Décryptage : Comment mesurer l’énergie

• Comment mesurer l’énergie ?

Le paradoxe avec l’énergie est qu’elle est omniprésente, consubstantielle de la vie économique, de la vie tout court et de l’existence de l’univers, et pourtant presque impossible à définir. Un être humain au repos consomme environ 2,3 kWh par jour. Un travailleur de force peut aller jusqu’à 5 kWh par jour. La définition la plus pertinente sans doute de l’énergie nous vient de la Grèce antique. Le mot energeia en grec ancien signifie littéralement « force en action ». Et l’énergie est bien la combinaison d’un mouvement et d’une force.

La consommation d’énergie est aussi et évidemment la traduction de toute activité économique. L’économie, c’est de l’énergie transformée. On peut résumer 99 % du PIB d’un pays à des transferts d’énergie. On l’illustre bien avec l’impact de la révolution industrielle née de l’utilisation massive des combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz). Au cours des deux derniers siècles, la population mondiale a été multipliée par 7 et la consommation d’énergie a été multipliée par 30…

Cela dit, il faut pouvoir physiquement mesurer la quantité d’énergie produite et utilisée. Voilà donc quelques unités de mesure qui sont les standards.

-Le joule (J)

C’est l’unité officielle du système international de mesure de l’énergie. En France, la consommation moyenne par habitant s’élève à 180 gigajoules par an (180 000 000 000 joules). Mais si le joule est pratique pour faire des comparaisons internationales, il est difficile de comprendre ce qu’il représente concrètement. Voilà pourquoi l’unité suivante est la plus utilisée.

-Le kilowattheure (kWh)

Les ingénieurs préfèrent de loin utiliser le kilowattheure (kWh), qui a le mérite d’avoir facilement une traduction dans le monde réel. Si vous passez l’aspirateur pendant une heure avec un appareil d’une puissance de 1 000 watts (1 kW), vous consommez exactement 1 kWh… soit 3,6 mégajoules.

-La tonne équivalent pétrole (tep)

Dans une civilisation qui s’est construite depuis un siècle autour de la place prépondérante prise par les hydrocarbures, il était logique que la référence au pétrole devienne majeure. Les économistes et énergéticiens utilisent ainsi la tonne équivalent pétrole (tep). Elle correspond à l’énergie libérée par la combustion d’une tonne de pétrole et est l’équivalent de 11 600 kWh. En utilisant cette unité de mesure, chaque Français consomme en moyenne 4,3 tep par an.

-La densité énergétique

Maintenant qu’on peut mesurer la quantité d’énergie produite et consommée, il faut faire le distingo entre les sources d’énergie dites primaires et ce qu’elles contiennent effectivement comme énergie exploitable par rapport à leur masse. Cela s’appelle la densité énergétique.

Et c’est là où l’on mesure ce que les combustibles fossiles ont apporté comme puissance énergétique décuplée à l’humanité et pourquoi il est si difficile de s’en passer.

En kWh par kilo (kWh/kg), une pile alcaline en apporte 0,16, une batterie lithium-ion 0,2, le bois 4,5, le charbon 6,2, le diesel 12,6, le gaz naturel 12,8, l’essence 13,1, l’hydrogène 34,1 et l’uranium-235 se situe dans un autre univers à 22 083 333. Mais il y a encore théoriquement plus dense énergétiquement, le deutérium et tritium par la fusion nucléaire (93 718 719) et l’antimatière par annihilation 50 000 000 000 (50 tWh par kilo).

Pour être encore plus concret et plus terre à terre, produire 0,5 kWh d’énergie, qui est ce que consomme physiquement un homme pour grimper un dénivelé de 3 000 mètres, il faut soulever 1 tonne d’eau à 200 mètres de hauteur (énergie hydraulique), brûler 50 grammes de pétrole (énergie chimique) et fissionner 0,5 microgramme d’uranium (énergie nucléaire).

Les carburants fossiles tels que le diesel et l’essence ont une densité énergétique gravimétrique (par unité de poids) plus de 50 fois supérieure à celle des batteries les plus utilisées dans les voitures électriques. Cela permet de transporter beaucoup d’énergie facilement en en consommant relativement peu. Mais il faut prendre en compte également le rendement énergétique des moteurs à combustion interne et électrique et cette fois, l’efficacité est nettement du côté de l’électrique.

Ce n’est pas pour rien si environ deux tiers de l’énergie consommée dans le monde sont gaspillés, principalement en raison de la faible efficacité énergétique de leur conversion en énergie mécanique, en électricité, en chaleur… et de l’utilisation des combustibles fossiles. Sachant que le principal problème de ce système énergétique est évidemment qu’il produit en grandes quantités des gaz à effet de serre. Il est à l’origine de plus de 85 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO₂).

On comprend donc bien l’importance du rendement des différends types de moteurs et turbines que nous utilisons pour transformer de l’énergie en mouvement ou en électricité. Sachant que l’électricité n’est pas une source d’énergie mais un vecteur qu’il faut fabriquer et qui présente l’avantage d’être extrêmement facile à transporter rapidement et à utiliser.

• Le rendement des moteurs

Aujourd’hui, les meilleurs moteurs à combustion interne ne peuvent pas convertir en énergie utilisable plus de 40-45 % de l’énergie contenue dans le carburant qu’ils utilisent. Cela signifie que même si l’essence ou le diesel ont plus de 50 fois la densité énergétique d’une batterie, vous ne pourrez utiliser que 20 fois cette énergie. Les groupes motopropulseurs électriques, batteries et moteurs électriques sont bien plus efficaces. Ils permettent de convertir environ 90 % de l’énergie qu’ils contiennent en énergie utilisable et tout cela sans émissions de gaz d’échappement.

Mais il faut charger les batteries et si cela se fait avec de l’électricité produite par des combustibles fossiles, l’avantage en termes d’émissions de gaz à effet de serre est limité. Ce n’est évidemment pas le cas en France qui produit 95 % d’électricité bas-carbone, mais dans la plupart des autres pays au monde… les carburants fossiles (charbon, gaz naturel, fioul) sont brûlés dans de gros moteurs stationnaires pour produire de l’électricité.

Bien qu’ils soient plus efficaces que les moteurs de voiture, le poids n’entre pas en ligne de compte ; ces moteurs stationnaires ont un rendement de l’ordre de 40 à 60 % environ. Et lorsque l’électricité arrive jusqu’à la prise de courant, recharge la voiture et est ensuite reconvertie en mouvement, le rendement final est très proche de celui d’un moteur à combustion interne ; tout cela sans prendre en compte les processus d’extraction et de raffinage extrêmement énergivores utilisés pour la production des matériaux des batteries et leur durée de vie limitée.

-Moteurs à vapeur, à essence et diesel

Pour en revenir au rendement des moteurs, il faut commencer par les moteurs à vapeur à l’origine de la révolution industrielle, immortalisés par les locomotives à vapeur. Ces machines avaient des rendements très faibles, de l’ordre de 5 à 15 %. Il n’a cessé ensuite d’être amélioré par l’introduction d’abord de la technologie des turbines à vapeur qui a permis d’atteindre progressivement de 20, 30 et même 40 %. Et dans les centrales à gaz modernes, dites à cycle combiné, le rendement atteint 60 % ! Le cycle combiné utilise comme son nom l’indique à la fois une turbine à gaz et une turbine à vapeur pour produire de l’électricité, récupérant la chaleur résiduelle de la première pour alimenter la seconde, ce qui améliore l’efficacité énergétique.

Les moteurs à essence fonctionnant sur le principe de la combustion interne ont un rendement de l’ordre de 35 %. Les plus optimisés peuvent atteindre environ 45 %. Le rendement des motorisations diesel est meilleur. Il est de l’ordre de 45 % et atteint 55 % pour les applications employant les plus puissants diesels comme les moteurs marins.

Enfin, les turbines à combustion qui équipent principalement les avions et les hélicoptères mais aussi certains engins militaires (chars) ont un rendement comparable à celui des moteurs diesel.