance huileuse, généralement de couleur brun noirâtre, constituée d'un mélange complexe d'hydrocarbures.

Il s'est formé sur des millions d'années, lorsque de grandes quantités de plancton et d'autres organismes marins se sont déposées dans des bassins sédimentaires et ont été enfouies sous des couches de sédiments, subissant des transformations sous l'effet de la pression et de la température.

Il est extrait par forage pétrolier. Le raffinage, qui consiste en une distillation fractionnée du pétrole brut, permet d'obtenir divers produits :

• Produits gazeux (GPL)
• Essence
• Kérosène
• Gazole (diesel)
• Fioul lourd
• Bitumes (déchets solides)

Gaz naturel

Comme le pétrole, il provient de la décomposition de matière organique enfouie à l'intérieur de la Terre. Il correspond à la fraction la plus légère des hydrocarbures issus de cette décomposition, se présentant sous forme gazeuse.

Il est composé principalement de méthane (CH4), mais peut aussi contenir de l'éthane, du propane, etc.

Il est extrait par forage et transporté, généralement par gazoduc (pipeline) ou sous forme liquéfiée (Gaz Naturel Liquéfié - GNL) dans de grands navires méthaniers. Il est stocké dans de grands réservoirs, souvent sphériques ou souterrains.

Le gaz naturel est utilisé directement comme combustible pour le chauffage domestique, la cuisine, la production d'électricité et dans l'industrie.

Charbon

La formation du charbon a débuté lorsque de grandes masses de végétation (forêts luxuriantes du Carbonifère, par exemple) ont été enfouies sous d'épaisses couches de sédiments, subissant un processus de carbonisation (enrichissement progressif en carbone sous l'effet de la pression et de la température).

On distingue différents types de charbon selon leur teneur en carbone et leur pouvoir calorifique :

• Tourbe (~50% de carbone)
• Lignite (~70% de carbone)
• Houille (~80-90% de carbone)
• Anthracite (>90% de carbone)

Centrales thermiques à flamme

Les combustibles fossiles (pétrole, gaz, charbon) sont essentiels au fonctionnement des centrales thermiques à flamme, qui transforment l'énergie chimique de ces combustibles en énergie électrique.

Dans ces centrales, l'énergie thermique libérée par la combustion est utilisée pour chauffer de l'eau et produire de la vapeur sous haute pression.

Cette vapeur actionne des turbines, qui entraînent à leur tour un turbo-alternateur produisant de l'électricité.

Minéraux radioactifs (énergie nucléaire)

Ce sont des minéraux contenant des éléments chimiques dont le noyau atomique est instable (radioactifs), comme l'uranium ou le thorium. Ils sont utilisés pour produire de l'énergie nucléaire par des réactions de fission.

Lors d'une réaction de fission nucléaire contrôlée (dans un réacteur nucléaire), un noyau atomique lourd (ex: uranium-235) est bombardé par un neutron et se divise (fissionne) en deux noyaux plus légers, libérant une grande quantité d'énergie (chaleur) ainsi que d'autres neutrons.

La fission utilisée dans les réacteurs nucléaires concerne principalement les noyaux d'uranium.

La réaction de fission est une réaction en chaîne car chaque noyau qui fissionne libère, en plus de l'énergie, d'autres neutrons capables de provoquer la fission d'autres noyaux d'uranium. Cette réaction est contrôlée dans les réacteurs pour produire de la chaleur de manière stable.

La chaleur produite sert à chauffer de l'eau, produire de la vapeur et actionner un turbo-alternateur pour générer de l'électricité (comme dans une centrale thermique classique, mais la source de chaleur est nucléaire et non fossile).

Impacts des énergies non renouvelables

L'utilisation massive des sources d'énergie non renouvelables, en particulier les combustibles fossiles, a des impacts environnementaux majeurs :

• Pollution de l'air : émissions de dioxyde de soufre (SO2), d'oxydes d'azote (NOx), de particules fines lors de la combustion.
• Changement climatique : émissions massives de dioxyde de carbone (CO2), principal gaz à effet de serre, contribuant au réchauffement global.
• Pollution de l'eau et des sols : risques liés à l'extraction (marées noires, drainage minier acide), au transport et aux déchets.
• Épuisement des ressources : leur caractère fini pose la question de la sécurité d'approvisionnement et de la durabilité à long terme.
• Déchets nucléaires : la gestion des déchets radioactifs issus de l'énergie nucléaire est un défi majeur.

Sources d'énergie renouvelables

Ce sont des sources d'énergie dont le renouvellement naturel est assez rapide à l'échelle humaine pour qu'elles soient considérées comme inépuisables. Elles proviennent principalement du soleil, de la Terre et de la Lune.

Hydroélectricité

L'énergie hydroélectrique est produite en exploitant l'énergie potentielle de l'eau lors d'une chute (dénivelé) ou l'énergie cinétique des cours d'eau.

Centrales hydroélectriques

Les centrales hydroélectriques sont des installations conçues pour produire de l'électricité à partir de l'énergie hydraulique. Les plus courantes (centrales de barrage) nécessitent une grande accumulation d'eau et un dénivelé important. C'est pourquoi on construit des barrages et des réservoirs qui retiennent l'eau et créent la hauteur de chute nécessaire pour actionner des turbines reliées à des alternateurs.

Énergie solaire

C'est l'énergie provenant du rayonnement du Soleil. La quantité d'énergie solaire reçue par la Terre en seulement 30 minutes équivaut environ à la consommation mondiale d'énergie primaire pendant une année entière.

La technologie actuelle permet d'exploiter ce potentiel considérable via deux principales méthodes :

• L'énergie solaire thermique (production de chaleur pour l'eau chaude sanitaire, le chauffage ou la production d'électricité dans des centrales solaires thermodynamiques).
• La conversion photovoltaïque (production directe d'électricité).

Conversion photovoltaïque

Elle consiste en la conversion directe de la lumière du soleil en énergie électrique grâce à l'effet photovoltaïque.

On utilise pour cela des panneaux solaires photovoltaïques, généralement protégés par un verre transparent traité antireflet.

Au sein de ces panneaux se trouvent les cellules photovoltaïques. Ces cellules sont le plus souvent composées de fines plaquettes de matériaux semi-conducteurs, principalement du silicium (monocristallin ou polycristallin).

Énergie éolienne

C'est l'énergie cinétique du vent. Pendant des siècles, les humains ont utilisé l'énergie éolienne pour propulser des bateaux à voile ou moudre le grain dans des moulins à vent.

Aujourd'hui, l'énergie éolienne est principalement exploitée pour produire de l'électricité.

Pour cela, on utilise des éoliennes, des machines dotées de grandes pales (rotor) mises en mouvement par le vent. Ces pales sont couplées, via un multiplicateur de vitesse, à un alternateur qui transforme l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique.

Énergie marémotrice

Elle est basée sur l'exploitation de l'énergie potentielle des marées (liée à la différence de niveau entre la marée haute et la marée basse).

Pour que ce type d'énergie soit techniquement et économiquement exploitable à grande échelle (usine marémotrice), deux conditions fondamentales doivent généralement être réunies :

• Le marnage (différence de niveau d'eau entre la marée haute et la marée basse) doit être important (typiquement plus de 5 mètres).
• Le relief côtier doit être propice à la construction de barrages ou d'aménagements spécifiques (ex: estuaires, baies fermées).

D'autres formes d'énergies marines existent : énergie hydrolienne (courants marins), énergie houlomotrice (vagues), énergie thermique des mers.

Énergie géothermique

C'est l'énergie thermique provenant de la chaleur interne de la Terre.

L'augmentation de la température avec la profondeur est appelée gradient géothermique. Ce gradient est en moyenne d'environ 3 °C tous les 100 mètres de profondeur.

Cependant, dans certaines zones géologiquement actives (zones volcaniques, frontières de plaques tectoniques, failles...), ce gradient est beaucoup plus élevé, créant des gisements géothermiques exploitables pour produire de la chaleur (chauffage urbain) ou de l'électricité (centrales géothermiques).

La géothermie de surface (très basse énergie) utilise la chaleur stable du sol peu profond via des pompes à chaleur.

Biomasse

La biomasse désigne l'ensemble de la matière organique d'origine végétale (bois, paille, résidus agricoles, cultures énergétiques...) ou animale (lisiers, déchets organiques...). C'est une forme de stockage de l'énergie solaire captée par la photosynthèse.

La biomasse est utilisée comme source d'énergie depuis des siècles, le bois étant historiquement la ressource principale pour le chauffage et la cuisson.

Elle peut être valorisée énergétiquement par différents procédés :

• Combustion directe : pour produire de la chaleur ou de l'électricité (ex: centrales biomasse).
• Méthanisation : fermentation anaérobie (sans oxygène) de matière organique humide, qui produit du biogaz (principalement composé de méthane), utilisable comme combustible.
• Production de biocarburants liquides : comme l'éthanol (par fermentation de sucres ou d'amidon) ou le biodiesel (à partir d'huiles végétales ou de graisses animales).
• Gazéification : transformation thermique en un gaz combustible (gaz de synthèse).

Vers un nouveau système énergétique mondial

Actuellement, le système énergétique mondial, largement hérité de la révolution industrielle, se caractérise par :

• La forte prédominance des sources d'énergie non renouvelables, en particulier les combustibles fossiles (pétrole, charbon, gaz naturel), qui couvrent encore environ 80% des besoins énergétiques mondiaux.
• Des impacts environnementaux significatifs liés à l'extraction, au transport et à l'utilisation de ces énergies fossiles (pollution locale, émissions de gaz à effet de serre responsables du changement climatique).
• Un déséquilibre important dans la consommation d'énergie par habitant entre les pays développés et les pays en développement, bien que la demande énergétique des pays émergents soit en forte croissance.

Face aux défis du changement climatique, de l'épuisement des ressources fossiles et de la sécurité énergétique, une transition vers un système énergétique plus durable, basé sur l'efficacité énergétique et une part croissante des énergies renouvelables, est en cours et constitue un enjeu majeur du XXIe siècle.