Fondations : l'énergie vue de l'industrie

Un site industriel ne consomme pas « de l'énergie » : il transforme des vecteurs, son compteur en mesure les flux, et cette transformation se lit en coûts et en émissions. Avant d'optimiser quoi que ce soit, il faut poser le vocabulaire qui commande tout le reste : énergie, puissance, unités, énergie finale et primaire, gaz à effet de serre.

Cette série décrypte les problématiques énergétiques que rencontrent les entreprises aujourd'hui, avec le regard d'un industriel. Je suis ingénieur, je côtoie l'industrie depuis plus de 25 ans : c'est cet éclairage de terrain que j'apporte.

L'énergie

L'énergie, c'est la grandeur qui caractérise le changement d'état d'un système.¹ Dès que quelque chose change autour de nous, de l'énergie entre en jeu, et sa mesure dit l'ampleur de la transformation. Deux formes en particulier :

mécanique, le travail d'une force qui déplace son point d'application ;
thermique, la chaleur, souvent décrite comme une forme dégradée de l'énergie.

Le travail et la chaleur ne sont pas des variables d'état, contrairement à la température ou à la pression : ce sont des grandeurs qui n'apparaissent que lorsqu'on transforme un système, qu'on le fait passer d'un état à un autre.

Le principe de conservation

« Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » La formule est de Lavoisier, et elle portait sur la matière. Transposée à l'énergie, elle donne le premier principe de la thermodynamique : la quantité totale d'énergie d'un système isolé reste constante. L'énergie ne disparaît jamais, elle change de forme.

Sur un site industriel, la conséquence est directe. Toute l'énergie qui entre sur le site, sous forme électrique ou de combustible fossile, ressort quelque part, en travail utile ou en chaleur perdue. La vraie question n'est donc pas de savoir si l'énergie se perd, mais sous quelle forme elle se dégrade, et quelle part reste exploitable.

C'est pour cela que parler de « producteur d'énergie » n'est pas tout à fait exact : un électricien est un transformateur d'énergie, une compagnie pétrolière un extracteur. Aucune activité humaine ne crée une énergie qui n'existait pas.¹

La puissance

La puissance est la quantité d'énergie fournie par un système à un autre, par unité de temps.

L'énergie s'apparente donc à un volume (le réservoir d'eau ou la baignoire), la puissance à un débit (l'ouverture du robinet). On fournit une certaine puissance pendant un certain temps pour obtenir une quantité d'énergie donnée, exactement comme on tire un débit d'eau pendant un temps donné pour remplir un volume. Une même quantité d'énergie s'obtient avec une puissance faible pendant longtemps, ou une puissance élevée pendant peu de temps.

Les unités d'énergie et de puissance

L'unité d'énergie du Système international est le joule (J) : le travail d'une force de 1 N qui déplace son point d'application de 1 m, donc 1 J = 1 N·m.² C'est une unité « très petite » : l'énergie nécessaire à un homme de 80 kg pour monter sur une chaise de 50 cm vaut environ 80 × 10 × 0,5 = 400 J. On parle donc régulièrement de kJ, MJ, GJ, TJ, etc.

Remarque : l'unité de pression est le pascal (Pa), qui vaut 1 N/m², soit 1 N·m/m³ = 1 J/m³. La pression est donc assimilable à de l'énergie par unité de volume.

L'unité de puissance est le watt (W) : la puissance d'un système qui transforme une énergie de 1 joule en 1 seconde, donc 1 W = 1 J/s. C'est également une unité « très petite ». En pratique, on parle plutôt de kW, MW, GW, TW, etc.

Il existe d'autres unités d'énergie, comme la calorie (cal), l'énergie nécessaire pour élever de 1 °C un gramme d'eau, qui vaut 4,18 J.

Attention : la « Calorie » alimentaire (avec un C majuscule, ou kcal) vaut 1 000 cal, soit 4 184 J.

L'unité la plus souvent utilisée pour l'énergie reste le kilowattheure (kWh), avec 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3,6 MJ. En pratique, l'énergie se compte surtout en kWh, MWh et GWh.

Il existe aussi d'autres unités de puissance, comme le cheval-vapeur (CV), qui vaut environ 736 W, soit 1 kW = 1,36 CV.

Attention à ne pas confondre kW et kWh, erreur courante pour les batteries de voiture : la capacité d'une batterie s'exprime en kWh (c'est le réservoir), sa puissance de recharge en kW (c'est le débit, l'ouverture du robinet).

Sur une batterie, la capacité s'affiche souvent en ampères-heures (Ah), pas en kWh. Attention : l'Ah mesure une quantité de charge électrique, pas une énergie. Pour obtenir l'énergie, il faut la multiplier par la tension. Une batterie de 100 Ah en 48 V stocke 100 × 48 = 4 800 Wh = 4,8 kWh. Deux batteries de même capacité en Ah n'ont donc pas la même énergie si leurs tensions diffèrent.

Ordres de grandeur

Pour fixer les idées, une même quantité d'énergie, environ 2 à 3 kWh, s'obtient de façons très diverses :

monter une falaise de 10 000 m : 75 kg × 10 N/kg × 10 000 m ≈ 2,08 kWh ;
une ampoule de 50 W allumée 4 h par jour pendant deux semaines : 50 W × 4 h × 14 = 2,80 kWh ;
une voiture de 100 kW qui accélère à fond pendant 1 min 30 : 100 kW × 90 s = 2,50 kWh ;
la même voiture roulant normalement 3 km à 50 km/h : 35 kW × 3/50 h = 2,10 kWh ;
une ration alimentaire journalière de 2 000 kcal : 2 000 × 4,187 kJ / 3 600 = 2,32 kWh.

À l'échelle du mégawattheure (1 MWh = 1 000 kWh)³ :

l'alimentation d'une personne pendant un peu plus d'un an ;
la consommation annuelle de 3 à 4 lave-vaisselles ;
celle d'un conditionnement d'air domestique ;
4 fois moins que la consommation électrique annuelle d'une maison ;
10 fois moins que la consommation annuelle d'une voiture thermique ;
25 fois moins que le chauffage annuel d'une maison ;
6 000 fois moins que la consommation électrique annuelle d'un hôpital ;
500 à 250 000 fois moins que la consommation électrique annuelle d'un gros site industriel ;
7 500 000 fois moins que la production annuelle d'une centrale nucléaire.

Énergie finale et énergie primaire

Un site ne consomme pas « de l'énergie » en général, mais des vecteurs précis, et son compteur mesure de l'énergie finale : celle qui est livrée à l'entrée du site, prête à l'emploi. L'énergie primaire est celle contenue dans la ressource avant transformation.⁴ Entre les deux, la chaîne de production et de distribution, et ses pertes.

Concrètement :

l'énergie primaire, c'est ce que l'on puise dans la nature : pétrole, gaz naturel, charbon, uranium, mais aussi le soleil, le vent, l'eau, la biomasse, la traction animale ;
l'énergie finale, c'est ce qui arrive au site après transformation : électricité, carburants raffinés, gaz distribué, hydrogène, etc.

Pourquoi les distinguer ? Parce qu'un site achète de l'énergie finale, mais que la consommation et les émissions amont se lisent en énergie primaire. Pour comparer des flux de natures différentes (kWh, litres, Nm³), on comptabilise d'abord les consommations dans leur unité physique, puis on les convertit en énergie via des coefficients : le pouvoir calorifique pour les combustibles, des conventions de rendement pour l'électricité. Sans cette remise à plat, aucune comparaison n'est possible.

Pouvoir calorifique : le PCS (pouvoir calorifique supérieur) est l'énergie totale dégagée par la combustion, vapeur d'eau comprise ; le PCI (pouvoir calorifique inférieur) exclut la chaleur récupérable par condensation de cette vapeur. Le PCS est donc toujours supérieur au PCI, d'environ 10 % pour le gaz naturel, qui est facturé en PCS.

Comptage de l'électricité : passer de l'électricité à l'énergie primaire suppose une convention, car toute production a des pertes. La réglementation européenne retient un facteur de 1,9 kWh primaires par kWh électrique, en baisse depuis la valeur de 2,5 longtemps appliquée.⁵ D'autres conventions, comme celle de l'AIE pour le contenu physique, montent plus haut selon le mix : comparer un site électrique à un site gaz sans préciser la convention revient à comparer deux choses différentes.

Émissions de gaz à effet de serre

Consommer de l'énergie, c'est transformer un système, et presque toujours rejeter des gaz à effet de serre (GES) dans l'atmosphère. La combustion d'un combustible fossile sur le site libère du CO₂ directement, c'est le scope 1 ; l'électricité, elle, en a fait libérer en amont selon la façon dont elle a été produite, c'est le scope 2.⁶ Pour ce dernier, on applique le mix électrique du réseau : en Belgique, environ 0,13 kg CO₂e par kWh en 2024, un réseau peu carboné grâce au nucléaire et aux renouvelables.⁷ Énergie et climat se lisent donc au même compteur.

Ces GES ne se limitent pas au CO₂. Pour les agréger, chacun est converti en équivalent CO₂ (CO₂e) via son pouvoir de réchauffement global (PRG),⁸ exprimé sur un horizon donné, souvent 100 ans. Les principaux entrent dans deux familles :

les gaz carbonés et azotés : dioxyde de carbone (CO₂), méthane (CH₄), protoxyde d'azote (N₂O) ;
les gaz fluorés : hydrofluorocarbures (HFC), perfluorocarbures (PFC) et hexafluorure de soufre (SF₆).

On distingue ensuite deux origines :

les émissions énergétiques, liées à la combustion des vecteurs énergétiques (gaz, fioul, électricité consommée) ;
les émissions de procédé, propres au process : calcination, réactions chimiques, fuites de gaz réfrigérants, etc.

Pour l'énergie, les facteurs d'émission sont le plus souvent conventionnels : fixés pour une durée déterminée et imposés à tous, afin que les sites restent comparables. Un site qui dispose de valeurs spécifiques mesurées (par exemple sous ETS, le marché européen des quotas) peut les utiliser, mais doit alors ajuster ses calculs pour tenir compte des variations annuelles.

Footnotes

Jean-Marc Jancovici, « L'énergie, de quoi s'agit-il exactement ? », jancovici.com, 2011 (mis à jour 2018). https://jancovici.com/transition-energetique/l-energie-et-nous/lenergie-de-quoi-sagit-il-exactement/ ↩ ↩²
BIPM, Le Système international d'unités (SI), 9ᵉ édition, 2019 (définitions du joule et du watt ; la calorie est une unité hors SI). https://www.bipm.org/en/publications/si-brochure ↩
Ordres de grandeur reconstitués à partir de la production électronucléaire (AIEA, Power Reactor Information System) et des statistiques de consommation des ménages (Ember / Eurostat). https://pris.iaea.org/PRIS/home.aspx ; https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Energy_consumption_in_households ↩
AIE, « Understanding and using the Energy Balance », iea.org (méthodologie alignée sur les International Recommendations for Energy Statistics des Nations unies ; distinction approvisionnement en énergie primaire / consommation finale). https://www.iea.org/commentaries/understanding-and-using-the-energy-balance ↩
Règlement délégué (UE) 2023/807 de la Commission du 15 décembre 2022 (facteur d'énergie primaire de l'électricité : coefficient par défaut de 1,9, en remplacement de la valeur antérieure de 2,5). https://eur-lex.europa.eu/eli/reg_del/2023/807/oj ↩
GHG Protocol, A Corporate Accounting and Reporting Standard (Revised Edition), 2004 (définition des scopes 1 et 2). https://ghgprotocol.org/corporate-standard ↩
Ember via Our World in Data, « Carbon intensity of electricity » (intensité carbone du cycle de vie ; Belgique : ~127 g CO₂e/kWh en 2024). https://ourworldindata.org/grapher/carbon-intensity-electricity ↩
GHG Protocol, Global Warming Potential Values, août 2024, d'après le sixième rapport d'évaluation du GIEC (AR6, PRG à 100 ans). https://ghgprotocol.org/sites/default/files/2024-08/Global-Warming-Potential-Values%20%28August%202024%29.pdf ↩