Sources d’énergie : énergies renouvelables, combustibles fossiles et plus encore

Les centrales électriques ne créent pas d’énergie. Les centrales électriques convertissent l’énergie disponible sous différentes formes en électricité. Les systèmes de production d’énergie sont tout simplement des convertisseurs d’énergie. Les centrales électriques qui brûlent du carburant convertissent l’énergie stockée sous la forme de liaisons chimiques qui existent entre les atomes et les molécules présentes dans le combustible. D’autres types de centrales électriques récupèrent l’énergie qui existe dans leur environnement et la convertissent en électricité.

Vous avez peut-être entendu parler de la loi de conservation de l’énergie. Il stipule que l’énergie n’est jamais créée ou détruite. Au lieu de cela, l’énergie n’est jamais transformée que d’une forme à une autre. Prenons l’exemple d’un pot de fleurs situé sur le rebord d’une fenêtre. Quelqu’un a dû y porter le pot de fleurs. Cette personne a utilisé l’énergie chimique stockée dans son corps pour l’augmenter. Désormais en hauteur, le pot de fleurs a de l’énergie potentielle. Ensuite, le pot de fleurs tombe et, en tombant, il acquiert de la vitesse, de l’élan et, par conséquent, de l’énergie cinétique. Lorsque le pot de fleurs explose sur le sol, son énergie cinétique est instantanément libérée sous forme de chaleur dans l’air ambiant. C’est un exemple d’énergie convertie de l’énergie chimique en énergie potentielle, en énergie cinétique, en chaleur. Bien sûr, les pots de fleurs qui tombent ne dégagent pas beaucoup de chaleur.

Mais pensez par exemple à ce qui se passe lorsque des météorites tombent sur Terre. Le processus est le même : les météorites convertissent leur énergie cinétique et potentielle en chaleur lorsqu’elles brûlent dans l’atmosphère. L’astéroïde qui a tué les dinosaures a certainement libéré plus de chaleur qu’un pot de fleurs qui tombe.

1. L’énergie chimique résulte des liaisons entre les molécules d’une substance chimique. Lorsque ces liens se brisent, de l’énergie est libérée sous forme de trahison. Toute substance qui peut brûler contient une certaine quantité d’énergie chimique, mais la combustion n’est pas le seul moyen de libérer de l’énergie chimique. Une batterie, par exemple, contient également de l’énergie chimique. Connectez ses bornes à une charge, et la batterie libère son énergie chimique stockée sous forme d’électricité. 
2. L’énergie cinétique est l’énergie associée au déplacement de la matière. Plus un objet est lourd et plus sa vitesse est grande, plus il a d’énergie cinétique. Lorsque l’air est en mouvement (c’est-à-dire lorsqu’il y a du vent), il transporte de l’énergie cinétique.  
3. L’énergie électrique est transportée dans les lignes électriques par la combinaison du courant électrique et de la tension électrique. 
4. L’énergie lumineuse est transportée par des ondes électromagnétiques. Les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X et la lumière visible sont tous des ondes électromagnétiques. Lorsque vous passez une tasse d’eau au micro-ondes, vous transférez de l’énergie à l’eau via des ondes électromagnétiques. Si le soleil est chaud, c’est parce que votre peau reçoit de l’énergie lumineuse du soleil. 
5. L’énergie nucléaire est libérée par la fission des atomes. Le noyau d’un atome est lié par des forces extrêmement fortes. La rupture de ces liens entraîne la libération de grandes quantités d’énergie sous forme de chaleur et de rayonnement.  
6. L’énergie thermique (chaleur), ou chaleur, est simplement l’énergie associée aux choses qui sont chaudes. Les ingénieurs parlent parfois aussi d’enthalpie, qui est une mesure qui intègre la chaleur et l’énergie associée aux fluides sous pression. 
7. L’énergie potentielle gravitationnelle est l’énergie des choses qui peuvent tomber. Plus un objet est haut et lourd, plus sa chute libérera d’énergie.
8. L’énergie potentielle élastique (déformation) est l’énergie stockée dans un objet élastique en raison de la force appliquée à cet objet. Cette force entraîne une déformation à l’intérieur de l’objet élastique. Cette déformation stocke l’énergie à l’intérieur de l’objet. 
9. L’énergie sonore est une forme d’énergie ondulatoire, qui est elle-même une forme d’énergie cinétique. Les ondes sonores transportent une petite quantité d’énergie dans l’air. Dans l’eau, les vagues transportent également de l’énergie. Dans l’océan, la quantité d’énergie transportée par les vagues est importante. 

Que sont les combustibles fossiles et l’énergie produite à partir de combustibles fossiles ? 

Revenons aux centrales. De nombreuses centrales électriques produisent de l’électricité en brûlant du carburant. Les combustibles tels que le charbon, le gaz naturel et les combustibles dérivés du pétrole sont connus sous le nom de combustibles fossiles.  

Les combustibles fossiles sont le résultat de la décomposition sur de très longues périodes d’organismes morts enfouis. Tous ces organismes ont développé leur corps, il y a des millions d’années, par un processus connu sous le nom de photosynthèse (ou en mangeant d’autres organismes capables de photosynthèse). La photosynthèse est un processus biologique qui permet aux plantes, aux algues et à certaines bactéries de convertir l’énergie lumineuse du soleil et le dioxyde de carbone de leur environnement en molécules de glucides. Donc, d’une certaine manière, nous pouvons dire qu’en fin de compte, l’électricité produite dans une centrale à charbon provient du soleil. Cela signifie-t-il que les centrales à charbon fournissent de l’énergie renouvelable, comme l’énergie solaire ? Malheureusement, non. Il faut tellement de temps – des millions d’années – pour que les plantes et les animaux morts se transforment en charbon, de sorte qu’aucune quantité utile de charbon ne se forme sur l’échelle de temps humaine. Si tout le charbon était extrait et que tout le pétrole était pompé, il n’y en aurait plus, ce qui rend les combustibles fossiles non renouvelables. 

Le charbon a été la principale source d’énergie pour les centrales électriques dans de nombreuses régions du monde pendant la majeure partie du 20e siècle, et est toujours le combustible dominant pour la production d’électricité dans de nombreux pays. Le gaz naturel est une autre source d’énergie très populaire. Aux États-Unis, c’est aujourd’hui le combustible numéro un pour la production d’électricité. Le gaz naturel est bon marché, propre et idéal pour les centrales électriques à turbine à gaz. Les combustibles liquides tels que le naphta, le diesel et le pétrole lourd sont également des carburants importants utilisés dans les applications de production d’électricité. Ils sont largement disponibles, faciles à transporter et à stocker, ce qui les rend parfaitement adaptés à la production d’énergie de secours qui fonctionne lorsque d’autres centrales électriques ne sont pas disponibles.

Tous les combustibles brûlés dans les centrales électriques ne sont pas des combustibles fossiles. Avec le bon type de système de combustion, presque tout ce qui brûle peut être utilisé pour la production d’électricité. De nombreuses centrales électriques fonctionnent avec des combustibles tels que des copeaux de bois, des cosses de maïs, des fibres de canne à sucre et même des ordures ménagères. Certaines papeteries, par exemple, comprennent une petite centrale électrique qui fonctionne à la liqueur noire, un sous-produit dérivé du bois du processus de fabrication du papier. Ces combustibles proviennent de plantes qui peuvent être cultivées à volonté, c’est pourquoi ils sont considérés comme des carburants renouvelables. 

Il est également possible de fabriquer des carburants renouvelables qui sont presque impossibles à distinguer des combustibles fossiles.  Par exemple, le soja, le maïs, les betteraves et d’autres cultures peuvent tous être transformés en éthanol et en biodiesel. De nombreux moteurs diesel peuvent fonctionner au biodiesel sans aucune modification. L’éthanol peut être brûlé seul, ou il peut être mélangé à de l’essence et être utilisé comme carburant dans la plupart des véhicules. Saviez-vous que 98 % de l’essence vendue aux États-Unis contient 10 % d’éthanol ? 

La technologie de traitement des biocarburants a connu beaucoup d’innovations au cours des dernières années. L’une des raisons pour lesquelles les biocarburants attirent tant d’attention est qu’ils sont censés brûler sans CO2. C’est un peu un abus de langage. Lorsque les copeaux de bois brûlent, le CO2 est libéré dans l’atmosphère. Personne ne peut le nier. Cependant, les copeaux de bois provenaient d’un arbre, et l’arbre a capturé la même quantité de CO2 lorsqu’il a grandi. Le résultat est qu’il n’y a pas d’augmentation nette de CO2 dans l’atmosphère, donc la neutralité en CO2 est plus précise. 

Les biocarburants permettent aux centrales électriques de fonctionner de manière aussi fiable que les centrales électriques alimentées par des combustibles fossiles, mais sans les émissions de carbone. En revanche, lorsque les combustibles fossiles brûlent, le CO2 libéré a été capturé il y a des millions d’années. Sur une échelle de temps de cent millions d’années, les combustibles fossiles peuvent brûler de manière neutre en CO2, mais à l’échelle de temps humaine, la combustion de combustibles fossiles entraîne une augmentation nette du CO2 atmosphérique.

Énergie solaire et éolienne : une énergie propre 

Les panneaux photovoltaïques (PV) et les éoliennes sont les technologies de production d’énergie qui connaissent la croissance la plus rapide au monde. Ils sont également les principales sources d’énergie renouvelable avec les centrales hydroélectriques. Ni l’un ni l’autre n’a besoin de carburant pour produire de l’électricité. Cela signifie-t-il qu’ils créent de l’énergie à partir de rien ? Les panneaux photovoltaïques extraient l’énergie électromagnétique de la lumière du soleil. Les éoliennes exploitent l’énergie cinétique du vent. Les deux sont d’excellents moyens de produire de l’électricité - il n’y a pas de carburant à craindre, il n’y a pas d’émissions. De plus, les panneaux photovoltaïques et les éoliennes deviennent chaque année moins chers et plus faciles à installer.  

Leur principal inconvénient est que même si le soleil et le vent ne s’épuisent jamais, cela ne signifie pas qu’il y a toujours du vent ou qu’il fait toujours beau. Pas de soleil, pas d’énergie solaire. Pas de vent, pas d’énergie éolienne. Lorsque de grandes quantités d’énergie éolienne et solaire sont présentes sur un réseau électrique, il est important de disposer de centrales électriques de secours qui peuvent compléter les ressources solaires et éoliennes lorsqu’elles ne peuvent pas produire d’électricité. Par exemple, le système électrique de la Californie comprend beaucoup d’énergie solaire et, par conséquent, nécessite le démarrage de nombreuses centrales thermiques flexibles le soir pour compenser la perte d’électricité solaire. 

Énergie des centrales nucléaires : énergie de l’atome 

Les centrales nucléaires tirent leur énergie d’une source d’une autre nature.  

Le combustible nucléaire, l’uranium, ne stocke pas une quantité importante d’énergie chimique et ne brûle pas de la même manière que le charbon ou le gaz naturel. Au lieu de cela, les atomes d’uranium sont brisés par le processus de fission. Lorsque du combustible normal brûle, les liaisons chimiques qui lient les molécules de carburant se rompent, libérant de l’énergie. Lorsque la fission de l’uranium se produit, ce sont les liaisons nucléaires qui maintiennent les noyaux des atomes d’uranium ensemble qui se brisent et libèrent de l’énergie. Les liaisons nucléaires sont beaucoup plus fortes que les liaisons chimiques, ce qui explique pourquoi une petite quantité d’uranium peut libérer autant d’énergie.  

Saviez-vous que l’uranium n’est pas l’élément qui peut être utilisé pour alimenter les centrales nucléaires ? Le thorium est un autre élément naturel qui pourrait être utilisé comme source d’énergie nucléaire. Le thorium est généralement plus abondant que l’uranium, et des pays comme l’Inde, qui manquent de ressources nationales en uranium, ont exprimé leur intérêt pour le développement d’un cycle du combustible au thorium.