Charger un téléphone à Ndjamena, éclairer une salle de classe à Dakar, faire rouler un tramway à Genève : tout cela consomme de l’énergie, et cette énergie vient toujours de quelque part. Ce chapitre fait le tour des sources d’énergie, explique comment les centrales fabriquent l’électricité, et montre pourquoi nos choix énergétiques pèsent sur le climat — et sur la facture.

1Sources d’énergie renouvelables et non renouvelables

Définition

Une source d’énergie est renouvelable lorsqu’elle se reconstitue à l’échelle d’une vie humaine (Soleil, vent, eau des rivières, biomasse, chaleur de la Terre). Elle est non renouvelable lorsque son stock s’épuise beaucoup plus vite qu’il ne se forme (pétrole, charbon, gaz naturel, uranium).

Source	Renouvelable ?	Exemple d’utilisation
Soleil	oui	panneau photovoltaïque, chauffe-eau solaire
Vent	oui	éolienne
Eau en mouvement	oui	barrage hydroélectrique
Biomasse (bois, déchets)	oui	chauffage, biogaz
Pétrole	non	carburants, plastiques
Charbon	non	centrales thermiques
Gaz naturel	non	cuisson, centrales
Uranium	non	centrales nucléaires

Attention

« Renouvelable » ne veut pas dire « toujours disponible » : la nuit, un panneau solaire ne produit rien, et sans vent une éolienne s’arrête. C’est pourquoi on associe souvent plusieurs sources et des moyens de stockage (batteries, retenues d’eau).

2Chaînes énergétiques : le principe commun des centrales

Propriété

Presque toutes les centrales électriques fonctionnent sur le même principe : une source d’énergie fait tourner une turbine (ou des pales), qui entraîne un alternateur ; l’alternateur convertit cette énergie mécanique en énergie électrique.

Figure 1 — Trois chaînes énergétiques : seule change la façon de faire tourner l’alternateur.

Centrale hydraulique : l’eau retenue par un barrage possède une énergie de position ; en chutant, elle fait tourner la turbine.
Centrale thermique à flamme : la combustion (charbon, fioul, gaz) chauffe de l’eau ; la vapeur sous pression fait tourner la turbine — en rejetant du $\mathrm{CO_2}$ .
Centrale nucléaire : la fission de l’uranium chauffe l’eau ; pas de $\mathrm{CO_2}$ en fonctionnement, mais des déchets radioactifs à gérer sur de très longues durées.
Éolienne : le vent pousse directement les pales.
Panneau photovoltaïque : cas à part — il convertit la lumière en électricité sans aucune pièce tournante.

Exemple — activité — construire une chaîne énergétique

Matériel : une petite dynamo de vélo, une ampoule de lampe de poche, des fils.

Protocole : relie la dynamo à l’ampoule et fais tourner la molette à la main, lentement puis vite.
Observation : l’ampoule brille, et d’autant plus fort que la rotation est rapide.
Interprétation : énergie musculaire $\rightarrow$ énergie mécanique de rotation $\rightarrow$ énergie électrique $\rightarrow$ lumière (et chaleur). Tu viens de reproduire le principe de toutes les centrales.

3Le rendement d’une conversion

Définition

Aucune conversion n’est parfaite : une partie de l’énergie est toujours dissipée, le plus souvent en chaleur. Le rendement compare ce qui est utile à ce qui est consommé :

$\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}}$

C’est un nombre sans unité, compris entre $0$ et $1$ , souvent exprimé en pourcentage.

Figure 2 — Une lampe à incandescence : 5 % de lumière, 95 % de chaleur. Une lampe LED dépasse 30 % — d’où son succès.

Exemple — calculer un rendement

Un groupe électrogène consomme un carburant libérant $2\,000$ kJ et fournit $600$ kJ d’électricité.

$\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}}$ formule littérale
$=$ $\dfrac{600}{2\,000}$ remplacement
$=$ $0{,}30$ , soit $30\ \%$ résultat

Les $70\ \%$ restants partent en chaleur dans le moteur et les gaz d’échappement.

4Effet de serre et climat

La Terre reçoit l’énergie du Soleil et en réémet une partie sous forme de rayonnement infrarouge. Certains gaz de l’atmosphère — dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ , méthane $\mathrm{CH_4}$ , vapeur d’eau — retiennent une partie de ce rayonnement : c’est l’effet de serre.

Figure 3 — L’effet de serre : sans lui, la Terre serait glacée (−18 °C en moyenne) ; amplifié, il réchauffe le climat.

Propriété

L’effet de serre est un phénomène naturel et indispensable : il maintient la température moyenne du globe autour de $+15\ \mathrm{^{\circ}C}$ . Mais la combustion massive de charbon, de pétrole et de gaz ajoute du $\mathrm{CO_2}$ dans l’atmosphère et amplifie cet effet : le climat se réchauffe, avec son cortège de sécheresses, d’inondations et de montée des eaux.

Note : Le lac Tchad, dont la surface a fortement reculé depuis les années 1960, est souvent cité comme un exemple des pressions combinées du climat et des usages de l’eau en zone sahélienne.

Math & Co — De Fourier à Becquerel

Dès 1824, le physicien français Joseph Fourier comprend que l’atmosphère retient la chaleur comme les vitres d’une serre. En 1896, le Suédois Svante Arrhenius — le même qui a donné son nom aux ions — calcule qu’un doublement du $\mathrm{CO_2}$ atmosphérique réchaufferait sensiblement la planète : la première estimation de l’histoire du climat.

Et c’est un Français de dix-neuf ans, Edmond Becquerel, qui découvre en 1839 l’effet photovoltaïque — le principe des panneaux solaires qui équipent aujourd’hui les toits de Dakar comme de Bruxelles.

5Économiser l’énergie, valoriser le soleil

Figure 4 — Ensoleillement moyen reçu au sol : le Sahel figure parmi les régions les mieux dotées du monde.

Éclairage : remplacer une lampe à incandescence de $75$ W par une LED de $9$ W divise la consommation par plus de $8$ à lumière égale.
Étiquette énergie : de A à G, elle classe les appareils ; un réfrigérateur classé A consomme deux à trois fois moins qu’un vieux modèle.
Veilles : téléviseurs et box en veille consomment jour et nuit ; une multiprise à interrupteur supprime ce gaspillage.
Isolation et ombrage : un toit isolé ou un mur ombragé réduit la climatisation, premier poste électrique de bien des maisons sahéliennes.
Solaire domestique : un kit panneau + batterie électrifie une maison éloignée du réseau — lampes, téléphones, radio.

Grandeur	Symbole	Unité
Énergie	$E$	joule ( $\mathrm{J}$ ) ; kilowattheure ( $\mathrm{kWh}$ )
Puissance	$P$	watt ( $\mathrm{W}$ )
Rendement	$\eta$	sans unité (ou $\%$ )
Relation	$E = P \times \Delta t$	$\mathrm{kWh}$ si $P$ en $\mathrm{kW}$ et $\Delta t$ en $\mathrm{h}$

Fiche mémo

Renouvelable : se reconstitue vite (soleil, vent, eau, biomasse). Non renouvelable : stock qui s’épuise (pétrole, charbon, gaz, uranium).
Presque toutes les centrales : source $\rightarrow$ turbine $\rightarrow$ alternateur $\rightarrow$ électricité.
$\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}} \leqslant 1$
Effet de serre : naturel et vital ; amplifié par le $\mathrm{CO_2}$ des combustions, il réchauffe le climat.
$E = P \times \Delta t$ : les économies se calculent en kWh.
Le Sahel dispose d’un ensoleillement exceptionnel : atout majeur pour le solaire.

Niveau 1 — Application directe

Classe en renouvelable / non renouvelable : vent, charbon, biomasse, uranium, Soleil, gaz naturel.

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Renouvelables : vent, biomasse, Soleil. Non renouvelables : charbon, uranium, gaz naturel.

Quel appareil, commun à presque toutes les centrales, produit l’électricité ?

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L’alternateur, entraîné par une turbine (ou par les pales, pour une éolienne). Il convertit l’énergie mécanique de rotation en énergie électrique.

Écris la chaîne énergétique d’une centrale hydraulique.

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énergie de position de l’eau du barrage
$\rightarrow$ énergie mécanique de la turbine
$\rightarrow$ énergie électrique à la sortie de l’alternateur
(avec, à chaque étape, un peu de chaleur dissipée)

Un moteur consomme $500$ J et fournit $350$ J de travail utile. Calcule son rendement.

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$\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{consommée}}}$
$=$ $\dfrac{350}{500}$
$=$ $0{,}70$ , soit $70\ \%$

Cite trois gaz à effet de serre.

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Le dioxyde de carbone $\mathrm{CO_2}$ , le méthane $\mathrm{CH_4}$ et la vapeur d’eau. (On peut ajouter le protoxyde d’azote $\mathrm{N_2O}$ .)

Pourquoi dit-on que l’effet de serre est à la fois indispensable et préoccupant ?

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Indispensable, car sans lui la température moyenne de la Terre serait d’environ $-18\ \mathrm{^{\circ}C}$ : la vie telle que nous la connaissons serait impossible. Préoccupant, car les combustions humaines ajoutent du $\mathrm{CO_2}$ qui amplifie l’effet naturel et réchauffe le climat.

Une ampoule LED de $9$ W remplace une ampoule de $75$ W. Quelle puissance économise-t-on ?

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$\Delta P = 75 - 9$
$=$ $66\ \mathrm{W}$ économisés à éclairage comparable

Niveau 2 — Approfondissement

Une éolienne reçoit du vent $8\,000$ kJ en une minute et produit $3\,200$ kJ d’électricité. Calcule son rendement, puis explique où passe le reste.

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$\eta = \dfrac{3\,200}{8\,000}$
$=$ $0{,}40$ , soit $40\ \%$

Le reste demeure dans le vent qui continue derrière les pales, ou se dissipe en chaleur et en bruit dans la mécanique. (Une limite physique, dite de Betz, interdit d’ailleurs à toute éolienne de dépasser $59\ \%$ .)

Un téléviseur en veille consomme $12$ W en permanence. Quelle énergie cela représente-t-il par an ( $365$ jours), en kWh ? Quel coût à $120$ F CFA le kWh ?

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$E = P \times \Delta t$
$=$ $0{,}012 \times 24 \times 365$
$\approx$ $105\ \mathrm{kWh}$ par an
coût $\approx 105 \times 120$
$=$ $12\,600$ F CFA par an, pour un appareil… éteint

Pourquoi une centrale thermique au charbon contribue-t-elle au réchauffement climatique alors qu’une centrale hydraulique n’y contribue presque pas ? Compare aussi leurs limites.

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La centrale au charbon brûle un combustible carboné : chaque kWh s’accompagne d’un rejet de $\mathrm{CO_2}$ , gaz à effet de serre. La centrale hydraulique convertit l’énergie de l’eau sans combustion, donc quasiment sans $\mathrm{CO_2}$ . Ses limites sont ailleurs : il faut un fleuve et un relief adaptés, le barrage noie une vallée et modifie l’écosystème, et une sécheresse réduit la production.

Deux conversions se succèdent : une chaudière de rendement $80\ \%$ alimente une turbine-alternateur de rendement $40\ \%$ . Quel est le rendement global ?

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les rendements successifs se multiplient
$\eta = 0{,}80 \times 0{,}40$
$=$ $0{,}32$ , soit $32\ \%$

Un panneau solaire de $1$ m² reçoit en moyenne $5{,}5$ kWh par jour à Ndjamena et son rendement vaut $20\ \%$ . Quelle énergie électrique produit-il par jour ?

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$E_{\text{utile}} = \eta \times E_{\text{reçue}}$
$=$ $0{,}20 \times 5{,}5$
$=$ $1{,}1\ \mathrm{kWh}$ par jour et par m²

Niveau 3 — Défi

Une famille consomme $6$ kWh d’électricité par jour. Avec des panneaux produisant $1{,}1$ kWh/jour/m² (exercice précédent), quelle surface faut-il installer ? On prendra une marge de $20\ \%$ pour les jours nuageux et les pertes de batterie.

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surface minimale $= \dfrac{6}{1{,}1} \approx 5{,}5\ \mathrm{m^2}$
avec la marge : $5{,}5 \times 1{,}2$
$\approx$ $6{,}5\ \mathrm{m^2}$ de panneaux

Un barrage retient $2 \times 10^{6}$ m³ d’eau utilisable à $50$ m au-dessus des turbines. Chaque m³ chutant de $50$ m libère environ $0{,}49$ MJ. Le rendement global vaut $85\ \%$ . Quelle énergie électrique, en kWh, ce stock représente-t-il ? ( $1$ kWh $= 3{,}6$ MJ.)

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$E_{\text{mée}} = 2 \times 10^{6} \times 0{,}49 = 9{,}8 \times 10^{5}\ \mathrm{MJ}$
$E_{\text{élec}} = 0{,}85 \times 9{,}8 \times 10^{5} \approx 8{,}3 \times 10^{5}\ \mathrm{MJ}$
en kWh : $\dfrac{8{,}3 \times 10^{5}}{3{,}6}$
$\approx$ $2{,}3 \times 10^{5}\ \mathrm{kWh}$ , soit $230$ MWh

La combustion d’un litre d’essence libère environ $32$ MJ et rejette $2{,}3$ kg de $\mathrm{CO_2}$ . Un moteur de rendement $30\ \%$ utilise $4$ L pour un trajet. Calcule l’énergie utile du trajet et la masse de $\mathrm{CO_2}$ rejetée.

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$E_{\text{consommée}} = 4 \times 32 = 128\ \mathrm{MJ}$
$E_{\text{utile}} = 0{,}30 \times 128$
$=$ $38{,}4\ \mathrm{MJ}$
$m(\mathrm{CO_2}) = 4 \times 2{,}3$
$=$ $9{,}2\ \mathrm{kg}$ de $\mathrm{CO_2}$

Niveau 4 — Problèmes de vie courante

Le kit solaire d’Hassan (Abéché). La maison d’Hassan n’est pas reliée au réseau. Il installe un kit : panneau de $150$ W, batterie, trois lampes LED de $5$ W et une prise pour téléphones ( $10$ W en charge). Le panneau produit à pleine puissance $6$ h par jour.

Quelle énergie le panneau produit-il chaque jour, en Wh ?
Les lampes fonctionnent $5$ h et deux téléphones chargent $3$ h chacun. Quelle énergie est consommée ?
Le kit est-il bien dimensionné ?

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$E = P \times \Delta t = 150 \times 6$
$=$ $900\ \mathrm{Wh}$ produits par jour

lampes : $3 \times 5 \times 5 = 75\ \mathrm{Wh}$
téléphones : $2 \times 10 \times 3 = 60\ \mathrm{Wh}$
$\Rightarrow$ total $= 135\ \mathrm{Wh}$ consommés

3. $900 \gg 135$ Wh : le kit couvre largement les besoins, même après les pertes de la batterie et deux jours nuageux d’affilée. Hassan peut y ajouter une radio ou un petit ventilateur sans souci.

La facture de Mme Diop (Dakar). Mme Diop veut réduire sa facture. Son climatiseur de $1\,200$ W tourne $6$ h par nuit ; le kWh coûte $120$ F CFA.

Quelle énergie le climatiseur consomme-t-il par nuit, puis par mois ( $30$ nuits) ?
Quel est le coût mensuel ?
En isolant le toit et en réglant le thermostat, elle réduit l’usage à $3$ h $30$ par nuit. Quelle économie mensuelle réalise-t-elle ?

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$E = 1{,}2 \times 6 = 7{,}2\ \mathrm{kWh}$ par nuit
par mois : $7{,}2 \times 30$
$=$ $216\ \mathrm{kWh}$

coût $= 216 \times 120$
$=$ $25\,920$ F CFA par mois

3. Nouvelle consommation :

$E' = 1{,}2 \times 3{,}5 \times 30 = 126\ \mathrm{kWh}$
économie $= (216 - 126) \times 120$
$=$ $90 \times 120 = 10\,800$ F CFA par mois

Le groupe électrogène du cybercafé (Yaoundé). Pendant les coupures, Boris alimente son cybercafé avec un groupe électrogène : $10$ ordinateurs de $150$ W et un routeur de $20$ W, pendant $4$ h. Le groupe a un rendement de $25\ \%$ et un litre d’essence libère $32$ MJ ( $1$ kWh $= 3{,}6$ MJ).

Quelle énergie électrique la coupure lui coûte-t-elle, en kWh ?
Quelle énergie le carburant doit-il fournir ?
Quel volume d’essence cela représente-t-il ?

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$P = 10 \times 150 + 20 = 1\,520\ \mathrm{W}$
$E_{\text{élec}} = 1{,}52 \times 4$
$=$ $6{,}08\ \mathrm{kWh}$

$E_{\text{carburant}} = \dfrac{E_{\text{élec}}}{\eta} = \dfrac{6{,}08}{0{,}25}$
$=$ $24{,}3\ \mathrm{kWh}$
en MJ : $24{,}3 \times 3{,}6 \approx 87{,}5\ \mathrm{MJ}$

$V = \dfrac{87{,}5}{32}$
$\approx$ $2{,}7\ \mathrm{L}$ d’essence pour la coupure

Énergies et environnement

Ce que tu sauras faire à la fin

1Sources d’énergie renouvelables et non renouvelables

2Chaînes énergétiques : le principe commun des centrales

3Le rendement d’une conversion

4Effet de serre et climat

5Économiser l’énergie, valoriser le soleil

Fiche mémo

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