Quelles sont les sources d'énergie étudiées en enseignement scientifique en 1re ?

Les combustibles fossiles (charbon, pétrole, gaz), l'uranium, la biomasse, le rayonnement solaire, le vent, l'eau des barrages, la chaleur interne du globe (géothermie) et les marées. On les classe selon leur origine (solaire ou non) et leur caractère renouvelable ou non, puis on compare puissances, rendements et possibilités de stockage.

Pourquoi dit-on que la plupart des sources d'énergie sont d'origine solaire ?

Le Soleil chauffe inégalement l'atmosphère, ce qui crée les vents ; il évapore l'eau, qui retombe en altitude et alimente les barrages ; il fournit l'énergie de la photosynthèse, à l'origine de la biomasse et, sur des millions d'années, des combustibles fossiles. Seuls le nucléaire, la géothermie et l'énergie des marées n'en dépendent pas.

Quelle est la différence entre énergie et puissance ?

La puissance est l'énergie transférée par unité de temps : E = P × Δt. L'énergie s'exprime en joules ou en kilowattheures (1 kWh = 3,6 millions de joules), la puissance en watts. Un appareil de 2 kW qui fonctionne 3 h consomme 6 kWh.

Quelle différence entre énergie renouvelable et non renouvelable ?

Une énergie renouvelable provient d'un flux reconstitué naturellement à l'échelle humaine (Soleil, vent, cours d'eau, biomasse gérée durablement). Une énergie non renouvelable puise dans un stock formé en millions d'années, comme le charbon, le pétrole, le gaz ou l'uranium, que l'on consomme bien plus vite qu'il ne se forme.

Quel lien entre la conversion biologique de l'énergie solaire et les énergies fossiles ?

Par la photosynthèse, végétaux et plancton convertissent environ 1 % de l'énergie solaire reçue en énergie chimique stockée dans la matière organique. Enfouie dans des sédiments et transformée pendant des dizaines de millions d'années, cette matière a donné le charbon, le pétrole et le gaz : brûler un combustible fossile libère une énergie solaire très ancienne.

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Une diversité de sources d'énergie utilisables par l'Humanité

Énergies fossiles et renouvelables, origine solaire de la plupart, puissance et énergie, rendement, stockage, ordres de grandeur de la consommation (programme d'enseignement scientifique de 1re)

À propos de cette page

Ce cours d' en première sur « Une diversité de sources d'énergie utilisables par l'Humanité » suit le programme officiel d' de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'essentiel, Des sources d'énergie majoritairement d'origine solaire, Énergie, puissance et unités, Conversions d'énergie et rendement. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en .

L'essentiel

Source d'énergie primaire. Énergie disponible dans la nature avant toute transformation : charbon, pétrole, gaz naturel, uranium, biomasse, rayonnement solaire, vent, eau en mouvement, chaleur interne du globe, marées. L'électricité, le dihydrogène ou l'essence raffinée sont des vecteurs (énergies secondaires) : on les fabrique à partir d'une source primaire.

Renouvelable ou non. Une source est renouvelable si des processus naturels la reconstituent à l'échelle d'une vie humaine : c'est un flux (rayonnement solaire, vent, cours d'eau, biomasse gérée durablement). Elle est non renouvelable si elle provient d'un stock formé en millions d'années et consommé bien plus vite (charbon, pétrole, gaz, uranium).

Énergie et puissance.

E = P \times Δ t

, avec

E

en joules (J),

P

en watts (W) et

Δ t

en secondes (s). La puissance est un débit d'énergie : 1 W = 1 J/s. En pratique :

P

en kW,

Δ t

en h,

E

en kWh, avec 1 kWh =

3, 6 \times 10^{6}

Rendement. Pour un convertisseur,

η = \frac{E_{utile}}{E_{reçue}} = \frac{P_{utile}}{P_{reçue}}

. Sans unité, il est toujours strictement inférieur à 1 : le reste de l'énergie est dissipé, le plus souvent sous forme thermique.

Des sources d'énergie majoritairement d'origine solaire

La Terre intercepte une petite fraction du rayonnement solaire ; directement ou non, elle alimente presque toutes les sources d'énergie exploitées par l'Humanité.

Origine	Sources	Mécanisme
Solaire directe	Photovoltaïque, solaire thermique	Le rayonnement est converti en électricité ou en chaleur.
Solaire indirecte	Éolien, houle	Le Soleil chauffe inégalement la surface et l'atmosphère : différences de pression, donc vents (et vagues levées par le vent).
Solaire indirecte	Hydraulique	Le Soleil évapore l'eau, qui retombe en altitude (cycle de l'eau) : énergie potentielle de pesanteur.
Solaire indirecte	Biomasse (bois, biocarburants)	La photosynthèse stocke l'énergie lumineuse sous forme d'énergie chimique.
Solaire « fossile »	Charbon, pétrole, gaz	Biomasse ancienne enfouie et transformée pendant des dizaines de millions d'années.
Non solaire	Nucléaire	Fission de noyaux d'uranium, formés dans des étoiles antérieures au système solaire.
Non solaire	Géothermie	Chaleur interne : désintégrations radioactives dans le globe et chaleur héritée de la formation de la Terre.
Non solaire	Marémotrice	Attraction de la Lune et du Soleil, combinée à la rotation de la Terre.

Rappel (chapitre précédent). La photosynthèse convertit environ 1 % de l'énergie solaire reçue par un végétal en énergie chimique. Le charbon provient surtout de végétaux terrestres accumulés dans des marécages ; le pétrole et le gaz proviennent surtout de plancton marin piégé dans des sédiments, transformé sous l'effet de la température et de la pression.

Renouvelable et bas carbone sont deux critères distincts. Le bois est renouvelable mais sa combustion rejette du CO₂ (repris ensuite par la repousse) ; le nucléaire est non renouvelable mais émet très peu de CO₂.

Énergie, puissance et unités

Unité	Grandeur	Équivalence
joule (J)	énergie (unité SI)	—
watt (W)	puissance (unité SI)	1 W = 1 J/s
kilowattheure (kWh)	énergie	$3, 6 \times 10^{6}$ J
tonne équivalent pétrole (tep)	énergie	$\approx 4, 19 \times 10^{10}$ J ≈ 11 630 kWh

Préfixes : k = $10^{3}$ ; M = $10^{6}$ ; G = $10^{9}$ ; T = $10^{12}$ ; E (exa) = $10^{18}$ .

Exemple. Une plaque à induction de 2 200 W chauffe pendant 25 min. En unités pratiques : E = 2,2 kW × (25/60) h ≈ 0,92 kWh. En unités SI : E = 2 200 W × 1 500 s = $3, 3 \times 10^{6}$ J.

Facteur de charge. Une installation ne fonctionne pas en permanence à sa puissance nominale (installée)

P_{n}

. Sur une durée

Δ t

f = \frac{E_{produite}}{P_{n} \times Δ t}

, d'où

E = P_{n} \times Δ t \times f

; une année compte 8 760 h. Ordres de grandeur en France : nucléaire ≈ 0,7 ; éolien terrestre ≈ 0,2 à 0,25 ; photovoltaïque ≈ 0,13 à 0,15.

Conversions d'énergie et rendement

Une chaîne énergétique décrit les transformations successives : réservoir d'énergie → convertisseur → énergie utile + énergie dissipée. Chaque conversion s'accompagne de pertes, surtout thermiques.

Rendement d'une chaîne. Pour des convertisseurs en série,

η_{global} = η_{1} \times η_{2} \times \dots \times η_{n}

: le rendement global est inférieur au plus faible des rendements.

Exemple. Charbon brûlé dans une centrale (0,38), électricité transportée (0,93), puis moteur électrique (0,90) : η = 0,38 × 0,93 × 0,90 ≈ 0,32. Moins d'un tiers de l'énergie chimique du charbon devient énergie mécanique.

Convertisseur	Rendement typique
Centrale au charbon	35 à 40 %
Centrale à gaz à cycle combiné	55 à 60 %
Centrale nucléaire	≈ 33 %
Centrale hydraulique	85 à 90 %
Éolienne (énergie du vent → électricité)	35 à 45 %
Panneau photovoltaïque	15 à 22 %
Moteur à essence / moteur électrique	25 à 35 % / ≈ 90 %
Photosynthèse (lumière → biomasse)	≈ 1 %

Stocker l'énergie face à l'intermittence

La production solaire et éolienne est intermittente (nuit, vent faible, saisons) et la demande varie selon l'heure et la saison. Or l'électricité doit être produite au moment où elle est consommée : pour l'utiliser plus tard, il faut la convertir en une autre forme d'énergie stockable. Les combustibles fossiles et la biomasse sont, eux, des stocks naturels d'énergie chimique, faciles à transporter et à utiliser à la demande : c'est une grande part de leur succès.

Stockage	Forme d'énergie	Rendement du cycle	Usage
STEP (station de transfert d'énergie par pompage)	potentielle de pesanteur	70 à 80 %	heures à jours, réseau
Batterie lithium-ion	chimique	85 à 95 %	heures ; véhicules, maisons
Dihydrogène (électrolyse puis pile à combustible)	chimique	25 à 35 %	semaines, saisons
Ballon d'eau chaude, sels fondus	thermique	variable	heures à jours

Exemple. Monter 1 m³ d'eau (1 000 kg) de 250 m stocke

E = m g h

= 1 000 × 9,81 × 250 ≈

2, 45 \times 10^{6}

J ≈ 0,68 kWh : une STEP doit déplacer des millions de mètres cubes d'eau.

Énergie massique. Une batterie lithium-ion stocke environ 0,2 kWh par kilogramme, l'essence environ 12 kWh par kilogramme : c'est pourquoi les avions et les poids lourds restent difficiles à électrifier.

Ordres de grandeur de la consommation

Consommation mondiale. L'Humanité consomme environ

6 \times 10^{20}

J d'énergie primaire par an, soit une puissance moyenne d'environ

1, 9 \times 10^{13}

W (19 TW), c'est-à-dire ≈ 2,3 kW par habitant. Pour comparaison, le métabolisme d'un être humain représente ≈ 100 W.

Environ 80 % de cette énergie est d'origine fossile (années 2020, valeurs arrondies). La consommation varie fortement d'un pays à l'autre : un habitant de la France utilise environ deux fois la moyenne mondiale.

Comparaison avec le Soleil. La Terre intercepte une puissance solaire d'environ

1, 7 \times 10^{17}

W, près de 10 000 fois la consommation humaine. Mais ce rayonnement est dilué (quelques centaines de W/m² au sol en moyenne), intermittent, et converti avec des rendements modestes.

Stocks et durées. Au rythme actuel, les réserves prouvées représentent de l'ordre de 50 ans de production pour le pétrole et le gaz, et plus d'un siècle pour le charbon, alors que leur formation a demandé des dizaines de millions d'années. Leur combustion rejette du CO₂, principal gaz à effet de serre d'origine humaine.

En France, la consommation d'électricité est d'environ 450 TWh par an ; la production est pour environ deux tiers d'origine nucléaire, le reste venant surtout de l'hydraulique, de l'éolien, du solaire et du gaz.

Méthodes

Méthode 1 — Calculer une énergie ou une puissance moyenne

Relever les données et leurs unités.
Choisir un système cohérent : W et s donnent des J ; kW et h donnent des kWh.
Appliquer $E = P \times Δ t$ ou $P = \frac{E}{Δ t}$ .
Convertir le résultat si nécessaire et conclure avec l'unité.

Exemple rédigé. Un habitant de la France consomme en moyenne 3,5 tep d'énergie primaire par an. Quelle puissance moyenne cela représente-t-il ? E = 3,5 × 11 630 ≈ 40 700 kWh ; Δt = 1 an = 8 760 h ; P = 40 700 / 8 760 ≈ 4,6 kW, soit environ 46 fois la puissance métabolique d'un être humain (≈ 100 W).

Méthode 2 — Calculer le rendement d'une chaîne de conversion

Écrire la chaîne énergétique, étape par étape.
Relever le rendement de chaque convertisseur.
Multiplier les rendements : $η = η_{1} \times η_{2} \times \dots$
Pour retrouver l'énergie à fournir en entrée, diviser l'énergie utile par $η$ .

Exemple rédigé. On stocke un surplus d'électricité solaire sous forme de dihydrogène : électrolyseur (0,68), compression et stockage (0,86), pile à combustible (0,50). η = 0,68 × 0,86 × 0,50 ≈ 0,29. Sur 100 kWh de surplus, on ne récupère qu'environ 29 kWh d'électricité ; pour en récupérer 10 kWh, il faut 10 / 0,292 ≈ 34 kWh de surplus.

Méthode 3 — Estimer une production annuelle avec le facteur de charge

Exprimer la puissance nominale dans une unité adaptée (MW).
Calculer la production maximale : $P_{n} \times$ 8 760 h.
Multiplier par le facteur de charge $f$ .
Comparer à une consommation de référence, en rappelant qu'il s'agit d'une moyenne annuelle.

Exemple rédigé. Un parc photovoltaïque de 12 MW a un facteur de charge de 0,14. Production maximale : 12 × 8 760 = 105 120 MWh ; production réelle : 105 120 × 0,14 ≈ 14 700 MWh, soit ≈ 14,7 GWh par an. Cette énergie est produite de jour, surtout en été : elle ne renseigne pas sur la puissance disponible un soir d'hiver.

Pièges et erreurs classiques

Puissance ≠ énergie. Le kW mesure une puissance, le kWh une énergie. L'unité « kW/h » n'existe pas.

Conversions de durée. 1 h = 3 600 s et 15 min = 0,25 h (et non 0,15 h).

Renouvelable ≠ bas carbone ≠ inépuisable. Le bois est renouvelable seulement si l'on ne coupe pas plus que ce qui repousse, et sa combustion rejette du CO₂.

Origine solaire. Les combustibles fossiles sont d'origine solaire (photosynthèse passée) ; le nucléaire, la géothermie et les marées ne le sont pas.

Rendements en chaîne. On les multiplie ; on ne les additionne pas et on n'en fait pas la moyenne. Un rendement supérieur à 1 signale une erreur.

Puissance installée ≠ production. Une installation de 1 MW ne produit pas 8 760 MWh par an : il faut tenir compte du facteur de charge.

Vecteur ≠ source. L'électricité et le dihydrogène sont produits à partir de sources primaires : ils transportent ou stockent l'énergie, ils ne la « créent » pas.

En bref

Sources primaires : fossiles (charbon, pétrole, gaz), uranium, biomasse, Soleil, vent, eau, géothermie, marées.
La plupart sont d'origine solaire (directe, ou via le vent, le cycle de l'eau, la photosynthèse) ; nucléaire, géothermie et marées font exception.
Renouvelable = flux reconstitué à l'échelle humaine ; fossiles et uranium = stocks formés en millions d'années.
$E = P \times Δ t$ ; 1 kWh = $3, 6 \times 10^{6}$ J ; 1 tep ≈ 11 630 kWh.
Rendement $η = E_{utile} / E_{reçue}$ , inférieur à 1 ; en chaîne, les rendements se multiplient.
Production annuelle = puissance installée × 8 760 h × facteur de charge.
Le stockage (STEP, batteries, dihydrogène) est indispensable aux sources intermittentes.
Monde : ≈ $6 \times 10^{20}$ J/an, ≈ 19 TW, ≈ 80 % fossile ; Soleil intercepté : près de 10 000 fois plus.

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