Chaque jour, nous utilisons de l’énergie pour nous déplacer, travailler, se chauffer, se nourrir, se divertir. Ces énergies sont d’accès facile : prise de courant électrique, carburant, gaz domestique ou combustible livré à domicile. Comment sont-elles produites, avec quelles matières premières ? Sont-elles éternelles ? Sont-elles renouvelables ? Quelle est leur relation avec l’environnement ? Quelles sont leur relation avec l’effet de serre ? Quelles sont les sources d’énergies fossiles disponibles ?

Une source d’énergie est une ressource naturelle à partir de laquelle il est possible de produire l’énergie dont nous avons besoin. Au fil des siècles, les nouvelles découvertes fournissant de l’énergie ont engendré de véritables révolutions :

• Au paléolithique, vers 400 000 ans avant notre ère, les hommes ont domestiqué le feu : 1^ère révolution, l’énergie thermique permet de s’éclairer, de se chauffer, de cuire les aliments, d’éloigner les prédateurs et par là même de conquérir de nouveaux territoires plus froids.
• Au néolithique, à partir de 8000 ans avant notre ère, des animaux sont domestiqués et en particulier les bovins qui servent à tirer des charges ou des araires (ancêtre de la charrue) : 2^ème révolution, l’énergie mécanique non humaine a fait accroître la production agricole.
• Il y a 5500 ans, naissaient les premiers bateaux à voile dans la mer Rouge et dans le golfe persique : 3^ème révolution, l’énergie éolienne est transformée en énergie cinétique. Les Babyloniens, les Phéniciens ou les Egyptiens pouvaient ainsi parcourir de longues distances avec des charges importantes.

• Probablement au III^e siècle avant notre ère sont apparus les premiers moulins à eau dérivés des norias syriennes (2000 ans avant JC). Si les norias n’étaient utilisées que pour l’irrigation, les moulins étaient utilisés pour la mouture des céréales : 4^ème révolution, l’énergie hydraulique est transformée en énergie mécanique. Le moulin à eau est ainsi construit à partir d’une roue à aubes entraînée par un cours d’eau dont l’axe est relié à une meule par un système d’engrenages. Cette invention s’est ensuite exportée dans tout l’empire romain et les usages se sont diversifiés : sciage du bois, pilons pour la métallurgie, foulage des tissus, fabrication du papier …

• Vers les années 620 en Perse (actuel Iran), les moulins à vent sont utilisés d’abord pour l’irrigation puis pour moudre les graines, activités essentielles à l’agriculture. Les moulins de cette époque étaient verticaux avec des ‘ailes’ en bois : 4^ème révolution, l’énergie éolienne est transformée en énergie mécanique (mouvement rotatif). Ce type de moulin à vent est toujours visible dans le village de Nashtifan situé à l’est de l’Iran. Ce n’est que vers le XII^e siècle que les moulins à vents tels que nous les connaissons se généralisent en Europe du Nord puis dans les pays de la bordure atlantique ou méditerranéenne.

• En Chine, au IXe siècle la poudre à canon (mélange de salpêtre, de soufre et de charbon de bois) voit le jour à la suite des recherches d’alchimistes espérant trouver l’élixir conduisant à l’immortalité : 5^ème révolution, l’énergie chimique est transformée en énergie cinétique. Cette poudre a changé l’art de la guerre, les preux chevaliers furent remplacés peu à peu par les artilleurs et autres grenadiers. Mais son usage est également non militaire : charges explosives dans les mines et carrières, construction de routes, feux d’artifice…

• Si l’emploi de la vapeur est ancien, son utilisation à des fins industrielles est relativement récente. C’est Denis Papin qui dans les années 1690 a breveté une machine à vapeur utilisant la vapeur d’eau pour actionner un piston et produire de l’énergie mécanique. En 1784 James Watt a amélioré cette nouveauté et breveta la machine à vapeur. A partir de cette invention s’en suivit LA révolution industrielle, la machine à vapeur occupe une place centrale dans l’histoire économique européenne.

Après la révolution industrielle les besoins en énergie se sont multipliés pour satisfaire à nos besoins tant mécaniques que thermiques, chimiques ou électriques. Pour cela il est nécessaire de disposer de sources d’énergie multiples.

Une source d’énergie est une ressource, un phénomène naturel ou de la matière à partir desquels on peut obtenir de l’énergie. Ces sources d’énergie sont classées en deux grands types :

• Les sources d’énergies primaires : ce sont des sources issues de la nature avant d’être transformées. Ces sources primaires sont les suivantes : uranium, charbon, hydrocarbures, cours d’eau, chute d’eau, force de la mer, rayonnement du soleil, force du vent, géothermie, déchets et biomasse. Si ces sources ne sont pas utilisées dans leur état initial elles sont transformées en sources dites secondaires utilisables, stockables et transportables.
• Les sources d’énergies secondaires : l’énergie secondaire est l’énergie obtenue par transformation d’énergie. Parmi ces énergies secondaires, il est possible de citer : énergie nucléaire, énergie thermique à flamme (fossile), énergie hydraulique, énergie éolienne, énergie solaire photovoltaïque ou à concentration, énergie géothermique.
• Il existe également une autre classification : les sources renouvelables et les sources non renouvelables. Une source d’énergie non renouvelable est une ressource énergétique n’ayant pas de capacité de régénération ou dont la vitesse d’utilisation est supérieure à sa régénération (combustibles fossiles et uranium). Une source d’énergie renouvelable est une ressource inépuisable, il n’y a pas de diminution de la ressource lors de son utilisation.

Ci-dessous figure un tableau liant ces deux classifications :

Les sources d’énergie fossile : sources carbonées non renouvelables

Ces sources sont le charbon, le pétrole et le gaz naturel. Ces composés sont issus de la dégradation de matières organiques (végétaux, plancton, algues …) dans le sous-sol pendant des millions d’années sous des conditions de pression et température élevées. Si la matière organique est d’origine continentale (principalement végétaux) sa dégradation conduira au charbon, en revanche si elle est d’origine océanique (planctons, algues + spores et pollens venus des continents) sa dégradation conduira au pétrole et aux gaz. Ces déchets organiques riches en éléments carbone, azote, oxygène, soufre, du fait de la sédimentation et de la tectonique des plaques vont être de plus en plus enfouis dans le sous-sol et ainsi subir une augmentation de température et de pression conduisant à une pyrolyse avec enrichissement en carbone. Pour le charbon, selon les conditions de pyrolyse (durée, température, pression) se forment la tourbe (50 à 55% de carbone), le lignite (55 à 75% de carbone), la houille (75 à 90% de carbone) et l’anthracite (plus de 90% de carbone). Il en est de même pour le pétrole, selon l’origine géographique et les conditions de leur genèse, plusieurs types de pétrole existent des plus légers au plus lourds. Concernant le gaz naturel, la pyrolyse a été la plus avancée pour former des molécules légères gazeuses. En 2022, le pétrole couvre 30% des besoins énergétiques mondiaux suivi par le charbon (près de 28%) et le gaz naturel (23%).

La consommation mondiale de charbon en 2024 est estimée à 8,7milliards de tonnes. Le charbon est toujours utilisé de par le monde comme combustible du fait de son pouvoir calorifique élevé pour former de l’énergie thermique ou pour former de la vapeur qui produira de l’électricité dans une centrale dédiée. Contrairement aux idées reçues, l’utilisation du charbon à des fins énergétiques n’est pas l’apanage des pays émergents, les pays ‘riches’ l’utilisent également : les trois plus grands consommateurs de charbon sont la Chine (53%), l’Inde (12%) et les USA (7,2%).

Pétrole, gaz naturel ou charbon servent à produire de l’électricité dans les centrales thermiques : la combustion du combustible produit de la vapeur haute pression qui entraîne une turbine reliée à un alternateur, ce dernier envoie le courant électrique dans le réseau.

Le charbon cokéfié par pyrolyse à l’abri de l’air, est utilisé dans les usines métallurgiques pour produire de la fonte qui est transformable en acier en oxydant les éléments indésirables (carbone et résidus) au moyen d’oxygène dans un convertisseur.

Le pétrole est principalement raffiné par distillation atmosphérique ou sous vide pour conduire aux carburants automobiles (essence, gazole, gaz de pétrole liquéfié) ou aéronautiques (kérosène), à différents gaz (propane, butane) pour les emplois domestiques, au naphta (matière première de la pétrochimie), à des huiles lubrifiantes et au bitume. Le pétrole et le gaz naturel sont également utilisés en pétrochimie pour être transformer en toute une série de composés chimiques synthétiques, matières de base indispensables à la fabrication d'objets du quotidien : solvants, détergents, médicaments, engrais, pesticides, colorants et surtout toute la gamme des matières plastiques.

Les combustibles fossiles n’ont pas que des avantages :

• En brûlant ils émettent du dioxyde de carbone, un des responsables de l’effet de serre (voir en fin d’article), ainsi que des polluants atmosphériques altérant la qualité de l’air,
• Lors de l’extraction ou le transport du pétrole, les risques de déversements accidentels peuvent causer des dommages à l’environnement (marée noire par exemple),
• L’extraction de ces combustibles entraînent souvent la dégradation et/ou la destruction d’écosystèmes naturels comme les forêts ou les habitats aquatiques.

La source nucléaire : source non carbonée et non renouvelable

L’énergie nucléaire est décarbonée car elle n’émet pas ou très peu de dioxyde de carbone (6 g eq CO₂/kWh) car sa production ne nécessite pas de combustion. Cependant, elle n’est pas considérée comme renouvelable car l’uranium est une ressource limitée, dans les conditions actuelles les réserves permettraient d’alimenter les centrales durant un siècle. Par contre, ce n’est pas une énergie fossile car elle n’est pas produite à partir de combustibles riches en élément carbone.

L’énergie nucléaire fait référence à l’énergie libérée lors de la fission des noyaux d’atomes, le seul isotope fissile présent sur Terre est l’uranium 235.

La fission nucléaire est le processus dans lequel un noyau d’uranium fissile est divisé en fragments de masse plus légère après bombardement par un neutron. Cette réaction produit à son tour des neutrons qui vont entretenir une réaction en chaîne qu’il faut contrôler sous peine d’emballement. Elle libère, par perte de masse, de l’énergie thermique qui peut être utilisée dans une centrale pour produire de l’électricité. Les premiers kW nucléaires ont été produits en 1951 aux USA.

Une centrale nucléaire est généralement composée de trois entités : le réacteur siège des réactions nucléaires, la salle des machines où est produite l’électricité, la tour de refroidissement. L’eau de refroidissement du réacteur (circuit primaire), par l’intermédiaire d’un échangeur de chaleur, réchauffe l’eau du circuit secondaire pour produire de la vapeur alimentant une turbine reliée à un alternateur.

Utilisant des matières radioactives, les centrales nucléaires sont soumises à des règles strictes afin d’assurer des conditions de fonctionnement normales, de prévenir les accidents, de limiter les effets sur la population et les employés en cas d’incident ou accident. Mais malgré ces règles 3 accidents nucléaires ont eu lieu, deux étant dû à des erreurs humaines, le troisième à un événement naturel.

Trois accidents majeurs : la première centrale nucléaire à produire de l’électricité a vu le jour aux USA en 1950 (en France, centrale de Marcoule en 1966). En 2024, il y avait 440 réacteurs nucléaires en service générant 10% de l’électricité produite dans le monde. Malgré les mesures sévères appliquées au nucléaire, il y a eu 3 accidents majeurs dans le secteur du nucléaire civil.

• 28 mars 1979 : accident de Three Mile Island (PennsTrois accidents majeurs : en 2024 il y avait 440 réacteurs nucléaires en service générant 10% de l’électricité produite dans le monde. Malgré les mesures sévères appliquées au nucléaire, il y a eu 3 accidents majeurs dans le secteur du nucléaire civil.ylvanie, USA). Une panne de la pompe du circuit secondaire a fait surchauffer l’eau du circuit primaire ayant comme résultat l’arrêt automatique du réacteur. Même arrêté, le cœur produit de la chaleur due à la radioactivité des matières formant le cœur. Erreur humaine : les opérateurs arrêtent les pompes du circuit primaire causant (i) une augmentation de la température du cœur le faisant même fondre en partie et (ii) des fuites de substances radioactives par les soupapes de sécurité, se répandant dans l’enceinte de confinement.
• 26 avril 1986 : catastrophe de Tchernobyl (à l’époque république socialiste soviétique d’Ukraine). Lors d’un test de l’alimentation électrique de secours, le système d’alarme du système de refroidissement du réacteur est débranché puis l’erreur d’un opérateur fait chuter la puissance du réacteur perturbant les réactions de fission et provoquant une hausse de la température du réacteur qui se met à diverger. Les barres de contrôle n’ont pas le temps de descendre entièrement dans le cœur, tout est devenu incontrôlable, l’eau de refroidissement est décomposée en hydrogène et oxygène par radiolyse et c’est l’explosion qui soulève la dalle supérieure du réacteur d’un poids de 2000 tonnes. La partie supérieure du cœur est à l’air libre, le graphite des barres de contrôle prend feu et l’incendie durera une quinzaine de jours avec rejet dans l’atmosphère de poussières et de gaz radioactifs qui contaminent toute l’Europe. Le bilan humain a été lourd, l’OMS estime le nombre total de décès à environ 4000 à terme, ce nombre est fortement contesté par divers organismes non gouvernementaux. Des enquêtes ont ensuite été menées montrant de nombreux défauts de conception du réacteur et surtout un manque de respect des règles de conduite et une violation des règles de sécurité en neutralisant d’importants systèmes de sécurité. Depuis un sarcophage isole l’ancien réacteur afin de confiner les matières radioactives.
• 11 mars 2011 : accident nucléaire de Fukushima (Japon). Le 11 mars 2011 un violent séisme sous-marin de magnitude 9,1 survient dans le Pacifique sud à 130 km de la côte est du japon. S’en suit un violent tsunami qui déferle sur le Japon avec une vague de 30 mètres de hauteur faisant 15900 morts par noyade et 2500 personnes disparues. La vague a également atteint la centrale de Fukushima et submergé les installations ainsi que les groupes électrogènes de secours. Plus d’électricité veut dire plus de système de refroidissement, plus de renseignements sur l’état des installations. L’eau de refroidissement des 3 réacteurs commence à s’évaporer, la pression augmente et la puissance des réactions de fission engendre la fusion partielle des cœurs. Afin de diminuer la pression, un dégazage a lieu et les gaz, riches en hydrogène, explosent en arrivant à l’air libre sur 3 jours d’intervalle. Les réacteurs sont volontairement refroidis avec de l’eau douce et des milliers de mètres cubes d’eau radioactive sont rejetés en mer. Fin 2011 la stabilisation de la température dans les cuves est atteinte.

Et dans l’avenir ?

Filière thorium : la surgénération permet de valoriser en tant que combustible nucléaire des matières fertiles comme l’uranium 238 ou le thorium qui est 3 fois plus abondant que l’uranium. Pour devenir combustible, le thorium doit absorber 1 neutron puis par l’intermédiaire de deux réactions de désintégration nucléaire conduit à de l’uranium 233, isotope fissile. Cependant, cette filière n’est encore qu’au stade de la recherche notamment en Chine, en France, en Inde et aux USA.

Fusion nucléaire :

la fusion nucléaire est une réaction entre deux noyaux atomiques conduisant à la formation d’un noyau plus lourd. Cette réaction libère une quantité d’énergie colossale. L’utilisation de ce type de réaction nucléaire n’est actuellement que d’ordre militaire (bombe H). La production d’énergie par fusion n’est pas encore opérationnelle, un prototype international (ITER) est en cours de construction à Saint-Paul-lès-Durance financé par l’Europe, la Chine, la Corée du Sud, l’Inde, le Japon, la Russie et les USA, sa mise en service est prévue courant 2033. Le principe repose sur la fusion de noyaux de deutérium (isotope de l’hydrogène abondant dans la nature) et de tritium (produit à partir du lithium) pour produire de l’hélium. La principale difficulté provient du fait qu’il faut créer et maintenir une température de plusieurs millions de degrés dans un espace confiné afin que les noyaux puissent entrer en collision les uns avec les autres. Un des avantages de la fusion serait de ne produire que des déchets faiblement radioactifs.

Effet de serre :

L'effet de serre est un phénomène naturel, c’est grâce à lui que la vie est possible sur Terre. Notre planète reçoit en permanence de l’énergie sous forme de rayonnement (240W/m² en moyenne). Une partie (30%) est réfléchie vers l’espace par l’atmosphère et les nuages et par la surface de la Terre. Les 70% restants vont être absorbés, 50% par le sol et 20% par l’atmosphère, la conséquence de cette absorption d’énergie est le réchauffement de la Terre. La Terre réchauffée va émettre comme tout corps chaud pour se refroidir, de la vapeur d’eau vers l’atmosphère depuis les océans ainsi qu’un rayonnement infra-rouge vers l’atmosphère et l’espace. Ce refroidissement est nettement ralenti par la présence des gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère et notamment la vapeur d’eau et le gaz carbonique. Nous avons tous ressenti par temps clair et sec un net refroidissement la nuit faisant condenser l’eau sous forme de rosée ou de givre. Ce phénomène est accentué dans les déserts très sec comme le Sahara : 40°C le jour, moins de 0°C la nuit. Lorsque la météo est moins clémente, les choses sont différentes : le rayonnement infra-rouge est en partie piégé par les molécules de gaz à effet de serre qui renvoient leur énergie dans l’atmosphère et vers le sol. C’est ce qui explique que la température moyenne du globe est de 15°C au lieu de -18°C sans effet de serre. La vapeur d’eau et les nuages sont responsables de 72% de l’effet de serre, le gaz carbonique de 28%.

Mais comme toutes les bonnes choses, un excès est néfaste. Depuis la révolution industrielle, la consommation d’énergie est croissante ce qui a pour effet une émission de plus en plus élevée de gaz carbonique (CO₂), de protoxyde d’azote (NO₂), d’ozone (O₃) : plus de gaz à effet de serre provoque plus d’énergie renvoyée vers la Terre donc un réchauffement plus important, il est actuellement de 1,2°C au niveau mondial par rapport à la température moyenne de 1890. 1,2°C ce n’est pas beaucoup, mais cela engendre déjà des modifications climatiques comme par exemple : océans plus chauds implique une évaporation de l’eau plus importante donc des pluviométries plus fortes avec des risques d’inondation accrus. Le temps presse mais il est encore temps d’agir tant au niveau des Etats qu’au niveau individuel, les solutions existent :

• Ne plus extraire de combustibles fossiles
• Réduire les émissions de méthane
• Développer et utiliser les énergies renouvelables
• Abandonner l’utilisation de combustibles fossiles
• Planter plus d’arbres
• Nouvelles technologies pour éliminer les gaz à effet de serre
• Aider financièrement les pays les plus pauvres afin de les aider à lutter contre le réchauffement climatique

Les principaux gaz à effet de serre (hors vapeur d’eau) :

• Dioxyde de carbone (CO₂) : ce gaz contribue pour 2/3 de l’augmentation de l’effet de serre, il provient principalement de la combustion du gaz ou du pétrole, de la déforestation et d’industrie comme les cimenteries et les aciéries. Sa durée de vie dans l’atmosphère est supérieure à 100 ans.
• Méthane (CH₄) : Ce gaz provient de l’élevage des ruminants, des rizières inondées, des décharges d’ordures ménagères et des exploitations pétrolière et gazière. Sa durée de vie est de l’ordre de 12 ans dans l’atmosphère. Il possède un pouvoir de réchauffement 25 fois plus important que celui du gaz carbonique.
• Le protoxyde d’azote (N₂O) : ce gaz provient des engrais azotés et de certains produits chimiques azotés. Sa durée de vie dans l’atmosphère est de l’ordre de 120 ans. Il possède un pouvoir de réchauffement 300 fois plus important que celui du gaz carbonique.
• L’hexafluorure de soufre (SF₆) : gaz largement utilisé dans l’industrie électrique (isolant et moyen de refroidissement dans les transformateurs). Sa durée de vie dans l’atmosphère est de l’ordre de 50000 ans. Il possède un pouvoir de réchauffement 23000 fois plus important que celui du gaz carbonique.

En France, chaque habitant produisait en 2022, 4,1 tonnes de dioxyde de carbone (6,5 tonnes en 1990).

Quelques références :

Les énergies fossiles : définition, sources et exemples

Les énergies fossiles : définition, sources et exemples

Énergies Fossiles : définition, usages, consommation, impact

https://www.connaissancedesene...

Tout comprendre sur : les énergies fossiles | National Geographic

Effet de serre — Wikipédia

Effet de serre : définition et conséquences sur l'environnement

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