Énergie, puissance, efficacité (efficience) et sobriété: définitions et unités

Énergie

En physique, l’énergie est la capacité d’un système à produire un travail: déplacement d’un train entre deux villes, éclairage d’un stade pour la durée d’un match de football, chauffage d’un immeuble durant toute la saison froide, élévation d’un ascenseur du rez-de-chaussée au douzième étage, transformation d’une tonne de calcaire en ciment, etc. Ainsi, les combustibles fossiles (charbon, mazout, gaz naturel) et les combustibles renouvelables (biogaz et bois) sont de l’énergie "en conserve" qui peut être utilisée à la demande pour faire un travail. La force de l’eau, le rayonnement solaire, le vent ou la chaleur de l’environnement sont des "flux d’énergie renouvelable" qui peuvent être captés en partie pour accomplir un travail.

Ces trois combustibles pour le chauffage peuvent délivrer une même quantité d’énergie de 10 kWh : 1 m³ de gaz naturel (à la pression et à la température standard de distribution), un litre de mazout, et 2 kg de pellets de bois.

On peut transformer un combustible ou une énergie renouvelable en une autre forme d’énergie. Dans une centrale thermique, par exemple, on brûle du charbon (du gaz ou du pétrole) pour entraîner un alternateur et produire de l’électricité. Mais ce processus se fait toujours avec des pertes. Cependant l’énergie ne disparaît pas: elle se transforme, et une partie de cette transformation est irréversible. De même, la dynamo de roue d’un vélo ne peut pas rendre autant d’énergie électrique qu’il a fallu en investir dans le pédalage pour la faire tourner: une partie de l’énergie du cycliste est "perdue" en chaleur (frottements).

Cette petite turbine hydraulique de 10 kW est alimentée par un réservoir d’eau situé 80 m plus haut avec un débit de 20 litres par seconde. Dans ces conditions, elle produit 10 kWh d’énergie électrique chaque heure.

L’unité officielle de l’énergie est le joule [J], qui représente par exemple la quantité d’énergie utilisée par une petite lampe-veilleuse de 1 watt [W] pendant une seconde. Pour quantifier l’énergie, on utilise plus souvent le wattheure [Wh] – c’est-à-dire la quantité d’énergie consommée par la petite lampe veilleuse allumée pendant une heure (3600 secondes). Voilà pourquoi 1 wattheure vaut 3600 joules.

Pour de plus grande quantités d’énergie, on utilise le kilowattheure [kWh] = 1000 wattheures, le mégawattheure [MWh] = un million de wattheures, le gigawattheure [GWh] = un milliard de wattheures, ou le terawattheure [TWh] = 1000 milliards (1 billion) de wattheures.

Puissance

L’unité officielle de la puissance est le watt [W]. Un watt représente un flux d’énergie de un joule par seconde (1 joule/seconde ou 1J/s).

Pour décrire la puissance, on utilise aussi le kilowatt [kW] = 1000 watts, le mégawatt [MW] = un million de watts, ou le gigawatt [GW] = un milliard de watts.

Cette installation solaire de 50 m² de panneaux photovoltaïques (cellules monocristallines avec un rendement de 20%) offre une puissance de crête de 10 kW. Ainsi, lorsque le ciel est dégagé et que le soleil brille perpendiculairement à sa surface, elle produit une quantité d’énergie électrique de 10 kWh en une heure.

Pour expliquer le lien entre "puissance" et "énergie", on peut imaginer un robinet qui laisserait couler une toute petite goutte de pétrole chaque seconde – chaque goutte représentant une unité d’énergie de 1 joule. Ce robinet a donc une puissance de 1 watt (1 joule par seconde). Après une heure à ce rythme, 3600 gouttes (3600 joules) sont tombées dans le lavabo. Cette quantité représente de l’énergie: un watt pendant une heure, c’est-à-dire un wattheure [Wh].

Énergie (Wh) = Puissance (en watts) x temps (en heures)

La notion de puissance est utilisée dans différentes situations. Elle exprime la capacité d’accomplir un travail dans un temps donné. Par exemple, une grue qui est capable de monter une tonne de tuiles sur un toit en 10 secondes est deux fois plus puissante qu’une grue qui prend 20 secondes pour faire le même travail.

La puissance est encore utilisée pour décrire la consommation d’énergie d’un système: une ampoule d’éclairage de 10 watts consomme 10 joules d’électricité chaque seconde; un chauffage électrique de 2000 watts en consomme 200 fois plus.

Un aspirateur de 1000 watts consomme 1 kWh d’électricité pour chaque heure de fonctionnement (1000 W x 1 heure = 1 kWh).

Un aspirateur de 2000 watts consomme 2 kWh d’électricité pour chaque heure de fonctionnement (2000 W x 1 heure = 2 kWh). En une demi-heure, il consomme donc 1 kWh.

Enfin, la puissance est utilisée pour caractériser la production d’énergie d’un système. Posée sur le toit d’un petit bâtiment, une installation solaire de 3 kW-crête produit environ 3000 watts d’électricité par beau temps, lorsque le soleil est bien en face. Une petite éolienne de 3 mètres de diamètre de 1 kW, produit 1000 watts d’électricité lorsque le vent souffle régulièrement à environ 40 km/h. Et un barrage et ses centrales hydrauliques de 2000 MW (la Grande-Dixence, par exemple) peuvent atteindre dans les meilleures conditions une puissance électrique de 2000 mégawatts – c’est-à-dire allumer 200 millions d’ampoules de 10 W.

Énergie produite sur l’année, ou puissance moyenne sur l’année

Lorsqu’on parle d’une centrale électrique, on cite souvent indifféremment la puissance moyenne sur l’année ou l’énergie totale produite par an. Ainsi, une centrale qui produit annuellement 1 GWh (énergie) offre une puissance moyenne de 114 kW (= 1 milliard de wattheures / 8766 heures).

Cette petite éolienne de 8 mètres de diamètre offre une puissance électrique de 10 kW lorsqu’elle tourne face à un vent régulier de 10 mètres par seconde (36 km/h). Dans ces conditions idéales, elle produit une quantité d’énergie électrique de 10 kWh en une heure.

Efficacité (efficience)

Les termes "efficacité" et "efficience" ont des sens différents en physique, mais lorsqu’on parle des économies d’énergie, on peut les employer indifféremment. L’efficacité énergétique (ou efficience énergétique) permet de décrire la consommation d’énergie d’un système par rapport au service rendu. C’est l’information principale de l’étiquette-énergie, qui permet de comparer des lampes d’éclairage, des appareils électroménagers ou même des bâtiments (selon leurs besoins en chauffage).

Par exemple, un lave-vaisselle classé A⁺⁺⁺ sur l’étiquette énergie consomme – pour le même travail – 30% d’électricité de moins qu’un modèle classé A⁺. Il est donc plus efficace.

Mais, l’efficacité n’est pas tout, comme on peut par exemple le constater avec les téléviseurs. Un téléviseur doté d’un grand écran de 139 cm de diagonale classé A⁺⁺ paraît plus économe qu’un petit téléviseur de 80 cm de diagonale classé A⁺. En fait, le grand consomme deux fois plus d’électricité que le petit, mais il est mieux classé parce que l’étiquette-énergie tient compte, entre autres, de la surface de l’écran par rapport à l’électricité consommée.

Sobriété

Une plus grande efficacité énergétique est, bien sûr, indispensable pour adopter un mode de vie durable et freiner les changements climatiques: abandon progressif de l’énergie nucléaire et des énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz), et meilleure utilisation des énergies renouvelables (force de l’eau, rayonnement solaire, chaleur de l’environnement, bois et biomasse, vent...). Mais cette transition énergétique ne sera possible que si une autre notion se développe elle aussi: la sobriété, c’est-à-dire consommer le moins d’énergie et de matières premières possible tout en assurant un confort raisonnable. Pour reprendre le cas des téléviseurs, c’est choisir le modèle de 80 cm plutôt que celui de 139 cm, non seulement parce qu’il consomme deux fois moins d’électricité, mais aussi parce que sa construction a utilisé trois fois moins de matériaux et d’énergie (et donc moins d’énergie grise).

Autre exemple. On peut construire un bâtiment entièrement vitré avec une approche technologique: double façades en verre (et donc très exposées aux variations de la météo et au rayonnement solaire); stores extérieurs automatiques pour assurer l’ombrage; dispositifs automatique de circulation d’air entre les verres; refroidissement estival par un circuit qui va chercher la fraîcheur dans le sous-sol (geocooling). Ou alors on peut adopter une approche sobre avec une architecture du bâtiment qui limite les dispositifs techniques: surface des fenêtres adaptées à l’ensoleillement; avant-toit qui porte de l’ombre sur les vitrages durant l’été; construction de murs et de dalles massives pour amortir les différences de température; et information aux occupants sur la bonne marche à suivre en cas de canicule – ouvrir les fenêtres durant la nuit pour déstocker la chaleur accumulée dans les locaux, et fermer les fenêtres et les volets extérieurs durant le jour pour conserver la fraîcheur de la masse.

Stratégie énergétique 2050 de la Confédération