Énergie primaire

L'énergie primaire est obtenue par des transformations de la matière :

• transformations physiques dans un champ gravitationnel : travail mécanique associé au mouvement d'une masse de matière soumise à la pesanteur ; onde acoustique par déformation élastique d'un fluide ;
• transformations par interactions électromagnétiques : déplacement de particules ionisées et orientation du moment magnétique de matériaux ; variation d'énergie cinétique moyenne d'agitation microscopique moléculaire et atomique ; enthalpie de changement d'état chimique ; transfert thermique par rayonnement électromagnétique associé à une réaction chimique de modification des liaisons entre les atomes formant des molécules, propagation de photons ;
• transformations de la matière en physique des particules subatomiques par interactions nucléaires fortes ou faibles : désintégration radioactive, fission ou fusion nucléaire ; rayonnement électromagnétique associé à une modification de noyau atomique, rayonnement corpusculaire de particules subatomiques de haute énergie.

L’énergie primaire permet de produire de l’énergie secondaire qui est elle-même transformée en énergie finale au stade de l’utilisation. Ainsi l’énergie mécanique d’une chute d’eau, transformée en énergie électrique (un vecteur énergétique), puis transportée sous cette forme peut produire chez l’utilisateur : froid, lumière, énergie mécanique (moteurs), chauffage, etc. Vues de l’utilisateur, les formes d’énergie primaire sont souvent substituables tant qu'elles lui permettent d'utiliser la forme d'énergie finale de son choix.

Cette série de transformations forme une chaîne énergétique, par exemple, la chaîne pétrolière : extraction, transport, raffinage, distribution, utilisation. Les transformations sont caractérisées par un rendement, toujours inférieur à 1, par suite des pertes inévitables au cours de la production et du transport.

Les statistiques les plus utilisées pour la comparaison de la production et de l’utilisation de l’énergie, celles de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), considèrent par convention comme énergie primaire l’énergie brute pour les combustibles fossiles et la biomasse, et pour les autres sources d'énergie, celle qui résulte de la première transformation (ainsi la chaleur nucléaire, l'électricité éolienne, l'électricité photovoltaïque ou héliothermique, et l'électricité hydraulique sont-elles considérées comme énergie primaire) et comme énergie finale la forme sous laquelle elle arrive chez l’utilisateur final (ainsi l’électricité mesurée au compteur de l’abonné quelle qu’en soit l’utilisation finale : éclairage, chauffage, machines, etc.), parce que ce sont celles pour lesquelles on dispose de données chiffrées. Les statistiques d'énergie primaire de l'AIE mélangent donc des sources et formes d'énergie primaire (combustibles fossiles et biomasse) avec des formes secondaires d'énergie (électricité produite par l'hydraulique, l'éolien et le solaire), ce qui ne permet pas de comparaison pertinente entre ces deux catégories d'énergie ; les seules comparaisons correctes doivent se situer au niveau de l'énergie finale. Mais les statistiques d'énergie primaire de l'AIE conservent un intérêt certain pour comparer, par exemple, les formes d'énergie produites localement avec celles qui sont importées ou la consommation locale avec l'exportation.

Pour permettre les comparaisons, toutes les formes d’énergie sont exprimées à l’aide d’une unité commune permettant de mesurer la quantité d'énergie contenue, émise ou transférée ; elle peut être, selon le sujet principal, le gigajoule (GJ), le kilowatt-heure (kWh), ou la tonne d'équivalent pétrole (tep, toe en anglais). Comme les diverses sources de pétrole ou de houille peuvent avoir des caractéristiques énergétiques légèrement différentes, on s'appuie sur des conventions pour passer facilement d'une unité à l'autre. Par convention :

• 1 tep = 41,855 GJ (généralement arrondis à 42 GJ) = 11 628 kWh = 1 000 m³ de gaz = 7,33 barils de pétrole (bbl en anglais).
• Dans le système impérial, le quadrillion, ou quad, est habituellement employé, unité de mesure d'énergie valant 10¹⁵ BTU, converti dans le Système international d'unités en 1,055 exajoules (EJ)

Les sources et formes d'énergie sont multiples :

• L'énergie mécanique :
  • L'énergie mécanique humaine et animale : traction animale ;
  • L'énergie mécanique des éléments naturels :
    • L'énergie hydraulique (cours d’eau et chutes d’eau) transformée en énergie mécanique (moteur hydraulique) ou électrique (énergie hydroélectrique) ;
    • L'énergie marémotrice (marées) transformée en énergie électrique dans des centrales marémotrices ;
    • L'énergie éolienne (vent) transformée en énergie mécanique (moulins à vent, voiliers, char à voile) ou électrique (génératrice éolienne).
• L'énergie thermique et l'énergie électromagnétique :
  • Les combustibles permettent la production de chaleur lors d'une réaction chimique exothermique:
    • Les combustibles selon leur état physique :
      • Les combustibles solides ;
      • Les combustibles liquides ;
      • Les combustibles gazeux.
    • Les combustibles selon leur composition :
      • Les combustibles minéraux :
        • Les combustibles minéraux solides (CMS)[1] : charbon, (ou généralement anthracite), lignite, à base de carbone plus ou moins pur ;
        • Les explosifs : énergie non contrôlée.
      • Les combustibles organiques :
        • Les hydrocarbures : gaz naturel, pétrole (molécules formées d'atomes de carbone et d’hydrogène) ;
        • La biomasse : bois, produits et déchets végétaux, formés de matière organique (essentiellement carbone, hydrogène et oxygène), transformés en combustibles divers : bois et dérivés, biogazole, méthane (biogaz), méthanol, éthanol...
    • À chaque type de combustible correspondent certains types de stockage et de transport, des précautions incendie et sanitaires particulières ainsi que des normes, législations et conventions de négoces particulières[2].
    • Les combustibles (charbon, pétrole et gaz naturel) ont aussi une utilisation non énergétique comme matière première dans l’industrie chimique : carbochimie, pétrochimie, engrais, le bâtiment ou les travaux publics (bitume).
    • La cogénération consiste à produire simultanément chaleur et électricité. Les combustibles peuvent aussi actionner des moteurs. La combustion dégage du dioxyde de carbone (CO₂).
  • L'énergie thermique terrestre : exploitée en géothermie : exploitation de la chaleur naturelle des couches profondes de la croûte terrestre.
  • L'énergie thermique des mers
  • L'énergie solaire thermique : rayonnement solaire, transformé en chaleur (chauffe-eau solaire, pompe à chaleur)
  • L'énergie solaire photovoltaïque : rayonnement solaire, transformé en électricité (cellules photovoltaïques).
• L'énergie nucléaire obtenue par :
  • Fission : la réaction de fission nucléaire de l’uranium et du plutonium (en premier lieu, et accessoirement la radioactivité intense de certains des produits de fission) crée de la chaleur (à haute température) qui est transformée en électricité au travers d'une turbine ; lors de cette transformation une partie de la chaleur est perdue et rejetée dans l’air ou dans l’eau (à basse température ; cette chaleur serait partiellement réutilisable pour alimenter des installations de chaleur à distance par cogénération). C'est toute la chaleur directement générée par la fission des atomes qui est considérée comme énergie primaire ; ce qui explique que l'énergie électrique issue du nucléaire montre généralement un rendement de 33 à 38 % dès la production.
  • Fusion : encore au stade expérimental.

L'Agence internationale de l'énergie (AIE) rassemble les données de l'ensemble des pays pour établir et publier des statistiques mondiales sur la production et la consommation d'énergie. Il convient de signaler que l'AIE a été créée par l'OCDE en 1961 et ne regroupe que 37 membres ; elle a été très critiquée en 2009 pour ses prévisions de production pétrolière jugées trop optimistes, pour le peu d'intérêt qu'elle accordait aux énergies renouvelables et pour son refus de prendre en compte le méthane dans ses statistiques d'émissions de gaz à effet de serre, ce qui avantage grandement le gaz naturel. Elle reste cependant le principal fournisseur de données statistiques sur l'énergie. Depuis 2009, l'évolution de la production pétrolière a donné raison à l'AIE, avec le boom du pétrole de schiste aux États-Unis ; les reproches concernant les énergies renouvelables ne sont plus justifiés du fait de la création des Programmes de collaboration technologiques (TCP)[3] qui publient des statistiques et des prévisions sur les diverses énergies renouvelables. Seul le reproche sur le méthane reste justifié.

Dans les statistiques de l'AIE et d'autres organismes internationaux, l'agrégat « Total des ressources en énergie primaire » (en anglais : Total primary energy supply (TPES)) inventorie l'ensemble des ressources énergétiques mobilisées par un pays, soit par production locale, soit par importation, diminuées des exportations et des soutes internationales (consommations des moyens de transport internationaux : avions et bateaux) et corrigées des variations de stocks, afin de ne conserver que les ressources destinées à la consommation intérieure.

Au niveau mondial, la répartition de ces ressources primaires (productions annuelles) a évolué comme suit :

Les trois dernières lignes regroupent les énergies renouvelables (EnR) ; au total, elles sont passées de 12,2 % des ressources mondiales en 1973 à 13,5 % en 2015. Les conventions utilisées par les statistiques de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) et d'Eurostat, contrairement à celles de l'Energy Information Administration (EIA) américaine (une agence du département de l'Énergie des États-Unis), minorent la part des énergies renouvelables électriques. Avec des conventions conformes aux ratios réels de substitution entre énergies fossiles et électricité, telles que celles de l'EIA, on obtient environ 6,9 % pour l'hydroélectricité et 3,5 % pour les autres EnR, hors biomasse, ce qui porte la part des énergies renouvelables à 20,6 % en 2013.

Voici la répartition régionale et par grands pays des productions et consommations d'énergie primaire, ainsi que les consommations par habitant :

Productions et consommations brutes d'énergie primaire en 2015

Région/Pays	Production Mtep[k 2]	%	Consommation Mtep[k 2]	%	Cons./hab. tep[k 3]
Monde	13 790	100,0	13 647	100,0	1,86
OCDE	4 164	30,2	5 259	38,5	4,12
Moyen-Orient	1 884	13,7	729	5,3	3,21
Europe et Eurasie hors OCDE	1 833	13,3	1 106	8,1	3,24
Chine	2 496	18,1	2 987	21,9	2,17
Asie hors Chine & OCDE	1 479	10,7	1 769	13,0	0,73
Amériques hors OCDE	816	5,9	628	4,6	1,29
Afrique	1118	8,1	788	5,8	0,66
Quelques grands pays[k 4] :
Chine	2 496	18,1	2 973	21,8	2,17
États-Unis	2 018	14,6	2 188	16,0	6,80
Inde	554	4,0	851	6,2	0,65
Russie	1 334	9,7	710	5,2	4,93
Japon	30	0,2	430	3,2	3,38
Allemagne	120	0,9	308	2,3	3,77
Brésil	279	2,0	298	2,2	1,43
Corée du Sud	51	0,4	273	2,0	5,39
Canada	471	3,4	270	2,0	7,54
France	138	1,0	246	1,8	3,71
Iran	324	2,3	237	1,7	2,99
Indonésie	426	3,1	225	1,6	0,87
Arabie saoudite	649	4,7	222	1,6	7,03
Mexique	192	1,4	187	1,4	1,55
Royaume-Uni	119	0,9	181	1,3	2,78

Les conventions adoptées pour évaluer l'énergie primaire du nucléaire et des énergies non thermiques (hydroélectricité, éolien, solaire, énergies marines)[k 5] sont souvent critiquées :

• pour le nucléaire, l'énergie primaire est calculée en supposant un rendement de conversion de 33 à 38 %, c'est-à-dire que l'on considère que l'énergie primaire est la chaleur produite dans le réacteur par la réaction de fission nucléaire, et que la conversion en électricité par le cycle thermodynamique, identique à celle des centrales thermiques classiques (charbon, fioul, gaz hors cycle combiné) a le même rendement : environ un tiers (soit un coefficient d'énergie primaire entre 2,63 et 3) ;
• pour la géothermie, lorsque le rendement de conversion de la chaleur géothermique en électricité n'est pas connu, on suppose qu'il est de 10 % ;
• pour les autres énergies non thermiques (hydraulique, éolien, solaire), l'AIE considère que l'énergie primaire est égale à la production électrique brute, avec un rendement de 100 % ; du point de vue de la physique, c'est contestable : on aurait très bien pu considérer que l'énergie primaire est celle des sources naturelles (énergie mécanique du vent, énergie des photons du rayonnement solaire, énergie gravitaire pour l'hydroélectricité, etc.) dont elle est tirée, ce qui aurait donné un poids beaucoup plus élevé aux énergies renouvelables dans la répartition des ressources primaires, car les rendements de conversion sont souvent très bas. Un compromis raisonnable, adopté par l'Energy Information Administration américaine, consiste à choisir un rendement de conversion de 33 % pour ces formes d'énergie.

Ces débats sur les conventions utilisées pour mesurer l'énergie primaire montrent que ce concept est très théorique et imprécis, et qu'il est plus intéressant de considérer l'énergie au stade de sa consommation finale.

• (en) [PDF] Agence internationale de l'énergie (AIE - en anglais : International Energy Agency - IEA), Key World Energy Statistics 2017, 19 septembre 2017.

• Autres références