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> INTRODUCTION

Des sources naturelles aux enjeux de la production 4 > L’énergieDes sources naturelles aux enjeux de la production 4 > L’énergie

D E L A R E C H E R C H E

À L’ I N D U S T R I E

> Des sources naturelles aux enjeux de la production

QU’EST-CE QUE L’ÉNERGIE?LES DIVERSES FORMES D’ÉNERGIECARACTÉRISTIQUESDES DIVERSES ÉNERGIES

LA COLLECTION

1 > L’atome2 > La radioactivité3 > L’homme et les rayonnements4 > L’énergie5 > L’énergie nucléaire : fusion et fission6 > Le fonctionnement d’un réacteur nucléaire7 > Le cycle du combustible nucléaire8 > La microélectronique

© Commissariat à l’Énergie Atomique, 2002Direction de la communicationBâtiment Siège - 91191 Gif-sur-Yvette cedexwww.cea.fr

ISSN 1637-5408.

L’énergie4 > L’énergie

> INTRODUCTION

Des sources naturelles aux enjeux de la production 4 > L’énergie

> SOMMAIRE 32

introductionDe tout temps, l’homme a eu besoin de

l’énergie pour se nourrir, se mouvoir. Celle-ci existe sous plusieurs formes. Aujourd’hui,la technologie permet d’en produire en grandequantité, en utilisant toutes les ressources pos-sibles (fossiles, eau, vent, soleil…). À l’aubedu XXIe siècle, l’énergie reste un enjeu majeur,

“L’énergie est essentielle à l’homme.Elle représente un enjeu majeur dansles domaines politique, économique,scientifique et environnemental.”

tant au niveau politique, économique, scien-tifique qu’environnemental… Parmi lesdiverses propriétés des objets matériels,l’énergie est l’une des plus importantes, maisaussi l’une des plus abstraites car elle n’estpas directement tangible.Cet ouvrage donne quelques notions sur la phy-sique de l’énergie.

QU’EST-CE QUE L’ÉNERGIE? 4L’énergie est plus ou moins élevée 5L’énergie se transforme 5L’énergie se conserve 6L’énergie se mesure 6La puissance 7

LES DIVERSES FORMESD’ÉNERGIE 8Énergie cinétique 9Énergie de gravitation 9Énergie élastique 9Travail 9Énergie calorifique 10Énergie électrique 10Énergie radiative 10Énergie chimique 10Énergie nucléaire 11

CARACTÉRISTIQUESDES DIVERSES ÉNERGIES 12Énergies diluées ou concentrées 13La dégradation 15Le stockage 16Le transport de l’énergie 17Les réserves 17Les nuisances 18

> INTRODUCTION 3

L’én

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Le vent constitue l’une des multiples sources d’énergie.

L’énergie semanifeste dans un mouvement, uneréaction chimique,un rayonnement, un dégagement de chaleur, unsystème électriqueou la fission d’un atome.


Conception et réalisation: Spécifique - Photo de couverture: © PhotoDisc - Illustrations: YUVANOE - Impression: Imprimerie de Montligeon - 09/2002

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> QU’EST-CE QUE L’ÉNERGIE ? 54

L’ÉNERGIE EST PLUS OU MOINS ÉLEVÉEL’existence de l’énergie peut apparaître sousdes masques divers et on peut ainsi sentir dequelle manière elle dépend de la situation.Une voiture possède une énergie d’autant plusélevée qu’elle roule plus vite ; cette énergieest inférieure à celle d’un camion allantà la même vitesse. Un ressort, lorsqu’il estcomprimé, a une énergie plus grande quelorsqu’il est détendu. L’énergie d’une pileélectrique avant sa mise en service est plusgrande que lorsqu’elle est déchargée. L’énergied’une casserole d’eau augmente lorsqu’onla chauffe.L’énergie se présente ainsi sous des formestrès diverses. Pour chacune d’entre elles, lescomparaisons effectuées montrent quel’énergie d’un système physique dépend del’état dans lequel il se trouve. Dans lesexemples ci-dessus, cet état est caractérisépar la vitesse et la masse du véhicule, la défor-mation du ressort, la charge. Nous allons levoir, les divers types d’énergie peuvent, aumoins partiellement, prendre bien d’autresformes. Ces transformations de l’énergie sontutilisées dans la vie courante, mais chacuned’entre elles génère des pertes.

L’ÉNERGIE SE TRANSFORMEL’énergie peut se transmettre d’un système àun autre : sous forme de chaleur, elle passed’un radiateur à l’air d’une pièce. Elle peutaussi se transformer en changeant de nature.


Qu’est-ce quel’énergie?

Dans un jouet mécanique, le ressort se détenden provoquant un mouvement. L’énergie asso-ciée au mouvement d’un vélo se transforme,lorsqu’on freine, en chaleur communiquée auxpatins des freins et à la jante des roues. L’énergieemmagasinée dans une pile de lampe de pochese change, lorsqu’on ferme le circuit, en énergieélectrique; celle-ci se convertit à son tour dansl’ampoule en énergie lumineuse et calorifique.Dans une centrale thermoélectrique, l’énergiestockée dans le carburant (énergie chimiquedans le charbon et le pétrole, ou énergienucléaire dans l’uranium) est transformée(par combustion ou par réaction nucléaire) enchaleur ; puis une partie de cette chaleur

Dans une ampoule, l’énergie électrique se convertit en énergie lumineuse et calorifique.

CONCEPT ABSTRAIT, L’ÉNERGIE VIENT DU MOT GREC“ENERGIA” QUI SIGNIFIE “FORCE EN ACTION”.

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La “production” d’une centrale électrique – ici, la centraleEDF de Penly (Seine-Maritime) – consiste à transformer de l’énergie nucléaire.


> QU’EST-CE QUE L’ÉNERGIE ? 76 > QU’EST-CE QUE L’ÉNERGIE ?

est récupérée dans les turbines sous formemécanique ; enfin, cette énergie mécaniqueest convertie en énergie électrique dans lesalternateurs.C’est à travers de telles transformations ou detels transferts que l’énergie se manifeste à nous.

L’ÉNERGIE SE CONSERVELa caractéristique la plus remarquable del’énergie est qu’elle se conserve toujours. Lors-qu’elle est transférée d’un système à un autre,ou lorsqu’elle change de nature, il n’y a jamaisni création ni destruction d’énergie. Si un objetaperdu de l’énergie, la même quantité d’énergiea obligatoirement été gagnée par un autre objeten communication avec le premier. De même,lorsque l’énergie change de forme, le bilan esttoujours exactement équilibré.C’est donc par abus de langage que lesjournaux, les économistes ou les hommespolitiques parlent de “production d’énergie”,ou de “pertes d’énergie”, puisque l’énergiene peut être ni créée ni perdue. En réalité,dans une centrale thermoélectrique, on ne“produit” pas d’énergie, mais on transformede l’énergie chimique ou nucléaire en énergieélectrique et calorifique. Le bilan global decette conversion est caractérisé par unrendement. Celui d’une centrale représente33%, ce qui signifie que pour envoyer sur leréseau 33 unités d’énergie électrique, il a falluconsommer 100 unités d’énergie nucléaire,tout en dégageant 67 unités de chaleur ; cette chaleur, évacuée dans l’environnement,

au mouvement d’un objet de masse “m” et devitesse “v” vaut E = 1/2 mv2 ; lorsque la masseest exprimée en kilogrammes et la vitesseen mètres par seconde, cette formule donnel’énergie en joules (J), unité légale dans lesystème international.À l’époque où l’on n’avait pas encore reconnuque la chaleur était une forme de l’énergie,l’étude des échanges thermiques avait conduità introduire une unité de chaleur, la calorie,définie comme la quantité de chaleur à fournirà 1 gramme d’eau pour élever sa températurede 1 degré Celsius. L’expérience a montré queles transformations d’énergie mécanique enchaleur, ainsi que les transformations inverses,se faisaient toujours avec le même rapport, àsavoir 1 calorie pour 4,18 joules. Il y a doncéquivalence entre ces deux formes d’énergie(mécanique et chaleur). Ceci a permis d’aban-donner la calorie et de mesurer la chaleur ettoutes les autres formes d’énergie, en joules.

LA PUISSANCELes échanges d’énergie sont caractérisés, nonseulement par la quantité d’énergie transféréeou transformée, mais aussi par la durée du processus. La notion de puissance est ainsidéfinie comme une quantité d’énergie échangéepar unité de temps. L’unité de puissance, lewatt, est donc le joule par seconde. Un radia-teur électrique de 1500 W consomme durantchaque seconde une énergie électrique de1500 J, et par suite, durant chaque heure(3600 secondes), une énergie électrique de

3600 x 1500 J = 5400000 J, transformée enénergie calorifique.Cet exemple montre que le joule est une unitéd’énergie trop petite pour nos usages courants.On emploie souvent en pratique le kilowatt-heure (kWh), quantité d’énergie mise en jeupar un appareil d’une puissance de 1000 Wpendant un délai d’une heure. Ainsi, 1 kWhvaut 3600 x 1000 J = 3600000 J. Le radia-teur électrique considéré ci-dessus consomme,en une heure de fonctionnement, 1,5 kWh etrayonne évidemment pendant la même duréeune énergie calorifique de 1,5 kWh.La consommation annuelle moyenne d’électri-cité par habitant en France est de plus de7000 kWh, le double aux États-Unis, soit14000 kWh, et en Afrique un peu plus de500 kWh. Les trois quarts de l’électricité pro-duite en France sont d’origine nucléaire, ledernier quart se partageant entre hydroélectriqueet thermique (charbon, pétrole). Mais cetteélectricité représente elle-même moins de lamoitié de notre consommation totale. Le restefait appel à une utilisation directe de pétrole(essence, fioul), de gaz et de charbon; le tiersde nos besoins concerne, en effet, le chauffagedes locaux, et le quart concerne les transports.

par exemple par la vapeur d’eau sortant destours de refroidissement, est donc, en général,perdue pour nous. Certaines centrales enrécupèrent toutefois une partie pour chaufferdes habitations ou des serres.Nous verrons plus loin que, si l’énergie seconserve toujours, ses diverses formes ne sontpas équivalentes, car toutes les transformationsconcevables ne sont pas réalisables.

L’ÉNERGIE SE MESUREC’est la propriété de conservation de l’énergiequi nous permet de mesurer, à l’aide d’uneseule et même unité, les diverses formes del’énergie. L’énergie, dite cinétique, associée

“L’énergie se conserve : rien ne se perd, rien ne se crée. C’est le premier principe de la thermodynamique.” “L’Américain

consomme enmoyenne environ deuxfois plus d’électricitéque le Français, lequelconsomme quatorzefois plus d’électricitéque l’Africain.”

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> LES DIVERSES FORMES D’ÉNERGIE


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ÉNERGIE CINÉTIQUEC’est l’énergie associée au mouvement d’unobjet. On a vu qu’elle était proportionnelle à lamasse “m” et au carré de la vitesse “v” de l’objet(à condition que cette vitesse soit faible devantcelle de la lumière, 300000 km/s).

ÉNERGIE DE GRAVITATIONDeux corps massifs s’attirent. Cette force, ditede gravitation, est faible pour de petits objets,mais devient importante pour des astres. Ainsile Soleil et la Terre, la Terre et la Lune, s’atti-rent; la pesanteur n’est autre que la force degravitation exercée par la Terre sur les objetsdans son voisinage. À cette force correspondune énergie de gravitation, plus élevée lorsqueles corps sont éloignés l’un de l’autre que lors-

formes d’énergie

Les barrages ont l’avantage d’être utilisés à la fois commesources et réservoirs d’énergie.

qu’ils sont proches. L’énergie de gravitation estdite potentielle, parce qu’elle ne se manifesteà nous que lorsqu’elle se convertit en une autreforme d’énergie. L’énergie potentielle d’unecabine d’ascenseur est plus grande au sixièmeétage qu’au rez-de-chaussée, car elle est alorsplus éloignée du centre de la Terre qui l’attire.Si l’on coupait le câble en neutralisant lesfreins de sécurité, la cabine tomberait en s’ac-célérant, son énergie potentielle se transfor-merait alors en énergie cinétique, plus visible.De même, l’énergie d’une masse de 1 kg d’eauà la surface d’un lac de barrage est plus élevéeque son énergie lorsqu’elle est au pied du bar-rage. En effet, pour une différence d’altitudede 100 m, la différence d’énergie potentielleest de 981J.C’est cette énergie qui est exploitéedans une centrale hydroélectrique, où la chutede l’eau actionne des turbines qui entraînentdes alternateurs.

ÉNERGIE ÉLASTIQUEIl s’agit encore d’une énergie potentielle, asso-ciée cette fois aux déformations des objets élas-tiques, par exemple à la tension d’un ressortou à la compression d’un gaz.

TRAVAILCe terme désigne un transfert d’énergie réaliséen exerçant une force dont le point d’actionse déplace. En soulevant un poids, par exempleen remontant de l’eau depuis la base jusqu’ausommet d’un barrage, on lui fournit un travail,qui lui permet d’acquérir une énergie potentielle

L’ÉNERGIE SE MANIFESTE DANS UN MOUVEMENT,UNE RÉACTION CHIMIQUE, UN RAYONNEMENT,UN DÉGAGEMENT DE CHALEUR, UN SYSTÈMEÉLECTRIQUE OU LA FISSION D’UN ATOME.

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Les diverses formes d’énergie

que les atomes eux-mêmes, sont constituésde particules plus élémentaires – les protons etles neutrons – très fortement liés entre eux. Demême que la liaison des atomes en moléculesest la source de l’énergie chimique, la liaisondes protons et neutrons en noyaux par des forcesnucléaires est la source de l’énergie nucléaire.Une réaction nucléaire, en transformant les édi-fices des noyaux atomiques, s’accompagne ainsid’un dégagement de chaleur. C’est ce mécanismequi produit au cœur du Soleil, par fusion desnoyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium, la cha-leur qui sera ensuite rayonnée. Dans nos cen-trales électronucléaires, nous utilisons une autreréaction nucléaire, la fission des noyaux d’ura-nium, qui les transforme chacun en deux autresnoyaux environ deux fois plus petits; une partiede la chaleur produite (33% comme nous l’avonsdéjà noté page 6) est convertie en électricité.

> LES DIVERSES FORMES D’ÉNERGIE


> LES DIVERSES FORMES D’ÉNERGIE 1110

ÉNERGIE RADIATIVEUn rayonnement transporte de l’énergie, mêmeà travers le vide. Le Soleil nous transmet unepuissance de l’ordre de 1 kW par mètre carré,sous forme de lumière visible et de rayonnementinfrarouge. Un radiateur nous communique sachaleur par l’intermédiaire de l’air ambiant, maisaussi directement sous forme de rayonnementinfrarouge. Dans le filament d’une ampoule élec-trique, l’énergie électrique se transforme en cha-leur, puis cette chaleur est évacuée principale-ment sous forme d’énergie radiative, lumineuseet infrarouge. Un four à micro-ondes commu-nique de la chaleur aux aliments à partir d’uneénergie électrique, par l’intermédiaire d’un rayon-nement dit de micro-ondes, analogue à celui d’unradar. Inversement, on peut convertir en énergieélectrique une partie de l’énergie lumineuse enprovenance du Soleil à l’aide de photopilessolaires. Les ondes radio transportent aussi uneénergie, certes faible, mais suffisante pour véhi-culer du son, des images ou de l’information.

ÉNERGIE CHIMIQUEL’énergie chimique est associée à la liaison desatomes dans les molécules. Elle est plus élevéelorsque ces atomes sont séparés que lorsqu’ilssont liés en molécules, et cet écart est d’autantplus grand que la liaison est plus forte. Puis-qu’elle modifie l’énergie chimique des corps,une réaction chimique s’accompagne d’unetransformation de cette énergie en une autreforme d’énergie, le plus souvent en chaleur. Unréchaud à gaz produit ainsi une certaine quan-

plus élevée ; le travail fourni à une pompe quicomprime un gaz accroît l’énergie élastiquede celui-ci et contribue à l’échauffer.Les formes d’énergie énumérées jusqu’ici sontdes énergies mécaniques.

ÉNERGIE CALORIFIQUEÀ l’échelle atomique, la chaleur se traduit parun mouvement désordonné et plus ou moinsrapide des molécules. À notre échelle, elleconstitue la forme d’énergie mise en jeu lorsquela température varie ou lorsqu’un matériauchange d’état (fusion de la glace, évaporationde l’eau). Elle peut se transférer de proche enproche sans se transformer en une autre formed’énergie (conduction calorifique). Elle peutaussi se convertir en énergie mécanique, dansune turbine, une machine à vapeur, ou un réac-teur d’avion, mais nous verrons que cetteconversion ne peut être que partielle.

ÉNERGIE ÉLECTRIQUELes particules chargées exercent les unes surles autres des forces électriques. De mêmequ’une énergie potentielle de gravitation étaitassociée aux forces de gravitation ou de pesan-teur, une énergie potentielle électrique est associée aux forces électriques entre charges.Le déplacement de celles-ci dans un circuits’accompagne de transferts plus ou moinsrapides d’énergie, mesurés par la puissance électrique. Une énergie électrique peut se transformer en chaleur dans une résistance(radiateur, réchaud), en travail dans un moteur.

tité d’énergie calorifique, égale à la différenceentre l’énergie chimique du gaz et de l’oxygèneconsommés et celle des produits de combus-tion (vapeur d’eau et dioxyde de carbone). Dansune centrale thermique au charbon ou au fioul,une fraction de la chaleur de combustion esttransformée en énergie électrique. Dans unaccumulateur ou une pile électrique, une partiede l’énergie chimique libérée par la réaction estdirectement récupérée sous forme électrique.Bien que d’apparence dissemblable, les énergies calorifique, électrique, radiative et chimique ont une origine commune: à l’échellemicroscopique, toutes sont reliées aux forcesélectriques entre des particules chargées.

ÉNERGIE NUCLÉAIREL’énergie nucléaire est localisée dans les noyauxdes atomes. Ces noyaux, 100000 fois plus petits

“L’énergie peut changer de forme. Par exemple, la combustion du pétrole se convertit en chaleur.”

Transformation de l’énergie

Essence

Moteur Déplacement Frottements

Alternateur

Batterie Bougie Phare ÉNERGIELUMINEUSE

ÉNERGIECHIMIQUE

CHALEURÉNERGIECINÉTIQUE

ÉNERGIEMÉCANIQUE

ÉNERGIECHIMIQUE

CHALEUR PARCOMBUSTION

En exemple, les transformationsd’énergie produites dans une voiture:lL’énergie chimique de l’essence et del’air est transformée en chaleur parcombustion. Celle-ci est transmise,par la production de gaz chauds, aux cylindres, puis aux pistons. À ce stade, elle se transforme enénergie mécanique et déclenche lemouvement de la voiture, qui acquiertune certaine énergie cinétique.lLes frottements de l’air sur lacarrosserie, et des roues sur le sol,transforment intégralement cetteénergie en chaleur (en terrain plat et à vitesse constante).lUne partie de l’énergie issue du moteur est convertie en énergieélectrique, alimentant un alternateur.Le courant ainsi engendré sert à produire les étincelles dans les bougies pour enflammer le combustible, et à recharger la batterie, dont l’énergie chimiqueaugmente. Il sert aussi à allumer les phares pour émettre de l’énergielumineuse; on consomme donc, à vitesse donnée, un peu plusd’essence de nuit que de jour.

> CARACTÉRISTIQUES DES DIVERSES ÉNERGIES


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Bien que l’énergie soit une seule et même gran-deur physique, ses diverses formes présententdes caractéristiques très différentes. Dans lapratique, le choix de tel ou tel type d’énergiedépendra donc du but poursuivi. Pour unobjectif donné, par exemple produire del’énergie électrique, il est essentiel, selon lescirconstances, de peser le pour et le contre dechaque solution envisageable, et les critèresde choix sont multiples.

ÉNERGIES DILUÉES OU CONCENTRÉESDe même qu’un billet de 50 euros permetd’acheter la même quantité de marchandisesque 50 pièces de 1 euro, certaines formesd’énergie sont concentrées sous un volumebeaucoup plus faible que d’autres. On peut dece point de vue distinguer trois catégories, quicorrespondent aux trois types de forces identi-fiées précédemment.

L’énergie de gravitationL’énergie de gravitation n’est appréciable quesi des masses considérables sont en jeu. Ona vu que 1 kg d’eau tombant de 100 m nefournit que 981 J (voir page 9) et que 1 kWhvaut 3600000 J (voir page 7). Pour libérerseulement 1 kWh, il faut faire chuter(3600000 J/981 J/kg) soit 3,67 t d’eau de100m. Les centrales hydroélectriques sont doncpeu efficaces de ce point de vue. Les énergiesmécaniques apparaissant dans notre viecourante ont aussi des ordres de grandeur très

faibles. L’énergie cinétique d’une voiture pesant1tonne roulant à 100km/h n’est que de 0,1kWh.

Énergies calorifique, électrique,radiative et chimiqueDans la catégorie intermédiaire figurent les éner-gies calorifique, électrique, radiative et chimique,qui, pour les usages courants, se mesurent ennombres de l’ordre du kWh par kg de matière. Ilfaut fournir 0,1 kWh pour faire fondre 1 kg deglace, 0,7kWh pour vaporiser 1kg d’eau à 100°C.Les appareils électroménagers consomment unepuissance électrique comprise entre 0,1 et 5kW.La combustion de 1 kg de pétrole ou de gazfournit environ 12 kWh. Un homme élabore del’énergie biochimique, provenant des alimentsdigérés et de l’air respiré. Il l’utilise pour main-tenir sa température à 37 °C et exercer ses

des diverses énergies

PUISSANCE, “PERTE” EN CHALEUR, CAPACITÉDE RENOUVELLEMENT… CES CARACTÉRISTIQUESDÉTERMINENT L’USAGE QUE NOUS FAISONSDES DIFFÉRENTES ÉNERGIES.

La catégorie intermédiaire des énergies diluées ou concentrées regroupe les énergies calorifique,

électrique, radiative et chimique. Exemple: la combustion de pétrole ou de gaz.

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Caractéristiquesdes diverses énergies



activités; la puissance correspondante est de100 W au repos, de 500 W en pleine activitéphysique.On peut prendre conscience de l’écart quisépare ces deux premières catégories d’énergieen notant que, si l’énergie mécanique d’un œuftombant du sommet de la tour Eiffel était entiè-rement transformée en chaleur et utilisée pouréchauffer l’œuf, sa température n’augmente-rait que de 0,7 °C.

L’énergie nucléaireL’énergie nucléaire est de loin une formed’énergie beaucoup plus concentrée, puisque1 kg d’uranium naturel fournit une quantité de chaleur de 100 000 kWh dans une centrale électrique courante, alors que 1 kg

de charbon fourniten brûlant 8 kWh.C’est pourquoi on

ne manipule que d’assez faibles masses de combustible nucléaire pour la productiond’électricité : une centrale électronucléaired’une puissance de 1000 MW électriques(109 W) consomme 27 tonnes d’uraniumenrichi par an, le quart de son chargement,alors qu’une centrale thermique de mêmepuissance consomme 1500000 tonnes depétrole par an. En fait, on ne sait extraire indus-triellement qu’une assez faible part de l’énergienucléaire emmagasinée dans la matière. Dansle Soleil, 1 kg d’hydrogène produit, par réac-tions nucléaires le transformant en hélium,180 millions de kWh.

> CARACTÉRISTIQUES DES DIVERSES ÉNERGIES 1514

L’énergie nucléaire est l’une des formesd’énergie les plus concentrées.

LA DÉGRADATIONL’expérience montre qu’un système physiquelivré à lui-même tend à devenir spontanémentde plus en plus désordonné. Parmi les diversesformes de l’énergie, la chaleur correspond àdes mouvements désordonnés des molécules.Au contraire, les autres formes d’énergie, quel’on peut qualifier de “nobles”, sont ordonnéesà l’échelle microscopique. Elles ont donc tendance à se changer en chaleur. Ce phéno-mène est appelé la dissipation, et l’on dit quela chaleur est une forme dégradée de l’énergie.Il est facile de produire de la chaleur à partird’une quantité équivalente d’énergie noble, parexemple dans des fours et chaudières, élec-triques ou à combustion, ou des capteurs solairespour chauffe-eau. Mais les transformationsinverses sont impossibles. Si l’on dispose d’unecertaine quantité de chaleur, on ne peut pas laconvertir intégralement en énergie mécanique,

électrique ou chimique à l’aide d’un appareilqui fonctionnerait en cycle fermé, en revenantpériodiquement à son état initial. Cette “inter-diction” constitue l’une des grandes lois de laphysique, confirmée par d’innombrables expé-riences: la nature ne nous autorise à convertiren une autre forme d’énergie qu’une fractionde la chaleur disponible, et elle impose à cettefraction de ne pas dépasser une certaine valeurmaximale. C’est ce qui limite le rendement desturbines à vapeur dans les centrales électriques,des moteurs de voiture et d’avion, et de tousles engins délivrant de l’énergie mécanique àpartir de l’énergie calorifique d’un gaz chaud.La chaleur apparaît souvent comme une “perte”lorsqu’on manie les autres formes d’énergie(sauf, bien entendu, si l’on a en vue le chauf-fage domestique ou industriel). Afin d’exploiterl’énergie nucléaire ou l’énergie chimique dansune centrale électrique ou une automobile, oncommence par produire de la chaleur par réac-tion nucléaire ou chimique; seule une partie decette chaleur peut ensuite être reconvertie enénergie électrique ou mécanique. La situationla plus favorable est celle de la conversion directed’énergie mécanique en énergie électrique, etvice versa. Mais même dans ce cas, il est diffi-cile en pratique d’éviter de détourner une partde ces énergies nobles vers de la chaleur. Sil’arbre d’un moteur entraîne celui d’un alterna-teur, le premier transforme de l’énergie électriqueen énergie mécanique, et c’est l’alternateur quireconvertit celle-ci en énergie électrique. Maison récupère au total moins d’énergie électrique

La plupart des centrales nucléairesfrançaises utilisent des réacteurs àeau sous pression (REP).

“La nature ne nous permet deconvertir qu’une fraction de chaleuren une autre forme d’énergie.”

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LE CALCUL DE L’ÉNERGIE TOTALEDans le Soleil, 1 kg d’hydrogène produit 180 millionsde kWh. Pour des énergies aussi considérables, on vérifie la célèbre relation d’Einstein E = mc2,qui exprime que l’énergie totale d’un corps estproportionnelle à sa masse, nouvelle propriétéd’équivalence; mais le coefficient est énorme,puisque la vitesse c de la lumière vaut 300000 km/s.De la sorte, une masse de seulement 1 mg équivaut à 25000 kWh; dans une centrale nucléaire, latransformation de 1 kg d’uranium naturel en d’autreséléments diminue l’énergie nucléaire du combustiblede 100000 kWh, et donc sa masse de 4 mg.



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> CARACTÉRISTIQUES DES DIVERSES ÉNERGIES16

qu’on n’en a fourni ; la différence consiste enun dégagement de chaleur par effet joule, dansles bobinages ou par frottement, dans lespaliers, impossible à éliminer totalement.Cette équivalence entre les énergies estcomparable à celle qui existe entre des monnaies convertibles, 1 dollar valant parexemple 0,98 euro. La dissipation en chaleur joue alors le rôle des frais bancaires qui nousempêchent de recouvrer le montant initial si nouschangeons des euros en dollars, puis ceux-ci ànouveau en euros. La valeur comme l’énergiesont bien conservées au total, mais pas pour nous.

LE STOCKAGEL’énergie ne se prête au stockage en quantitéappréciable que sous certaines de ses formes.Sa mise en réserve et sa récupération impli-quent donc des transformations, et par suitede la dissipation. L’énergie électrique peut êtreemmagasinée dans des accumulateurs, sousforme d’énergie chimique.Mais la décharge d’unaccumulateur fournit moins d’énergie élec-trique que sa charge, car les réactions électro-chimiques s’accompagnent d’une assez fortedégradation en chaleur. De plus, les accumu-lateurs sont coûteux et lourds, puisqu’ils n’emmagasinent que 0,1 kWh par kg, ce quiest, avec le prix, la principale entrave au déve-loppement de la voiture électrique.Nos besoins en puissance électrique varient avecl’heure, en croissant par exemple rapidementle soir ; et les centrales nucléaires ont du malà suivre ces changements. Étant donné la fai-

LES RÉSERVESOn distingue les énergies fossiles des éner-gies renouvelables. Les premières reposent sur l’exploitation de minéraux et combustiblesformés durant l’histoire de la Terre et n’exis-tant qu’en quantités limitées. En tenant comptede l’évolution des consommations, et de l’espoir de découvrir de nouveaux gisements,on peut estimer les réserves mondiales àquelques dizaines d’années pour le pétrole, àune centaine d’années pour le gaz ou l’ura-nium, à quelques siècles pour le charbon. Ledéveloppement de techniques comme cellesdes surgénérateurs suffirait cependant à mul-tiplier nos réserves en énergie nucléaire parun facteur supérieur à 100.

Étude des échanges thermiques par simulation.

La batterie: un mode de stockage d’énergieélectrique sous forme d’énergie chimique.

blesse des pertes de chaleur dans les échangesélectromécaniques, on a imaginé d’utiliser lesbarrages non seulement comme sourcesd’énergie hydroélectrique, mais aussi commeréservoirs d’énergie. En heures creuses, l’eauest pompée du bas du barrage vers la retenuepar emploi d’énergie électronucléaire, et enheures de pointe, cette eau redescend, actionneles turbines de l’usine et l’on récupère de l’élec-tricité. Puisque cette forme de stockage passepar de l’énergie mécanique, elle nécessite debrasser de fortes masses d’eau, plusieurs tonnespar kWh emmagasiné.Les carburants, chimiques ou nucléaires, emma-gasinent efficacement de l’énergie. Mais nousne savons, en pareil cas, récupérer celle-ci quesous forme de chaleur.

LE TRANSPORT DE L’ÉNERGIELa relative facilité de stockage et aussi de trans-port sur de grandes distances du charbon, du pétrole et du gaz a été l’un des facteurs primordiaux du développement de l’industriedepuis deux siècles. L’essor de l’automobilerepose aussi sur la possibilité d’emporter avecsoi assez de carburant pour parcourir plusieurscentaines de kilomètres. Mais l’électricité estla seule forme d’énergie susceptible d’être àla fois transformée en quasi-totalité en n’im-porte laquelle des autres, et transportée auloin en grande quantité à un coût relativementfaible. Les pertes de chaleur dans les lignesà haute tension et les transformateurs attei-gnent cependant 8%.

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> CARACTÉRISTIQUES DES DIVERSES ÉNERGIES18

Les énergies renouvelablesLes énergies renouvelables sont celles qui nousparviennent directement ou indirectement du Soleil, qui nous envoie en permanenceson rayonnement. Il s’agit des énergies solaire,hydraulique, éolienne (celle du vent), maisaussi de l’énergie chimique qui s’accumule dansles végétaux utilisables comme combustibles(bois, déchets, alcool). La puissance totale quel’on peut tirer de ces énergies renouvelables estcependant limitée; par exemple, il ne faudraitpas brûler les forêts à un rythme plus rapideque celui de leur croissance. Bien qu’ellesconstituent un appoint essentiel, les énergies

renouvelables ne sauraient se substituer qu’enfaible proportion aux énergies fossiles.

LES NUISANCESLa manipulation de toutes les formes d’énergieproduit sur notre environnement des effetsplus ou moins néfastes, qu’il importe desavoir apprécier cas par cas. Certains résidusde combustion du charbon, du pétrole, del’essence, ou même du gaz s’il brûle mal, sontnocifs pour l’homme. Le principal gaz dégagé,le dioxyde de carbone, s’accumule dansl’atmosphère, ce qui risque d’influer surnotre climat, en accroissant l’effet de serre.

Les réactions nucléaires génèrent des déchetsradioactifs, qu’il est essentiel de traiter ou deréduire surtout lorsqu’ils ont une longue duréede vie. Les centrales hydroélectriques noientdes vallées. Les éoliennes sont bruyantes, etn’assurent pas une production continue ; deplus, elles occupent beaucoup d’espace pourd’assez faibles puissances. Les photopilessolaires ont le même défaut et sont très chères,de sorte que la transformation d’énergie solaireen électricité n’est adaptée qu’à l’alimenta-tion d’habitations isolées ou au fonctionne-ment de petits appareils portables comme descalculettes ; de plus, la fabrication des pho-topiles est très coûteuse en énergie.

La pollution thermiqueLa dégradation de l’énergie entraîne une conséquence commune à toutes les énergiesnon renouvelables, la pollution thermique. Lamajeure partie des énergies fossiles que nousutilisons se change en définitive en chaleur.Nous avons vu, par exemple, que le bilanglobal du fonctionnement d’une voitureconsiste en une transformation de l’énergiechimique de l’essence en chaleur cédée à l’en-vironnement. Même si la pollution thermiqueest trop faible pour influencer le climat, ellepeut avoir des effets locaux : une centrale ther-mique ou nucléaire refroidie par l’eau d’unerivière augmente de façon appréciable la tem-pérature de cette eau en aval et peut ainsimodifier son équilibre écologique. D’impor-tantes économies pourraient être réalisées en

récupérant cette chaleur perdue. La moitié del’énergie que nous utilisons est en effet des-tinée au chauffage domestique ou industriel,réalisé à l’aide de charbon, de gaz, de fioul oud’électricité. Ce type de consommations pour-rait être réduit par un meilleur emploi de lachaleur issue des centrales. En fait, la consom-mation moyenne d’énergie par habitant reflètenon seulement un niveau de vie, mais aussiun niveau de gaspillage. Cet exemple illustreun point essentiel : la multiplicité des sourcesd’énergie répond à la diversité des usages, etune approche globale des problèmes énergé-tiques est indispensable.

“Les énergiesrenouvelables sont celles quinous parviennent directement ouindirectement, du Soleil, duvent…”

Les éoliennes figurent parmi les énergies renouvelables mais lapuissance produite reste limitée.

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