Qu’est ce que sont les énergies primaire, secondaire, finale et utile ?
L’énergie existe sous différentes formes (essence, chaleur, électricité par exemple). Les concepts d’énergie primaire, secondaire, finale et utile permettent de comparer toutes les énergies entre elles, en particulier pour savoir quelle quantité d’énergie on consomme. C’est important quand on utilise des énergies non renouvelables, dont le stock est limité, et pas localisé sur notre territoire en plus ! D’un point de vue du climat, toutes les énergies n’ont pas le même contenu CO2, et celles qui n’émettent pas de CO2 ont des stocks infinis car elles sont renouvelables. Le concept est donc beaucoup moins pertinent !
Les grands principes de l’énergie
Le premier principe est celui énoncé par Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se créé, tout se transforme » ! On dit que l’énergie totale d’un système isolé est constante. C’est en fait le premier principe de la thermodynamique.
L’autre grand principe est que lorsque l’on transforme une forme d’énergie en une autre (par exemple un litre de fioul en électricité), il y a toujours une création de chaleur, ce qui fait que toute l’énergie initiale n’est pas convertie dans la forme de l’énergie que l’on veut. Si toute l’énergie initiale était transformée en énergie finale, sans création de chaleur, alors le procédé de transformation aurait un rendement de 100%. Dans la pratique ce cas n’existe jamais. Par exemple, quand un litre de diesel fait avancer une voiture (énergie cinétique) grâce à un moteur, on ne récupère que 30% de l’énergie initiale du diesel, le reste part en chaleur. Le rendement du moteur est donc de 30%.
Au quotidien, nous utilisons toujours de l’énergie transformée, et jamais sous la forme initiale telle qu’elle se trouve dans la nature. Il n’y a que l’utilisation directe de la lumière du soleil (éclairage, séchage du linge, …) qui ne demande pas de transformation. On cherche donc à savoir quelle quantité d’énergie initiale on consomme, pour mesurer l’impact sur le stock de la ressource.
Qu’est-ce que l’énergie primaire et l’énergie secondaire ?
L’énergie primaire correspond à l’énergie initiale d’un produit non transformé ; un litre de pétrole brut, un kg d’uranium, le rayonnement solaire, l’énergie éolienne, hydraulique, etc.
L’énergie secondaire est la quantité d’énergie qu’il reste après la transformation de l’énergie primaire.
Voici quelques ordres de grandeur utiles pour la production d’électricité :
Quand on brule du charbon, du fioul, du gaz, de la biomasse, dans des centrales thermiques ou que l’on casse de l’uranium dans des centrales nucléaires, on récupère seulement environ 35 % de l’énergie primaire sous forme d’électricité. Le reste est parti en chaleur !
Quand on capture les rayons du soleil sur des panneaux photovoltaïques, on ne récupère que 20% environ de l’énergie. La transformation du vent en électricité par les éoliennes donne un rendement théorique maximum de 59% (limite de Beltz).
Quand on fait tomber de l’eau d’un barrage sur une turbine électrique, on récupère 90 % de l’énergie primaire (l’énergie potentielle de l’eau) sous forme d’électricité.
On voit déjà ici l’avantage des énergies renouvelables pour la production d’électricité: les rendements sont bien meilleurs, les sources primaires d’énergie sont inépuisables, et n’émettent aucun rejet de CO2.
Quand on peut récupérer la chaleur liée à la combustion d’une énergie fossile pendant la production d’électricité, on parle de co-génération, et les rendements augmentent fortement jusqu’à 75 %.
Voici un ordre de grandeur utile pour le transport : quand on raffine du pétrole brut pour obtenir de l’’essence, les rendements sont de l’ordre de 30 à 50%.
Qu’est-ce que l’énergie finale et l’énergie utile ?
L’énergie finale, est l’énergie qui arrive sur le point de consommation et prête à consommer. Typiquement, pour le transport de l’électricité (entre la centrale et votre maison par exemple) le rendement est de 95%.
L’énergie utile, est celle qui procure le service recherché. Par exemple quand on allume une ampoule à incandescence, on ne récupère que 12% de l’énergie finale ! Le reste est parti en chaleur.
Voici quelques ordres de grandeur utiles pour la production de chaleur pour chauffer sa maison avec les chaudières à condensation (fioul ou gaz) :
Le rendement peut atteindre jusqu’à 104% car la chaudière récupère la chaleur des fumées produites par la combustion du fioul et la chaleur latente de la condensation de vapeur.
Comment lie t-on toutes ces énergies ?
Par le calcul, pour connaître l’impact sur les stocks de ressources énergétiques fossiles, qui sont malheureusement finies et non renouvelables, de telle ou telle utilisation de l’énergie finale.
- L’énergie utile est égale à l’énergie finale multipliée par le rendement de l’équipement d’utilisation.
- L’énergie finale est égale à l’énergie secondaire multipliée par le rendement de transport.
- L’énergie secondaire est égale à l’énergie primaire multipliée par le rendement de transformation.
- Donc l’énergie utile est égale à l’énergie primaire multipliée par le rendement de transformation, puis multipliée par le rendement de transport, puis multipliée par le rendement de l’équipement d’utilisation.
Si on fait le calcul total pour une ampoule à incandescence, on voit que l’énergie utile correspond à 4% de l’énergie primaire (12% x 95% x 35 % = 4 %). Ca veut dire qu’on ne récupère que 4% de l’énergie du litre de fioul, ou du kg de charbon !
Prenons l’exemple du transport. Le raffinage du pétrole brut (énergie primaire) pour obtenir de l’’essence (énergie secondaire), possède un rendement de 30 à 50%. Conservons le chiffre de 40% en moyenne. Quand on fait le plein de la voiture (énergie utile), il a fallu acheminer l’essence dans la station service, et on peut admettre que le rendement du transport soit de 95%. Dans un moteur de voiture, on ne conserve pour rouler (énergie finale) que 30% de l’énergie du diesel, et 20 % de l’énergie de l’essence. Donc quand on fait un kilomètre en voiture diesel, on utilise moins de 8% de l’énergie du pétrole brut ! A partir de là, en estimant le nombre de voiture dans le monde, le nombre de kilomètres parcourus, on peut estimer la durée de vie du stock de pétrole. Sans blague !
Là encore, les rendements des moteurs électriques sont bien meilleurs (presque 100%), et l’électricité produite à partir d’énergies renouvelables reste de loin, la meilleure source d’énergie : pas d’impact sur le climat, et source inépuisable. On se demande pourquoi on hésite encore à investir massivement dans ces énergies !
Qu’est-ce que le retour sur énergie ?
Il y a un autre élément important qui est rarement pris en compte dans le calcul de l’énergie primaire et que l’on appelle le retour sur énergie ou taux de retour énergétique. Il s’agit de prendre en compte la quantité d’énergie dont on a besoin pour aller chercher l’énergie primaire. Par exemple, jusqu’en 1940, en dépensant 1kWh d’énergie, on pouvait récupérer plus de 100 kWh d’énergie sous forme de pétrole. C’est à dire qu’on pouvait forer facilement pour trouver du pétrole. Aujourd’hui, avec 1 kWh d’énergie, on ne récupère qu’une dizaine de kWh d’énergie sous forme de pétrole. La ressource est plus rare, et les coûts d’extraction sont plus élevés.
Pour l’uranium, il faut environ 1 kWh d’énergie pour récupérer entre 10 et 60 kWh.
Pour les énergies renouvelables, typiquement avec 1 kWh d’énergie, on capte 20 kWh avec le vent, et entre 4 et 9 kWh sous forme solaire.
A quoi servent tous ces concepts ?
On l’a déjà vu, une première utilisation consiste à estimer la vitesse de consommation des stocks de pétrole, gaz, charbon, et uranium.
Une autre application de ces concepts sert à optimiser l’allocation de ces réserves fossiles. On a vu qu’on ne récupérait que 4% de l’énergie primaire pour allumer une lampe à incandescence, et 8% de cette énergie, c’est à dire le double, pour faire un kilomètre en voiture. On voit bien qu’il est plus rentable de conserver le pétrole pour des applications de mobilité, plutôt que pour la production d’électricité.
Cela permet aussi de choisir les équipements les plus performants : 12% de rendements finale/utile pour une lampe à incandescence, contre 70 à 100 % pour les ampoules à LED ou Fluorocompacte. Ces dernières auront donc un impact moindre sur la ressource primaire.
Enfin, les réglementations intègrent aussi ces données. En particulier, dans le bâtiment, depuis 1974, les différentes réglementations thermiques imposent des constructions neuves qui limitent la consommation d’énergie primaire. Actuellement, la réglementation thermique 2012, connu sous le nom de RT2012, fixe à 50 kWh par m2 par an de consommation d’énergie primaire. La prochaine réglementation thermique, la RT2018 sera certainement plus contraignante, mais espérons surtout, que la RT2018 intègrera la notion de contenu CO2 des énergies au delà du label Energie Carbone. Car le sujet c’est le climat, et pas l’énergie !
