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Chapitre 2 : intro à la physique
Exergie - Anergie
En thermodynamique, l'exergie est une grandeur permettant de calculer le travail maximal que peut
fournir un système à l'extérieur lorsqu'il se met à l'équilibre thermodynamique avec son environne-
ment. Le travail maximum récupérable est ainsi égal à l'opposé de la variation d'exergie au cours de
la transformation.
Si l'énergie ne peut que se transformer sans jamais se détruire (voir 1er principe de la thermodyna-
mique), l'exergie ne peut en revanche que diminuer dans les transformations réelles. L'exergie dé-
truite au cours d'une réaction est appelé anergie. Ce phénomène est lié à l'entropie du système et de
son environnement, qui ne peut qu'augmenter au cours d'une transformation réelle, non réversible.
Rayonnement solaire
Le rayonnement solaire est l'ensemble du rayonnement émis par le Soleil. En plus des rayons cos-
miques, particules animées d'une vitesse et d'une énergie extrêmement élevées, le Soleil émet des
ondes électromagnétiques dont le spectre s'étend des ondes radio aux rayons gamma, en passant
par la lumière visible. Arrivé au niveau de la mer, c'est-à-dire ayant traversé toute l'atmosphère ter-
restre, le rayonnement solaire a subi plusieurs « filtrations ». On peut repérer notamment sur le
spectre ci-contre les bandes d'absorption de l'ozone (connu pour stopper une bonne partie des ultra-
violets), du dioxygène, du dioxyde de carbone et de l'eau. L'intensité du rayonnement n'est pas cons-
tante et augmente énormément lors des éruptions solaires pendant les maxima du cycle solaire.
À titre d'information, 2 kWh est la quantité d’énergie nécessaire pour alimenter une ampoule de
100W pendant 20 heures ou un séchoir à cheveux de 2000 W pendant 1 heure. 2 600 « Calories » par
jour, cela fait environ 3 kWh par jour. L’essentiel de cette énergie finit par s’échapper du corps sous
forme de chaleur ; autrement dit, une des fonctions d’une personne typique est d’agir comme un
radiateur avec une production d’un peu plus de 100 W, soit une ampoule classique de moyenne puis-
sance.
Chapitre 4 : énergies fossiles I
Charbon
Le charbon est un kérogène formé à partir de la dégradation de la matière organique des végétaux. Il
reste le combustible fossile le plus utilisé dans le monde. Au cours de plusieurs millions d'années,
l'accumulation et la sédimentation de débris végétaux dans un environnement de type tourbière
provoque une modification graduelle des conditions de température, de pression et d'oxydo-
réduction dans la couche de charbon qui conduit, par carbonisation, à la formation de composés de
plus en plus riches en carbone : la tourbe (50 à 55 %), le lignite (55 à 75 %), la houille (75 à 90 %) et
l'anthracite (> 90 %).Le charbon est une roche sédimentaire combustible composée essentiellement
de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Il se forme sur plusieurs millions d'années à partir de l'accu-
mulation de débris végétaux qui vont sédimenter et carboniser progressivement suite à une modifi-
cation graduelle des conditions de température et de pression.
Pétrole
Le pétrole est un produit de l'histoire géologique d’une région3, et particulièrement de la succession
de trois conditions :
 L'accumulation de matière organique, végétale essentiellement ;
 Sa maturation en hydrocarbures ;
 Son emprisonnement.
Gaz naturel
Le gaz naturel est un combustible fossile composé d'un mélange d'hydrocarbures présent naturelle-
ment dans des roches poreuses sous forme gazeuse. Avec 23 % de l'énergie consommée en 2005, le
gaz naturel est la troisième source d'énergie la plus utilisée dans le monde après le pétrole (37 % en
2005) et le charbon (24 % en 2005). Il existe plusieurs formes de gaz naturel, se distinguant par leur

origine, leur composition et le type de réservoirs dans lesquels ils se trouvent. Néanmoins, le gaz est
toujours composé principalement de méthane et issu de la désagrégation d'anciens organismes vi-
vants. Aux différents types de gaz naturels cités ci-après, on pourrait adjoindre le biogaz, ou biomé-
thane, un substitut renouvelable issu de la décomposition de certains déchets de l'activité anthro-
pique.
The efficiency paradox
Le paradoxe de Jevons, baptisé du nom de l'économiste britannique William Stanley Jevons, énonce
qu'à mesure que les améliorations technologiques augmentent l'efficacité avec laquelle une res-
source est employée, la consommation totale de cette ressource peut augmenter au lieu de dimi-
nuer. En particulier, ce paradoxe implique que l'introduction de technologies plus efficaces en ma-
tière d'énergie peut, dans l'agrégat, augmenter la consommation totale de l'énergie.
Effet de serre
L'effet de serre est un processus naturel qui, pour une absorption donnée d'énergie électromagné-
tique, provenant du Soleil (dans le cas des corps du système solaire) ou d'autres étoiles (dans le cas
général), contribue à augmenter la température de surface par rapport à une situation « sans effet
de serre » (corps noir). On le retrouve sur différents objets célestes dans le système solaire, notam-
ment sur Terre et sur Vénus.
Son principe est que l'atmosphère laisse passer des rayonnements solaires (de jour seulement), que
le sol absorbe et réémet vers le haut (de jour comme de nuit) sous forme d'autres rayonnements qui
sont cette fois absorbés par l'atmosphère, ce qui la réchauffe et la fait renvoyer vers le sol une partie
de l'énergie qui s'en échappait, contribuant à réduire la perte de chaleur donc à augmenter la tempé-
rature du sol.
Cycle de Carnot
Le cycle de Carnot est un cycle thermodynamique idéal constitué de quatre processus réversibles :
une détente isotherme, une détente adiabatique (donc isentropique car réversible), une compres-
sion isotherme, et une compression adiabatique. C'est le cycle le plus efficace pour obtenir du travail
à partir de deux sources de chaleur de températures constantes ; le cycle inverse est le moyen le plus
efficace de transférer de la chaleur d'une source froide à une source chaude à partir d'une source de
travail. L'efficacité des autres cycles et des machines réelles est comparée à celle du cycle de Carnot
par le biais du rendement, un nombre sans dimension compris entre 0 (efficacité nulle) et 1 (efficaci-
té parfaite).
Machine à vapeur
La machine à vapeur est une invention dont les évolutions les plus significatives datent du
XVIIIe siècle. C'est un moteur thermique à combustion externe. Il transforme l'énergie thermique que
possède la vapeur d'eau fournie par une ou des chaudières en énergie mécanique.
Comme première source d'énergie mécanique constructible et maîtrisable par l'Homme (contraire-
ment à l'énergie de l'eau, des marées ou du vent, qui nécessitent des sites spéciaux et que l'on ne
peut actionner facilement à la demande), elle a eu une importance majeure lors de la Révolution
industrielle. Mais au XXe siècle, la machine à vapeur « alternative » a été supplantée par la turbine à
vapeur. Le moteur électrique et le moteur à combustion interne l'ont aussi remplacée dans la mise à
disposition d'énergie mécanique.
Turbine à vapeur
La turbine à vapeur est un moteur thermique à combustion externe, fonctionnant selon le cycle
thermodynamique dit de Clausius-Rankine. Ce cycle se distingue par le changement d’état affectant
le fluide moteur qui est en général de la vapeur d'eau.

Chapitre 5 énergies renouvelables I
Cycle carbone
Le cycle du carbone est le cycle biogéochimique (ensemble des échanges d'une élément chimique)
du carbone sur une planète.
Celui de la Terre est rendu plus complexe par l'existence d'importante masses d'eau océaniques, et
surtout par le fait que la vie (et donc les composés carbonés qui en sont le substrat) y tient une place
importante.
Il existe quatre réservoirs de carbone : l'hydrosphère, la lithosphère, la biosphère et l'atmosphère. La
plus grande partie du carbone terrestre est piégé dans des composés qui participent peu au cycle :
roches sous forme de carbonates et océan profond. L'essentiel du cycle se fait entre l'atmosphère,
les couches superficielles du sol et des océans, et la biosphère (biomasse) et nécromasse).
En mer, le carbone est surtout stocké sous forme de carbonate et de biomasse planctonique.
Sur les continents, les tourbières, prairies et forêts, mais aussi certains sols jouent un rôle plus ou
moins important de stockage de carbone ou de puits de carbone.
Biomasse
La biomasse est le terme qui, en écologie, désigne la masse totale d'organismes vivants dans un bio-
tope déterminé à un moment donné. Elle peut être estimée par unité de surface s'il s'agit d'un milieu
terrestre ou bien par unité de volume s'il s'agit d'un milieu aquatique
Par extension, on appelle aussi biomasse la quantité d'individus de chaque étape de la chaîne alimen-
taire nécessaire pour que le mangeur final prenne une unité de poids.
Energie solaire thermique
L'énergie solaire thermique est la transformation du rayonnement solaire en énergie thermique.
Cette transformation peut être soit utilisée directement (pour chauffer un bâtiment par exemple) ou
indirectement (comme la production de vapeur d'eau pour entraîner des alternateurs et ainsi obtenir
une énergie électrique). En utilisant la chaleur transmise par rayonnement plutôt que le rayonne-
ment lui-même, ces modes de transformation d'énergie se distinguent des autres formes d'énergie
solaire comme les cellules photovoltaïques.
Energie hydraulique
L'énergie hydraulique est l'énergie fournie par le mouvement de l'eau, sous toutes ses formes :
chute, cours d'eau, courant marin, marée, vagues. Ce mouvement peut être utilisé directement, par
exemple avec un moulin à eau, ou plus couramment être converti, par exemple en énergie électrique
dans une centrale hydroélectrique.
L'énergie hydraulique est en fait une énergie cinétique dans le cas des courants marins ou des cours
d'eau, des marées, des vagues, et une énergie potentielle dans le cas des chutes d'eau et barrages.
Centrale hydroélectriques
L'énergie hydroélectrique, ou hydroélectricité, est une énergie électrique renouvelable obtenue par
conversion de l'énergie hydraulique, des différents flux d'eau naturels1, en électricité. L'énergie ciné-
tique du courant d'eau est transformée en énergie mécanique par une turbine, puis en énergie élec-
trique par un alternateur.
En 2011, l’hydroélectricité représente environ 16 % de la production mondiale d’électricité et pos-
sède de nombreux atouts. C'est une énergie renouvelable, d'un faible coût d'exploitation et qui est
responsable d'une faible émission de gaz à effet de serre. Elle présente toutefois des inconvénients
sociaux et environnementaux particulièrement dans le cas des barrages implantés dans les régions
non montagneuses : déplacements de population, éventuellement inondations de terres agricoles,
modifications des écosystèmes aquatiques et terrestre, blocage des alluvions…
Troisième source de production d'électricité en Europe, l’hydroélectricité est amenée à se dévelop-
per en intégrant la protection des ressources piscicoles et en s’articulant avec d’autres énergies re-
nouvelables comme l’éolien ou d’autres systèmes hybrides (par exemple avec l’hydrogène).

Pompage - turbinage
Le pompage-turbinage est une technique de stockage de l'énergie électrique. Elle repose sur le prin-
cipe de pomper de l'eau pour la stocker dans des bassins d'accumulation lorsque la demande d'éner-
gie est faible — c'est le pompage — afin de turbiner cette eau plus tard pour produire de l'électricité
lorsque la demande est forte — c'est le turbinage.
Hauteur de chute
La hauteur de chute, dans le contexte d'une centrale hydro-électrique, est la différence d'altitude
entre le niveau de l'eau en amont et la turbine hydraulique.
Une hauteur de chute importante augmente la puissance qu'on peut extraire du cours d'eau. Les
barrages permettent d'augmenter la hauteur de chute en créant un réservoir artificiel en amont de la
centrale.
On classe les ouvrages en fonction de leur hauteur de chute maximale:
 les hautes chutes, plus de 200 mètres;
 les moyennes chutes, entre 50 et 200 mètres;
 les basses chutes, de moins de 50 mètres.
Le type de turbine hydraulique qui peut être installé dans une centrale dépend de sa hauteur de
chute.
Chapitre 7 énergies renouvelables II
Energie des vagues
L'énergie des vagues ou énergie houlomotrice est une énergie marine utilisant la puissance du mou-
vement des vagues de houle.
La faisabilité de son exploitation a été étudiée, en particulier en Angleterre : le système, couplé à des
dispositifs flottants ou à des ballons déplacés par des vagues dans une structure en béton en forme
d'entonnoir, produirait de l'électricité. Les nombreux problèmes pratiques rencontrés ont contrarié
les différents projets.
Energie éolienne
L’énergie éolienne est l’énergie du vent et plus spécifiquement, l’énergie directement tirée du vent
au moyen d’un dispositif aérogénérateur ad hoc comme une éolienne ou un moulin à vent. L’énergie
éolienne est une des formes d'énergie renouvelable.
L’énergie éolienne peut être utilisée de trois manières :
 Conservation de l’énergie mécanique : le vent est utilisé pour faire avancer un véhicule (na-
vire à voile ou char à voile), pour pomper de l’eau (moulins de Majorque, éoliennes de pom-
page pour irriguer ou abreuver le bétail) ou pour faire tourner la meule d’un moulin ;
 Transformation en force motrice (pompage de liquides, compression de fluides...) ;
 Production d'énergie électrique ; l’éolienne est alors couplée à un générateur électrique pour
fabriquer du courant continu ou alternatif. Le générateur est relié à un réseau électrique ou
bien fonctionne au sein d'un système « autonome » avec un générateur d’appoint (par
exemple un groupe électrogène) et/ou un parc de batteries ou un autre dispositif de stock-
age d'énergie.
Eolienne
Une éolienne est un dispositif qui transforme l'énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Le
plus souvent cette énergie est elle-même transformée en énergie électrique. Les éoliennes produi-
sant de l'électricité sont appelées aérogénérateurs, tandis que les éoliennes qui pompent directe-
ment de l'eau sont parfois dénommées éoliennes de pompage, dont un type particulier est l'éolienne
Bollée.
Les termes de parc éolien ou de ferme éolienne sont utilisés pour décrire les unités de production
groupées (installées à terre ou en mer).
Les États dans le monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont la Chine, l'Allemagne,
l'Espagne, les États-Unis et le Danemark.

Une éolienne se compose des éléments suivants :
 Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement
(nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) ou placer ce rotor à une hauteur lui permet-
tant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite géné-
ralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande,
multiplicateur, générateur, etc.).
 Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneuma-
tiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de
la machine. La nacelle peut tourner pour orienter la machine dans la bonne direction.
 Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne, fixé à la na-
celle. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il est branché directement ou indirectement
(via un multiplicateur de vitesse à engrenages) au système mécanique qui utilisera l'énergie
recueillie (pompe, générateur électrique...).
Des éléments annexes, comme un poste de livraison pour injecter l'énergie électrique produite au
réseau électrique, complètent l'installation.
Energie solaire photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque est une énergie électrique produite à partir du rayonnement solaire
qui fait partie des énergies renouvelables. La cellule photovoltaïque est un composant électronique
qui est la base des installations produisant cette énergie. Elle fonctionne sur le principe de l'effet
photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre elles sur un module solaire photovoltaïque,
plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de
l'électricité qui peut être consommée sur place ou alimenter un réseau de distribution.
Cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), pro-
duit de l’électricité grâce à l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. La tension obte-
nue est fonction de la lumière incidente. La cellule photovoltaïque délivre une tension continue.
Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principale-
ment à base de silicium (Si) et plus rarement d’autres semi-conducteurs : séléniure de cuivre et
d'indium (CuIn(Se)2 ou CuInGa(Se)2), tellurure de cadmium (CdTe), etc. Elles se présentent générale-
ment sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, Les cellules sont souvent
réunies dans des modules solaires photovoltaïques ou panneaux solaires, en fonction de la puissance
recherchée.
Semi-conducteur et silicium
Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour
lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant électrique, quoique faible, est
suffisamment importante. En d'autres termes, la conductivité électrique d'un semi-conducteur est
intermédiaire entre celle des métaux et celle des isolants.
Le comportement électrique des semi-conducteurs est généralement modélisé à l'aide de la théorie
des bandes d'énergie. Selon celle-ci, un matériau semi-conducteur possède une bande interdite suffi-
samment petite pour que des électrons de la bande de valence puissent facilement rejoindre la
bande de conduction. Si un potentiel électrique est appliqué à ses bornes, un faible courant élec-
trique apparait, provoqué à la fois par le déplacement des électrons et par celui des « trous » qu'ils
laissent dans la bande de valence.
Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus utilisé commercialement, du fait de ses bonnes
propriétés, et de son abondance naturelle même si il existe également des dizaines d'autres semi-
conducteurs utilisés, comme le germanium, l'arséniure de gallium ou le carbure de silicium.
Cellule de Grätzel
Il s’agit d’un système photoélectrochimique inspiré de la photosynthèse végétale constitué d’un élec-
trolyte donneur d’électron (analogue à l’eau dans la photosynthèse) sous l’effet d’un pigment excité
par le rayonnement solaire (analogue à un pigment photosynthétique tel que la chlorophylle). La
force électromotrice de ce système vient de la rapidité avec laquelle l’électrolyte compense