Concepts et chiffres de l'énergie : glossaire

Le dossier « Concepts et chiffres de l'énergie » est co-rédigé et co-publié avec le site Culture Sciences de l'ingénieur. Les données sont tirées de nombreuses références (rapports de groupes de recherche, publications dans des revues spécialisées, rapports d'instituts nationaux...).

Dans cet article, nous proposons au lecteur les définitions de termes et mots que l’on retrouve le long des ressources du dossier « Concepts et chiffres de l'énergie ».

L'analyse sur cycle de vie (ACV, en anglais : Life Cycle Assessment LCA) recense et quantifie, tout au long de la vie des produits, les flux physiques de matière et d’énergie associés aux activités humaines, dans un périmètre aussi étendu que possible et clairement défini. Elle en évalue les impacts environnementaux potentiels puis interprète les résultats obtenus en fonction de ses objectifs initiaux [4]. Les impacts sont nombreux : quantité de matières premières utiles, utilisation de ressources renouvelables ou recyclées et recyclables, pollution (eau, air, sol), contribution au réchauffement climatique (CO₂, CH₄, N₂O,... rejetés), dispersion de radio-isotopes (émissions radioactives), impacts sur les écosystèmes et la biodiversité, toxicité, etc. Les quantifications des impacts sont permises grâce à l’existence de bases de données fondées sur les « inventaires de cycle de vie » concernant les produits, procédés… Vu que ces données sont généralement issues de l’industrie, elles sont sensibles et souvent relativement anciennes. Afin de conserver un regard critique sur les résultats, il est très utile de disposer de la dynamique d’évolution des principaux impacts.

le terme bioénergie désigne les formes d'énergie stockées par la biomasse, ce sont donc l'ensemble des énergies dérivées de la conversion de l'énergie solaire en biomasse par des processus biologiques, autrement dit par la photosynthèse. Les bioénergies regroupent donc le biogaz, le bois sous ses différentes formes (buches, plaquettes, granulés…), les déchets scierie et de papeterie, les agrocarburants et parfois les déchets ménagers…

Le biogaz est le gaz produit par la fermentation de matières organiques en l’absence d’oxygène. C’est un combustible composé principalement de méthane et de dioxyde de carbone. De l’énergie électrique et de la chaleur peuvent être produites en cogénération à partir d’installations de méthanisation de matières organiques provenant de déjections animales, de déchets alimentaires, d’effluents de stations d’épurations mais aussi de cultures intermédiaires à vocation énergétique (CIVE) destinées à réguler l’approvisionnement des méthaniseurs. Après épuration, le biogaz, doté ainsi d’une plus haute teneur en méthane, peut également être injecté dans les réseaux de gaz via des sous-stations de compression.

La biomasse est la matière organique d'origine végétale, animale, bactérienne, ou fongique utilisable comme source d'énergie. On distingue trois modes de valorisation de la biomasse : thermique et/ou électrique et biochimique.

On définit l’efficacité énergétique par le produit des rendements physiques de la cascade des transformations énergétiques des différents composants d’une chaîne de conversion. On peut ainsi raisonner de la ressource primaire au service et, de manière plus juste, étendre le raisonnement à l’ensemble du cycle de vie du convertisseur (de sa conception jusqu’à son recyclage) [1] [2].

L’efficacité énergétique est la quantification de la « consommation » d’énergie pour assurer un service, avec l’idée de la minimiser grâce à des technologies plus efficientes.

L’énergie finale est transformée à partir de ressources primaires. Les formes d’énergie finale sont directement utilisables dans les convertisseurs que sont tous nos objets du quotidien. On trouve l’énergie finale sous la forme de combustibles solides (charbon, bois, …), de combustibles liquides (essence, gasoil, kérosène, éthanol), de combustibles gazeux (gaz naturel, biogaz, hydrogène et autres gaz de synthèse), chaleur, électricité. La transformation, le transport et la distribution de l’énergie finale entraînent des pertes [1].

Dans les bilans comptables internationaux ou nationaux, l’énergie finale correspond exclusivement aux formes d’énergie commercialisées. Par exemple, la présence d’un chauffe-eau solaire sur une toiture est vue comme une mesure d’efficacité énergétique visant à réduire la consommation finale. Autre exemple, le bois de chauffage, ne faisant pas l’objet de transactions commerciales (bois façonné par le propriétaire), ne sera pas comptabilisé. Tout au mieux, il pourra faire l’objet d’estimations. Enfin, dernier exemple, une production d’électricité interne (au sein d’une entreprise équipée de groupes électrogènes ou encore sur un navire, un train ou tout autre véhicule produisant son électricité à bord à partir d’un combustible) ne sera pas comptabilisée dans les bilans électriques, seuls les combustibles achetés par ces producteurs particuliers d’électricité feront partie du bilan d’énergie finale de type combustible.

On parle d’énergie grise (Embodied energy en anglais) pour quantifier la somme de toutes les consommations d’énergie primaire non renouvelable (souvent exprimée en joules dans les bases de données), en dehors de celle de la phase d’usage. C'est l'énergie consommée sur l’ensemble des procédés intervenant dans l’extraction des matières premières, la fabrication, la maintenance et le recyclage de tout produit manufacturé.

Certaines sources électriques renouvelables conduisent à une production électrique variable au rythme (on dit parfois « au fil de ») des conditions météorologiques et du cycle jour/nuit. C’est tout particulièrement le cas de l’éolien et du photovoltaïque (au fil du vent ou au fil du soleil, comme pour les installations hydroélectriques au fil de l’eau), qualifiées d’intermittentes. Cependant leur variabilité météorologique n’est pas une contrainte absolue puisque les prévisions météorologiques permettent d’anticiper les variations de production, limitant ainsi les coûts associés (planification de moyens complémentaires et flexibles). En outre, ces sources peuvent offrir une certaine flexibilité, comme cela est expliqué dans l'article : «  Concepts et chiffres de l'énergie : variabilité des sources renouvelables électriques - Énergies renouvelables, intermittence ou variabilité ? », aisément à la baisse et plus difficilement à la hausse. Certaines productions hydrauliques (au fil de l’eau) et thermiques à partir de biomasse peuvent également, dans une moindre mesure, être variables, elles sont surtout plus aisément pilotables. À une autre échelle de temps et de puissance, les centrales nucléaires connaissent aussi des arrêts prévus (maintenance) ou imprévus (incident). Ainsi toutes les sources d’énergies électriques sont variables et plus ou moins pilotables, mais se complètent via la gestion des réseaux.

Pilotable signifie que l’on peut faire varier la puissance, à la hausse ou à la baisse, dans une certaine plage prédéfinie et avec une rapidité également définie, ces données étant connues du gestionnaire de réseau, ce qui lui permet de les exploiter afin d’assurer l’équilibre du système.

Les ressources énergétiques primaires sont disponibles à l’état brut dans la nature, on peut les classer en deux catégories, celles de stocks non renouvelables (fossiles comme le charbon, le pétrole, le gaz naturel, et fissiles comme l’uranium) et celles de flux renouvelables (rayonnement solaire, vent, houle, biomasse, géothermie). C’est la transformation des ressources énergétiques primaires qui génère l’énergie finale, commercialisable et utilisable directement [1].

Une remarque importante concerne les bilans officiels délivrés par les principales sources de statistiques : l'Agence internationale de l'énergie (AIE) et British Petroleum (BP). L’énergie primaire est comptabilisée en tenant compte de la valeur énergétique des combustibles, sur la base du pouvoir calorifique, dans le cas des combustibles fossiles, de la biomasse ou des déchets incinérés. Dans le cas des ressources renouvelables, actuellement plusieurs comptabilités différentes sont mises en œuvre. Un coefficient rend compte du rendement de la première conversion selon le mode de transformation : hydraulique, éolien, photovoltaïque, géothermie, thermodynamique solaire… De la même manière, dans le cas de l'énergie nucléaire, des coefficients sont appliqués, prenant en compte les rendements arbitraires de conversion ainsi qu'une correction (pour les statistiques BP) basée sur le pouvoir "décarboné" de cette conversion d'énergie.

Ainsi, les deux principales sources de statistiques l'AIE et BP mélangent des sources et formes d'énergie primaire (combustibles fossiles et biomasse) avec des formes secondaires d'énergie (électricité produite par l'hydraulique, l'éolien,…), ce qui ne permet pas de comparaison pertinente entre ces deux catégories d'énergie ; les seules comparaisons correctes doivent se situer au niveau de l'énergie finale.

L’énergie utile correspond aux services énergétiques attendus, c’est donc la transformation de l’énergie finale par les convertisseurs (radiateur, ampoule, four, réfrigérateur, ordinateur…) en services énergétiques comme le froid, la chaleur, l’éclairage, la mobilité, le traitement de l’information… La conversion de l’énergie finale en énergie utile entraîne inévitablement des pertes [1].

Typiquement, les technologies d’éclairage électrique ont des rendements allant d’environ 5% (incandescence) à 30% (LED). Les moteurs thermiques utilisés dans les automobiles ont des rendements énergétiques (dans le cas d’usages conformes aux limitations de vitesse en vigueur) allant de sensiblement de 5 à 30%, les plus faibles valeurs correspondant à des véhicules équipés de moteurs surpuissants (le surdimensionnement des convertisseurs d’énergie conduit systématiquement à une dégradation du rendement) et les plus élevées à des chaînes de propulsion hybrides.

Le facteur de charge d'une centrale électrique est le rapport entre l'énergie électrique effectivement produite sur une période donnée et l'énergie qu'elle aurait produite si elle avait fonctionné à sa puissance nominale durant la même période.

Les gaz à effet de serre sont des gaz qui absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface de la Terre. Ils contribuent à l'effet de serre utile à la vie sur Terre. Cependant son accroissement récent lié aux activités humaines est à l’origine d’un puissant dérèglement climatique qui ne fait que commencer.

Les principaux gaz à effet de serre sont : la vapeur d'eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂) associé principalement à la combustion des combustibles fossiles, le méthane (CH₄) essentiellement dû aux pratiques agricoles (élevage et culture) et à l’extraction des combustibles fossile, le protoxyde d'azote (N₂O) majoritairement émis par l’agriculture, l'ozone (O₃) et les gaz fluorés (CFC, HCFC…).

Le rapport Réserves (en tonnes) sur Production annuelle (en tonnes /an), R/P, correspond au nombre potentiel d’années de production au rythme en cours. R/P s’exprime en années [3].

Il est souvent utilisé, à tord, pour fournir la durée restante avant épuisement d’une ressource. Or les réserves évoluent au rythme des « améliorations » technologiques et des découvertes, même si elles seront inévitablement limitées par la borne supérieure (les ressources) et la consommation annuelle évolue également, plutôt à la hausse. Dans le cas du pétrole, la valeur de R/P a peu évolué au cours des 50 dernières années malgré l’augmentation de la consommation car les techniques d’extraction ont permis d’aller chercher des pétroles très difficiles d’accès et initialement non comptabilisés dans les réserves. Cette notion R/P est également parfois employée à propos des métaux, mais il faut la regarder avec précaution notamment parce que les métaux sont recyclables mais également parce que leurs réserves sont généralement beaucoup plus éloignées des ressources situées profondément dans la croute terrestre. In fine, la notion R/P exprime plutôt la criticité d’accès aux matières premières.

Les réserves en énergie fossile et fissile représentent une fraction des ressources et sont relatives à des critères techniques et économiques d’exploitation. Elles tiennent compte des pertes à l’extraction. Les réserves sont donc nécessairement inférieures aux ressources. En pratique, elles peuvent augmenter en fonction des progrès technologiques et de la prospection, notamment si l’on accepte de dépenser plus pour y accéder [3].

Dans le cas des énergies renouvelables, on n’utilise généralement pas ce vocabulaire, on parle plutôt de Potentiel Technique Exploitable, fondé également sur l’accessibilité des ressources (par exemple distance à la côte dans le cas de l’éolien offshore) et des caractéristiques des technologies existantes.

Les ressources en énergie fossile et fissile représentent les quantités totales estimées considérées en stock dans la nature. Elles sont connues généralement avec un assez fort degré d’incertitude. Quant aux ressources renouvelables, elles sont assez bien quantifiées, tant à l’échelle planétaire qu’à l’échelle régionale. Comme leur nom l’indique, elles ne s’épuisent pas, sauf dans le cas de la biomasse qui est l’œuvre du vivant et qui nécessite d’être renouvelée lorsqu’elle est exploitée.

Les matières premières primaires non énergétiques sont directement extraites des concentrations naturelles dans le sous-sol. Elles ne sont pas renouvelables, mais recyclables. Les matières premières secondaires sont celles issues du recyclage. Ainsi l’approvisionnement en matières premières pour la fabrication d’un produit peut-être réalisé avec des matières premières primaires ou secondaires (action volontariste) ou un mix des deux. Par exemple, le plomb fait partie des matériaux les plus recyclés. Au niveau mondial, plus de la moitié du plomb est d’origine secondaire, tandis qu’aux USA et en Europe cette proportion est respectivement d’environ 80 et 60%.

Services qui permettent au gestionnaire du réseau de maintenir l’équilibre des puissances et le respect des niveaux de tension. Pour plus de détails sur le réseau de transport voir le site de la commision de régulation de l'énergie.

Les taux de disponibilité est le rapport du temps annuel durant lequel un convertisseur d'énergie est opérationnel (indépendamment des conditions météorologiques) sur la durée totale d’une année.