8.6 : Sources d'énergie
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- Décrire les transformations et les conversions énergétiques en termes généraux
- Expliquer ce que signifie pour une source d'énergie le fait d'être renouvelable ou non renouvelable
Dans cette section, nous avons étudié l'énergie. Nous avons appris que l'énergie peut prendre différentes formes et peut être transférée d'une forme à une autre. Vous constaterez que l'énergie est abordée dans de nombreux contextes quotidiens et scientifiques, car elle est impliquée dans tous les processus physiques. Il deviendra également évident que de nombreuses situations sont mieux comprises, ou plus facilement conceptualisées, en tenant compte de l'énergie. Jusqu'à présent, aucun résultat expérimental n'a contredit les économies d'énergie. En fait, chaque fois que les mesures semblaient entrer en conflit avec les économies d'énergie, de nouvelles formes d'énergie ont été découvertes ou reconnues conformément à ce principe.
Quelles sont les autres formes d'énergie ? Beaucoup d'entre eux sont abordés dans les chapitres suivants (voir également Figure\(\PageIndex{1}\)), mais nous allons en détailler quelques-uns ici :
- Les atomes et les molécules à l'intérieur de tous les objets sont en mouvement aléatoire. L'énergie cinétique interne de ces mouvements aléatoires est appelée énergie thermique, car elle est liée à la température de l'objet. Notez que l'énergie thermique peut également être transférée d'un endroit à un autre, sans être transformée ni convertie, par les processus habituels de conduction, de convection et de rayonnement. Dans ce cas, l'énergie est appelée énergie thermique.
- L'énergie électrique est une forme courante qui est convertie en de nombreuses autres formes et qui fonctionne dans un large éventail de situations pratiques.
- Les carburants, tels que l'essence et les aliments, ont de l'énergie chimique, qui est une énergie potentielle provenant de leur structure moléculaire. L'énergie chimique peut être convertie en énergie thermique par des réactions telles que l'oxydation. Les réactions chimiques peuvent également produire de l'énergie électrique, par exemple dans les batteries. L'énergie électrique peut, à son tour, produire de l'énergie thermique et de la lumière, par exemple dans un radiateur électrique ou une ampoule.
- La lumière n'est qu'un type de rayonnement électromagnétique, ou énergie rayonnante, qui comprend également les rayons radio, infrarouges, ultraviolets, X et gamma. Tous les corps dotés d'énergie thermique peuvent émettre de l'énergie sous forme d'ondes électromagnétiques.
- L'énergie nucléaire provient de réactions et de processus qui convertissent des quantités mesurables de masse en énergie. L'énergie nucléaire est transformée en énergie radiante dans le soleil, en énergie thermique dans les chaudières des centrales nucléaires, puis en énergie électrique dans les générateurs des centrales électriques. Ces formes d'énergie et toutes les autres peuvent être transformées les unes en autres et, dans une certaine mesure, converties en travaux mécaniques.
La transformation de l'énergie d'une forme à une autre se produit tout le temps. L'énergie chimique des aliments est convertie en énergie thermique par le métabolisme ; l'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique par photosynthèse. Un autre exemple de conversion d'énergie se produit dans une cellule solaire. La lumière du soleil qui entre en contact avec une cellule solaire produit de l'électricité, qui peut être utilisée pour faire fonctionner des moteurs électriques ou chauffer de l'eau. Dans un exemple comportant de nombreuses étapes, l'énergie chimique contenue dans le charbon est convertie en énergie thermique lors de sa combustion dans un four, pour transformer l'eau en vapeur, dans une chaudière. Une partie de l'énergie thermique de la vapeur est ensuite convertie en énergie mécanique lorsqu'elle se dilate et fait tourner une turbine, qui est connectée à un générateur pour produire de l'énergie électrique. Dans ces exemples, toute l'énergie initiale n'est pas convertie dans les formes mentionnées, car une partie de l'énergie est toujours transférée vers l'environnement.
L'énergie est un élément important à tous les niveaux de la société. Nous vivons dans un monde très interdépendant, et l'accès à des ressources énergétiques adéquates et fiables est crucial pour la croissance économique et le maintien de notre qualité de vie. Les principales ressources énergétiques utilisées dans le monde sont présentées dans la Figure\(\PageIndex{2}\). La figure distingue deux principaux types de sources d'énergie : renouvelables et non renouvelables, et divise ensuite chaque type en quelques types plus spécifiques. Les sources renouvelables sont des sources d'énergie qui sont réapprovisionnées par des processus naturels et continus, sur une échelle de temps beaucoup plus courte que la durée de vie prévue de la civilisation utilisant la source. Les sources non renouvelables sont épuisées une fois qu'une partie de l'énergie qu'elles contiennent est extraite et convertie en d'autres types d'énergie. Les processus naturels par lesquels les sources non renouvelables se forment se déroulent généralement sur des échelles de temps géologiques.
Nos principales sources d'énergie non renouvelables sont les combustibles fossiles, tels que le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Ils représentent environ 81 % de la consommation énergétique mondiale, comme le montre la figure. La combustion de combustibles fossiles crée des réactions chimiques qui transforment l'énergie potentielle, dans les structures moléculaires des réactifs, en énergie thermique et en produits. Cette énergie thermique peut être utilisée pour chauffer des bâtiments ou pour faire fonctionner des machines à vapeur. Les moteurs à combustion interne et les moteurs à réaction convertissent une partie de l'énergie des gaz en expansion rapide, libérés par la combustion de l'essence, en énergie mécanique. La production d'électricité est principalement dérivée du transfert de l'énergie contenue dans la vapeur en expansion, via des turbines, vers des installations mécaniques, qui font tourner des bobines de fil dans des champs magnétiques pour générer de l'électricité. L'énergie nucléaire est l'autre source non renouvelable illustrée à la figure\(\PageIndex{2}\) et fournit environ 3 % de la consommation mondiale. Les réactions nucléaires libèrent de l'énergie en transformant l'énergie potentielle, dans la structure des noyaux, en énergie thermique, de la même manière que l'énergie libérée dans les réactions chimiques. L'énergie thermique issue des réactions nucléaires peut être transférée et convertie sous d'autres formes de la même manière que l'énergie provenant de combustibles fossiles est utilisée.
Le rejet de dioxyde de carbone dans l'atmosphère et sa contribution au réchauffement de la planète sont un sous-produit malheureux de la dépendance à l'énergie produite par la combustion de combustibles fossiles. L'énergie nucléaire pose également des problèmes environnementaux, notamment en ce qui concerne la sûreté et l'élimination des déchets nucléaires. Outre ces conséquences importantes, les réserves de sources d'énergie non renouvelables sont limitées et, compte tenu de la croissance rapide de la consommation énergétique mondiale, elles pourraient ne pas durer plus de quelques centaines d'années. Des efforts considérables sont déployés pour développer et étendre l'utilisation des sources d'énergie renouvelables, avec la participation d'un pourcentage important de physiciens et d'ingénieurs du monde entier.
Quatre des sources d'énergie renouvelables répertoriées dans la figure, à\(\PageIndex{2}\) savoir celles utilisant des matériaux provenant de plantes comme combustible (chaleur de la biomasse, éthanol, biodiesel et électricité issue de la biomasse), impliquent les mêmes types de transformations et de conversions énergétiques que ceux qui viennent d'être abordés pour les combustibles fossiles et nucléaires. Les autres grands types de sources d'énergie renouvelables sont l'hydroélectricité, l'énergie éolienne, l'énergie géothermique et l'énergie solaire.
L'énergie hydroélectrique est produite en convertissant l'énergie potentielle gravitationnelle de l'eau qui tombe ou coule en énergie cinétique, puis en énergie pour faire fonctionner des générateurs électriques ou des machines. La conversion de l'énergie mécanique des vagues et des marées de surface des océans est en cours de développement. L'énergie éolienne convertit également l'énergie cinétique en travail, qui peut être utilisé directement pour produire de l'électricité, faire fonctionner des moulins et propulser des voiliers.
L'intérieur de la Terre possède une grande quantité d'énergie thermique, dont une partie provient de sa formation initiale (énergie potentielle gravitationnelle convertie en énergie thermique) et une partie est libérée par des minéraux radioactifs (une forme d'énergie nucléaire naturelle). Il faudra beaucoup de temps pour que cette énergie géothermique s'échappe dans l'espace, de sorte que les gens la considèrent généralement comme une source renouvelable, alors qu'en fait, elle est simplement inépuisable à l'échelle du temps humain.
La source d'énergie solaire est l'énergie transportée par les ondes électromagnétiques émises par le Soleil. La majeure partie de cette énergie est transportée par la lumière visible et le rayonnement infrarouge (chaleur). Lorsque des matériaux appropriés absorbent les ondes électromagnétiques, l'énergie rayonnante est convertie en énergie thermique, qui peut être utilisée pour chauffer de l'eau ou, lorsqu'elle est concentrée, pour produire de la vapeur et générer de l'électricité (Figure\(\PageIndex{3}\)). Cependant, dans le cadre d'un autre processus physique important, connu sous le nom d'effet photoélectrique, le rayonnement énergétique qui arrive sur certains matériaux est directement converti en électricité. Les matériaux qui font cela sont appelés photovoltaïques (PV sur la figure\(\PageIndex{2}\)). Certains systèmes d'énergie solaire utilisent des lentilles ou des miroirs pour concentrer les rayons du soleil, avant de convertir leur énergie par le biais du photovoltaïque, et ceux-ci sont qualifiés de CSP sur la figure\(\PageIndex{2}\).
Alors que nous terminons ce chapitre sur l'énergie et le travail, il convient de faire quelques distinctions entre deux termes parfois mal compris dans le domaine de la consommation d'énergie. Comme nous l'avons mentionné précédemment, la « loi de conservation de l'énergie » est un principe très utile pour analyser les processus physiques. Il ne peut être prouvé à partir de principes de base, mais c'est un très bon outil de comptabilité, et aucune exception n'a jamais été trouvée. Il indique que la quantité totale d'énergie dans un système isolé reste toujours constante. L'importante philosophie de la conservation de l'énergie est liée à ce principe, mais remarquablement différente de celui-ci. Ce concept vise à réduire la quantité d'énergie consommée par un individu ou un groupe en réduisant les activités (par exemple, baisser les thermostats, parcourir moins de kilomètres) et/ou en augmentant l'efficacité de conversion dans l'exécution d'une tâche particulière, par exemple en développant et en utilisant des méthodes plus efficaces appareils de chauffage d'ambiance, voitures dont la capacité nominale en miles par gallon est plus élevée, lampes fluorescentes compactes économes en énergie, etc.
Puisque l'énergie d'un système isolé n'est pas détruite, créée ou produite, vous vous demandez peut-être pourquoi nous devons nous préoccuper de nos ressources énergétiques, étant donné que l'énergie est une quantité conservée. Le problème est que le résultat final de la plupart des transformations énergétiques est la chaleur perdue, c'est-à-dire le travail qui a été « dégradé » lors de la transformation énergétique. Nous aborderons cette idée plus en détail dans les chapitres sur la thermodynamique.