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Marianne

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Activités humaines et besoins en énergie

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Introduction :

Ce cours porte traite de l’énergie, et plus précisément des besoins liés aux activités humaines.

Dans un premier temps, nous étudierons la demande énergétique globale et le lien entre l’accès à l’énergie et le développement.

Puis, nous aborderons le concept de puissance ainsi que les différentes formes d’énergie.

Des besoins sans cesse croissants

Qu’il s’agisse des différents secteurs de l’industrie, de l’agriculture, des transports ou du cadre domestique, notre mode de vie nécessite chaque jour un énorme apport en énergie, le plus souvent sous forme d’électricité.

Ce cours traitera du mode de consommation basé sur des énergies fossiles disponibles en quantité limitée. L’objectif est d’en comprendre les enjeux et les problématiques, mais aussi d’explorer les solutions qui s’offrent à notre société pour assurer un avenir décent aux futures générations.

Ce cours se concentre sur la notion d’énergie en tant que valeur physique. Nous verrons comment la mesurer et sous quelle forme elle se traduit dans la vie de tous les jours.

La demande énergétique

Depuis le début de la révolution industrielle en 1840, la demande énergétique mondiale ne cesse d’augmenter.

L’émergence économique de pays qui étaient auparavant moins développés en Amérique du sud, en Afrique ou en Asie accélère ce phénomène. On assiste à la naissance de classes moyennes qui ont de plus en plus les moyens de voyager et de consommer en se calquant sur le modèle de vie occidental.

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À retenir

L’émergence des classes moyennes, couplée à la prise de conscience que notre mode de consommation très énergivore doit changer, pose un problème en apparence insoluble.

Évolution de la demande énergétique moyenne en fonction des sociétés en kWh/hab/jour sciences première Évolution de la demande énergétique moyenne en fonction des sociétés en kWh/hab/jour

Le tableau ci-dessus retrace l’évolution de la demande énergétique et montre que le besoin en énergie par habitant est resté faible jusqu’à la révolution industrielle, période au cours de laquelle la demande a explosé de façon exponentielle.

On constate aussi que ce sont les secteurs de l’industrie, de l’agriculture et des transports qui sont les plus concernés par cette évolution. Le problème ne semble donc pas seulement lié aux quantités de produits demandées mais aussi à la nécessité de transporter ceux-ci sur de grandes distances.

Ce constat est visible grâce à l’étude de la consommation de matières premières ces dernières années :

Consommation énergétique mondiale en matières premières sciences première Consommation énergétique mondiale en matières premières entre 1960 et 2010

Pour la plupart des ressources fossiles, la demande a triplé en 50 ans. Et même si la part d’énergies renouvelables augmente légèrement depuis les années 2000, celle-ci reste très largement minoritaire, loin derrière les sources d’énergie qui impliquent de gros rejets de dioxyde de carbone dans l’air, c’est-à-dire le pétrole, le charbon et le gaz naturel.

Par ailleurs, la consommation en énergie dans l’Union européenne est assurée à 35 % par le parc nucléaire contre 2 % dans le monde et, en règle générale, l’apport en énergie d’origine fossile est resté stable dans les pays occidentaux.

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À retenir

L’augmentation très importante de la consommation mondiale dans ces secteurs à partir du milieu des années 80 est surtout due à la demande des pays émergents.

Outre la forme sous laquelle l’énergie est obtenue, c’est donc aussi la demande grandissante de celle-ci par des pays en pleine expansion économique qui pose problème. C’est pourquoi il est intéressant d’étudier le rapport entre la consommation d’énergie et le développement humain d’un pays.

Consommation et développement

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Définition

IDH :

L’indice de développement humain (IDH) est un indice statistique créé par les Nations unies pour mesurer le développement. Pour chaque pays, l’IDH prend en compte l’espérance de vie, le niveau d’éducation et le niveau de vie des habitants.

L’IDH est compris entre 0 (exécrable) et 1 (excellent). 0,8 est considéré comme une valeur satisfaisante.

Rapport IDH/énergie par habitant sciences première Rapport IDH/énergie par habitant

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À retenir

La consommation en énergie par habitant est liée à la qualité de vie, même si l’IDH n’est pas directement proportionnel à cette consommation.

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Exemple

Par exemple, la France a un IDH comparable à celui de l’Islande mais sa consommation en énergie par habitant est nettement inférieure.

On peut dans un premier temps conclure que l’augmentation de la demande énergétique est inévitable dans un monde où une majorité de la population cherche à combler un gap économique avec la sphère la plus avancée.

Mais il faut garder à l’esprit que les pays au sommet de la courbe peuvent nettement améliorer leur ratio IDH/énergie consommée.

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Attention

Il faut garder à l’esprit que la consommation d’énergie par habitant reste une donnée vague, qui n’est pas suffisamment précise pour réellement analyser l’évolution de nos besoins.

Puissance et énergie

Dans le système international des unités (SI), l’énergie s’exprime en joule (J). Pour comparer les consommations énergétiques, on utilise la puissance, qui correspond à l’énergie consommée par unité de temps.

  • On l’exprime en watt (W)(\text{W}), ou autrement dit en J.S1\text{J.S}^{-1}.

Cette valeur se calcule à l’aide d’un wattmètre. On branche celui-ci sur un système électrique alimenté par une tension U et parcouru par un courant d’intensité I.

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À retenir

L’énergie consommée pendant une durée tt se déduit de : E=P×TE=P\times T

  • EE l’énergie en Joule ;
  • PP la puissance exprimée en Watt  ;
  • TT le temps en secondes.

On peut, grâce à un wattmètre, comparer la puissance dépensée par un système avec les autres options pour optimiser le ratio efficacité/dépense d’énergie.

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Exemple

Prenons l’exemple de 3 ampoules différentes et comparons le rapport valeur d’éclairement/puissance (E/P) :

Comparatif de 3 ampoules différentes sciences premières 3 ampoules différentes

Type de lampe Incandescente Fluo-compacte À induction
Éclairement (en lux) 165 192 660
Puissance (en W) 95 16 22
Efficacité (ratio E/P) 2 12 30

On peut voir que chaque lampe a un ratio E/P différent. Le type d’ampoule le plus utilisé, la lampe incandescente, est le plus énergivore, que ce soit en puissance brute (ici 95W95 \text{W}), ou en efficacité, ici 2.

Une lampe fluo-compacte, quant à elle, n’a pas la meilleure efficacité, mais elle sera la moins énergivore des 3.

Pour évaluer les dépenses d’énergie au quotidien on se sert aussi de l’unité wattheure (Wh)(\text{Wh}).

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Définition

Wattheure :

Le wattheure est l’énergie consommée par un système de 1 watt de puissance pendant 1 heure.

1 Wh=1 W×3600 s=3,6 kJ1\ \text{Wh}=1\ \text{W}\times3600\ \text{s}=3,6\ \text{kJ}

Cette unité d’énergie est aussi utilisée pour évaluer la consommation électrique sur les compteurs domestiques.

De plus, le kWh\text{kWh} (kilowattheure) est présent aujourd’hui sur de nombreuses étiquettes d’efficacité énergétique devenues obligatoires. On en trouve pour les logements comme pour les appareils ménagers.

Étiquettes de logement et de lave-linge Étiquettes de logement et de lave-linge

Les formes d’énergie

Les sources d’énergie sont classées en deux groupes.

  • ​L’énergie primaire provient d’une ressource disponible immédiatement dans la nature.
  • Par exemple, le vent qui va faire avancer un bateau à voile, le soleil, l’énergie hydraulique, le pétrole brut ou du bois qu’on pourra faire brûler.
  • L’énergie secondaire provient d’une ressource qui a dû être traitée pour être utilisée par le consommateur.
  • Par exemple, l’électricité qui arrive dans les foyers ou l’essence raffinée qui sert de carburant aux voitures.

On peut également classer les différentes sources en fonction de leur disponibilité.

  • Une énergie renouvelable provient d’une ressource disponible en quantité presque illimitée (se renouvelant suffisamment vite ou en quantité suffisamment grande pour être qualifiée d’illimitée à l’échelle humaine).
  • Par exemple, la lumière du soleil est disponible en quantité infinie à l’échelle humaine.
  • Une énergie non-renouvelable provient d’une ressource présente en quantité limitée.
  • Par exemple, les ressources énergétiques fossiles ne sont pas renouvelables.
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Attention

Théoriquement, le fait qu’une énergie soit renouvelable ou non n’est pas lié à son impact environnemental. Mais, dans la pratique, on constate que les énergies renouvelables sont aussi celles qui ont le plus faible impact sur les rejets en dioxyde de carbone.

Si l’objectif actuel est de trouver d’autres sources d’énergie que celles utilisées actuellement, il convient déjà de comprendre comment tirer parti des forces naturellement présentes dans la nature pour les convertir en énergies exploitables.

Il y a différentes conversions d’énergie possibles :

  • un moteur d’avion se servira d’une énergie thermique et la rendra mécanique ;
  • une bouilloire va convertir l’énergie électrique en énergie thermique en faisant passer le courant par une résistance.

Pour produire de l’électricité on pourra utiliser l’énergie atomique (dans une centrale), l’énergie chimique (une pile), l’énergie mécanique (c’est le principe d’une lampe dynamo), l’énergie solaire ou l’énergie potentielle de pesanteur (dans le cadre d’un barrage hydraulique par exemple).