On peut définir l'énergie comme la capacité totale d’un système de réaliser un travail c'est-à-dire d’opérer une transformation quelconque ; et on peut définir la puissance comme la capacité instantanée de ce système d'effectuer ce travail.
La puissance s'exprime généralement en watts ou ses unités supérieures, kilowatts (KW...) et l’énergie disponible en watts-heures ou kilowatts-heures (KWH) ou en unités supérieures.
La puissance d’un moteur s’exprime parfois aussi en « chevaux ».
1 CV = 0,735 KW.
Il y a quatre types d’énergie : mécanique, chimique, rayonnante et nucléaire.
Du point de vue des modalités de production et d'usage de l’énergie par et pour les humains, l’énergie chimique est en général celle obtenue soit par combustion du charbon, des hydrocarbures, du méthane ou de l’hydrogène, soit par des piles électriques, qu’on peut donc inclure pratiquement dans l’énergie électrique lato sensu.
On peut donc d’un point de vue pratique distinguer comme sources utiles les énergies mécanique, thermique, électrique et nucléaire.
Il résulte du premier principe de thermodynamique, la conservation de l’énergie, que toutes les énergies peuvent théoriquement se convertir l'une dans l'autre, ce qui en pratique n’est cependant pas toujours possible pour toutes les transformations pour des raisons techniques.
Il résulte du second principe de thermodynamique que chaque transformation d'énergie implique une perte partielle de sa qualité, concept qui peut donc se définir comme le caractère d'une énergie de se transformer avec le moins de perte de qualité.
La qualité d'une énergie n'est cependant pas le seul critère de son intérêt. Plusieurs autres paramètres sont à considérer et notamment sa disponibilité potentielle sous forme condensée - dans un poids ou un volume le plus petit possible - et aussi les limites pratiques de sa puissance instantanée techniquement disponible.
Parmi les autres paramètres non considérés ici, citons les inconvénients d’ordre divers (esthétiques, sonores, pollution) des installations productrices et des résidus des consommables générés, leur dangerosité éventuelle, leur coût d’installation et de fonctionnement, et leur disponibilité à long terme.
Incidemment, l’énergie nucléaire est objectivement la plus sûre, les trois accidents majeurs avec fonte de la cuve sur un total de 443 réacteurs dans le monde à ce jour ayant fait moins de 50 décès au total (sans inclure les accidents des activités d'extraction des combustbles) soit 100 fois moins que l’hydroélectrique qui totalise plus de 150 ruptures de barrages ayant causés 5.000 à 10.000 décès, et beaucoup moins que les activités d’extraction des combustibles des centrales thermiques.
Nous avons donc 3 critères majeurs d’évaluation des énergies utiles : qualité, concentration et disponibilité.
Du point de vue qualitatif, l’énergie la plus précieuse est l’énergie mécanique, qui est le plus souvent l’aboutissement souhaité par la transformation des autres énergies qui servent à la produire. Ainsi, on brûle du carburant ou on utilise de l’électricité pour obtenir une énergie mécanique en sortie, avec nécessairement, en fonction de second principe de thermodynamique, une perte partielle de l’énergie initiale, essentiellement sous forme de chaleur.
Vient ensuite l’énergie électrique, qui a l’intérêt majeur de générer très peu de pertes dans ses transformations.
L’énergie thermique est celle qui a en principe le moins de qualité, bien qu’elle résulte souvent de la transformation volontaire d’une autre énergie, dans l’objectif du chauffage domestique principalement. Elle est aussi et surtout une étape dans la transformation des carburants fossiles et en particulier des hydrocarbures, soit en énergie mécanique par le biais des moteurs thermiques soit en énergie électrique dans les turbines des centrales hydroélectriques et nucléaires.
Les sources majeures d’énergie thermique sont la combustion du bois, du charbon, du gaz naturel (composé de méthane principalement), des hydrocarbures, et marginalement (aujourd’hui…) de l’hydrogène.
Si les quatre premières sont bien connues, l’hydrogène mérite un commentaire pour ses particularités. Élément largement majoritaire dans l’univers, il était jusque tout récemment estimé rarissime dans la croute terrestre mais il semblerait qu’il y en ait en fait d’énormes quantités, dont la petite minorité exploitable pourrait subvenir aux besoins de l’humanités pour des décennies. Pour l’heure il est essentiellement produit à partir du composant très majoritaire du gaz naturel, le méthane. Il est utilisé à parts égales dans la production d’engrais, dans le raffinage du pétrole et dans l’industrie chimique, pour sa propriété d’être un puissant réducteur, ce qui est le contraire d’un oxydant. Comme tel, c’est un puissant carburant, deux fois plus que les hydrocarbures à poids identique mais deux fois moins en volume (sous forme liquide évidemment) parce qu’il est très léger, ne comportant qu’un seul proton et aucun neutron. Par parenthèse, il a deux isotopes en infimes proportions, le deutérium et le tritium, qui ont respectivement 1 et 2 neutrons en plus de l’unique proton. Du fait de sa légèreté, l’hydrogène est utilisé à raison de 1% de la consommation mondiale comme carburant des engins spatiaux, pour lesquels le facteur poids est un paramètre plus limitant que le volume. Ses inconvénients sont le stockage, qui nécessite des températures très basses ou une compression très élevée, et aussi son transport, qui nécessite des conduites et des réservoirs épais et adaptés au caractère très fluant de la molécule, qui du fait de sa petite taille traverse facilement les parois. Cela a évidemment un coût. Il est aussi très explosif au contact de l’oxygène de l’air à la moindre étincelle. Ces difficultés de transport et de stokage et sa faible disponibilité et donc son coût limitent son utilisation actuelle dans les transports. Toutefois, la confirmation de sources naturelles exploitables en quantités pouvant dépasser celles des carburants fossiles changerait la donne.
On distingue 4 « couleurs » d’hydrogène en fonction de son mode de production : gris par reformage à partir du méthane, procédé largement majoritaire, bleu par le même processus avec mais avec stockage du CO2 produit par reformage, ce qui paradoxalement dégagerait plus de CO2 que le gris à cause de l’énergie nécessaire au stockage, jaune par électrolyse à partir de l'électricité d’origine nucléaire et vert par électrolyse à partir de l’électricité des renouvelables éolien et photovoltaïque.
Toutes les transformations d’énergie se traduisent par une perte partielle sous forme d’énergie thermique, généralement non récupérable, résultant notamment des frottements dans les machines et d’une perte intrinsèque incontournable liée au processus de transformation. Une petite partie de cette perte peut parfois être récupérée, comme dans le chauffage des automobiles ou le chauffage urbain par l’eau du circuit tertiaire de refroidissement des centrales nucléaires à leur proximité.
L’énergie thermique des nappes aquifères peut être utilisée pour le chauffage urbain, l’eau chaude pompée étant recyclée dans la nappe à une température inférieure. Son intérêt est un faible coût de production et une disponibilité permanente, contrairement à l’éolien et au photovoltaïque. Son inconvénient est la température peu élevée de l’eau captée, ce qui limite la puissance des installations. On peut néanmoins la convertir en électricité dans des pompes à chaleur ou utiliser directement la chaleur de l’eau dans le chauffage urbain. C’est une source d’énergie intéressante qui mérite d’être développée mais actuellement elle reste marginale.
Du point de vue concentration, l’énergie nucléaire vient en tête. Ses défauts sont le poids et le volume minimal très élevés de l’installation, ce qui exclut du moins dans un horizon prévisible son utilisation dans le transport aérien et plus généralement dans les transports de petits et moyens volumes. Une exception est la pile à énergie nucléaire qui associe une très petite taille et une faible puissance à une grande longévité, ce qui lui confère un intérêt dans les petits engins d’exploration spatiale. Une autre exception est le générateur nucléaire des porte-avions et des sous-marins militaires, qui a un beaucoup plus petit volume qu’un générateur classique mais doit utiliser de l’uranium hautement enrichi, dont le coût très élevé est incompatible avec une utilisation civile.
L’énergie électrique est assurément celle qui offre le plus d’avantages et sa part relative dans la consommation d’énergie totale est en constante augmentation. Elle a toutefois un défaut majeur : elle doit être consommée au moment même de sa production, par carence de moyens de stockage, à l’exception des barrages et des batteries, lesquelles ne permettent qu’un stockage d’énergie très limité : l’énergie d’un kilo de carburant fossile correspond à environ 40 kilos de batteries, ce qui comme le nucléaire rend problématique son utilisation dans le transport, surtout aérien.
Une méthode de stockage indirect est l’hydrolyse de l’eau grâce au courant électrique produit par les énergies renouvelables solaires et photovoltaïque lorsque l’offre excède la demande, la recombinaison ultérieure de l’oxygène et de l’hydrogène obtenus permettant de produire l’électricité lors des pics de demande. L’inconvénient du processus est une perte d’énergie très élevée dans la boucle, de l’ordre de 70 % au minimum, et aussi le coût de maintenance du système.
L’électricité reste produite très majoritairement, à raison de 80 % dans le monde, par combustion du charbon, des hydrocarbures et du méthane dans des centrales appelées thermiques de ce fait.
La production d’électricité par les centrales nucléaires est très élevée en France (80%) et dans une moindre mesure en Belgique (50%) ainsi que dans quelques autres pays développés mais au niveau mondial elle est minoritaire (6%) et pratiquement absente dans les pays en voie de développement.
Outre les centrales nucléaires classiques il existe quelques surgénérateurs qui ont le double intérêt de consommer très peu d’uranium et de laisser beaucoup moins de déchets que les centrales classiques dont elles peuvent même utiliser les déchets. Du fait de ces qualités ce sont probablement les centrales d’avenir à moyen terme mais elles posent des difficultés techniques notamment liées au caloporteur (plomb ou sodium fondu au lieu d’eau pressurisée) qui ont conduit à l’abandon regrettable de projets initiaux comme la centrale Superphenix en France.
Une centrale expérimentale de nouvelle génération utilisant un autre principe sans utilisation d’uranium, produisant peu de déchets et très pilotables devrait être mise en fonction en Belgique d’ici 10 ans, pour compléter un accélérateur de particules qui sera installé dans une première étape : à suivre.
Il y a un intérêt récent pour des réacteurs modulaires de petite traille (très relative…) et de moindre capacité (300 MW) qui pourraient suppléer aux centrales classiques (> 1.000 MW) à proximité des nœuds des réseaux de distribution.
La perspective d’une centrale à fusion est à très long terme et la possibilité de son avènement est loin d’être assurée vu l’ampleur des difficultés à surmonter.
La production d’électricité par les panneaux solaires a un intérêt certain au niveau individuel, en particulier dans les maisons isolées qui disposent d’une importante surface de toit voire de murs bien exposés. Au plan collectif son intérêt est discutable en raison de l’intermittence de production, la puissance moyenne effective n’étant que de 14 % de la puissance installée. De ce fait les installations ne sont généralement pas rentables, en tout cas dans les régions au climat tempéré, et elles n’existent que grâce aux subsides alloués, ce qui naturellement génère un surcoût important de l’électricité fournie au consommateur.
La production par les installations éoliennes est rarement envisageable au niveau individuel en raison des inconvénients esthétiques et sonores et du coût généralement plus élevé que le photovoltaïque. Au plan collectif on retrouve le problème de l’intermittence de production, avec une puissance moyenne effective de 24 % de la puissance installée. Les éoliennes ont une importante répercussion environnementale, esthétique, sonore et par la pollution des hélices et des masses de béton des supports des installations en fin de vie, et aussi d’une considérable pollution dans les mines d’extraction des terres rares. A l’instar du photovoltaïques, l’éolien n’est pas rentable et génère l'augmentation du coût moyen de l’électricité, par le biais des subsides alloués.
Dans les deux cas - éolien et photovoltaïque - l’intermittence nécessite en effet le déploiement de centrales thermiques de puissance équivalente pour suppléer à la demande en absence de vent et de soleil, installations qui ne peuvent pas non plus être rentables du fait de leur intermittence, étant forcées à s’arrêter lorsque les renouvelables produisent...
L’énergie hydroélectrique transforme en électricité l’énergie mécanique de l'eau de retenue du barrage, qui fait tourner une turbine en dévalant dans une conduite. Le processus inverse, remontant dans la retenue l'eau d’aval avec des pompes électriques, permet de récupérer de l’énergie mécanique ultérieurement avec une perte acceptable.
L’énergie marémotrice transforme sur le même principe l’énergie mécanique des mouvements marins en électricité. Son développement est très marginal du fait des difficultés de maintenance des installations, affectées par le sable et l’eau salée.
Du point de vue disponibilité, on estime les réserves d'hydrocarbures à une centaine d'années, deux fois plus pour le charbon et plausiblement davantage pour les sources d'hydrogène pour autant que l'étendue des sources exploitables soit confirmée.
Toutefois, il est possible de générer des hydrocarbures de synthèse à partir du Charbon et de biomasse comme les déchets agricoles, voire d'envisager une synthèse à partir du CO2. La limite est le coût actuel du processus par rapport au pétrole d'extraction mais il n'y a pas de difficulté technique particulière. Les hydrocarbures de synthèse ont d'ailleurs été largement utilisés par les militaires allemands pendant la dernière guerre après que l'accès aux sources naturelles aient été limités par l'avance des alliés en particulier en Afrique.
Les réserves d'uranium seraient de l'ordre de 50 ans mais n'auraient pas de limites pratiques pour les surgénérateurs.