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L’énergie thermique : comment ça marche et à quoi sert ce type d’énergie ?

L’énergie thermique se définit comme de la chaleur produite par différents processus (physique, chimique, mécanique et nucléaire). Au quotidien, l’énergie thermique peut être transformée en énergie électrique et servir, de fait, à nous alimenter en électricité. Comment est produite l’énergie thermique ? Quels sont les sources d’énergies thermiques ? Et ses multiples usages ? Focus de Choisir.com.

Energie thermique, lever de soleil sur une centrale

Qu’est-ce que l’énergie thermique ?

L’énergie thermique est présente partout et dans des endroits parfois insoupçonnés.

Définition de l’énergie thermique

L’énergie thermique peut se définir à deux niveaux :

  • au niveau microscopique, l’énergie thermique est issue des déplacements des atomes et des molécules constituant un corps solide, un corps liquide ou un gaz. Plus ce mouvement cinétique est important, plus on dit qu’il y a de température et donc de chaleur (énergie thermique) produite. On définit simplement l’énergie thermique comme l’accumulation d’énergie dans un corps lorsque sa température augmente ;
  • au niveau macroscopie, nous pouvons prendre un exemple commun tel qu’une casserole d’eau sur le feu :
    • l’allumage de la plaque de cuisson, via la combustion du gaz naturel/manette électrique, crée du feu/chaleur sur la plaque,
    • sous l’action du feu/chaleur, l’eau contenue dans la casserole va chauffer et monter en température. En d’autres termes, l’énergie du feu va se transférer à l’eau de la casserole. On dit qu’il y a transfert thermique d’un corps à un autre. La manifestation de l’énergie thermique provient d’un transfert thermique.

La définition de l’énergie thermique est donc la quantité d’énergie contenue dans un corps selon sa masse et sa température.

Sur ce point, il est utile de souligner la distinction réelle entre la température et la chaleur, des termes souvent confondus :

  • la température est une mesure de l’intensité du mouvement moléculaire d’un corps qui produit donc de la chaleur. La température d’un corps solide, liquide ou gazeux s’exprime par différents indices : le degré Celsius, le degré Kelvin, le degré Fahrenheit ;
  • la chaleur qui se définit comme un transfert thermique entre deux corps (solide, liquide ou gazeux) de température différente. Le transfert thermique s’effectue toujours du corps chaud vers le corps froid.

Comment se mesure l’énergie thermique ?

L’énergie thermique, dont le symbole en physique est Q, se mesure principalement en Joules, l’indice d’énergie de référence internationale. Même si le wattheure et l’électron-volt sont aussi employés.

La formule de calcul de l’énergie thermique est : Q = m x Cm x (Tf – Ti)

Q = énergie thermique d’un corps ;
m = la masse du corps en kg ;
Cm = capacité thermique en fonction de la nature du corps ;
Tf = température finale après transfert thermique ;
Ti = température initiale avant transfert thermique.

Les transferts d’énergie thermique

La diffusion de l’énergie thermique respecte les lois de la thermodynamique, soit un mécanisme d’équilibre à atteindre qui implique le passage de l’énergie entre un corps chaud et un corps froid. Lorsque les deux corps atteignent la même température, on dit que l’équilibre thermique est atteint.

On distingue trois types de transferts thermiques :

  • le rayonnement thermique qui implique un transfert d’énergie dans le vide via des ondes électromagnétiques. Il n’y a pas besoin de contact entre deux corps solides ou liquides. Le soleil est un parfait exemple de source d’énergie thermique par rayonnement ;
  • la conduction thermique qui définit le transfert d’énergie d’un corps à un autre par contact réciproque. Exemple, la tasse de chocolat chaud qui transmet sa chaleur à la main qui la tient ;
  • la convection thermique qui implique un transfert d’énergie dans un corps par échange de fluides (liquides ou gazeux). La convection peut être naturelle (la tasse de café que l’on refroidit en soufflant sur le liquide chaud) ou forcée via un dispositif mécanique (le radiateur convecteur électrique qui diffuse la chaleur dans une pièce).

A noter que ces manifestations de l’énergie thermique ne sont pas indépendantes les unes des autres, et peuvent concourir ensemble dans de multiples usages. Si l’on reprend notre exemple de la casserole d’eau évoqué précédemment, on retrouve ces trois types de transferts thermiques :

  1. Le feu émet des rayonnements thermiques et chauffe un peu l’air environnant immédiat ;
  2. La main, qui tient la casserole, émet de la chaleur par conduction thermique et la transmet au manche du récipient ;
  3. L’eau contenu dans la casserole monte en température par convection thermique, via l’échange de fluide chaud (eau chauffée en bas de la casserole) qui remonte vers un fluide froid (l’eau à la surface) qui chauffe à son tour.

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Les changements d’état liés à l’énergie thermique

Les transferts thermiques occasionnent généralement un changement d’état sur les corps en présence : corps solide, corps liquide et corps gazeux. Observons de plus près les différents changement d’état :

  • fusion : passage de l’état solide à l’état liquide. L’exemple le plus simple étant le glaçon qui fond face au rayonnement du soleil ;
  • solidification : passage de l’état liquide à l’état solide. L’eau qui devient glaçon dans le bac de notre réfrigérateur par exemple ;
  • vaporisation : passage de l’état liquide à l’état gazeux. L’eau liquide peut devenir de la vapeur d’eau sous l’action de la chaleur ;
  • liquéfaction : passage de l’état gazeux à l’état liquide que l’on rencontre lors de la transformation de méthane en gaz naturel liquéfié (GNL) par exemple, ou de propane/butane en gaz de pétrole liquéfié (GPL) ;
  • sublimation : passage de l’état solide à l’état gazeux. Dans certains pays nordiques, la glace et la neige se transforment directement en vapeur, sans passer par l’état liquide ;
  • condensation : passage de l’état gazeux à l’état solide que l’on rencontre lors de la transformation de la vapeur d’eau en gouttelettes, notamment à la rencontre de vitres froides.

Certains changements d’état résultant de l’énergie thermique peuvent être convertis en énergie électrique ou énergie mécanique. Ainsi à l’échelle industrielle par exemple, les centrales thermiques utilisent la vapeur d’eau issue de la transformation de l’eau à l’état liquide pour produire une énergie mécanique (action d’une turbine, puis d’un générateur/transformateur) et créer de l’énergie électrique.

Quelles sont les sources de production de l’énergie thermique ?

Maintenant que nous avons expliqué ce qu’est l’énergie thermique, voyons maintenant comment elle est produite. L’énergie thermique est considérée dans la majorité des cas comme une énergie secondaire issue d’un processus de transformation à partir d’une énergie primaire (charbon, gaz naturel, pétrole, sources d’énergies renouvelables telles que la biomasse, l’éolien, l’hydraulique et le solaire, etc.). Exception faite de l’énergie thermique produite par la Terre, une énergie renouvelable connue sous le nom de géothermie.

A noter que la grande majorité des énergies que nous consommons au quotidien est donc une énergie transformée, rarement issue directement d’une énergie primaire. C’est le cas de l’électricité distribuée par Enedis, ou du fioul issu du pétrole brut. Ceci étant dit, le gaz naturel est bien une énergie primaire.

La production d’énergie thermique provient essentiellement de différentes sources d’énergie :

  • l’énergie nucléaire, qui utilise la fission de l’atome d’uranium pour produire une réaction nucléaire, source de dégagement de chaleur ;
  • l’énergie mécanique ou cinétique qui se définit par le mouvement ou le frottement de deux corps en contact. Au niveau macroscopique, l’usage le plus connu du grand public est la plaque à induction. Cette plaque de cuisson fonctionne par déplacement du courant électrique via le mouvement d’un aimant. La réaction entraîne un échauffement thermique faisant monter en température la plaque de cuisson ;
  • l’énergie radiative qui utilise la chaleur transportée par les ondes électromagnétiques de la lumière. L’exemple le plus concret étant le four à micro-ondes ;
  • l’énergie chimique qui utilise la combustion d’une énergie primaire (bois, gaz, pétrole) pour obtenir de l’énergie thermique. On retrouve cette conversion d’énergie dans des applications du quotidien telles que les cheminées à gaz ou à bois traditionnelles, les chaudières à gaz ou à bois, les pompes à chaleur, les moteurs à combustion interne de nos voitures ;
  • l’énergie électrique qui consiste à utiliser l’effet Joule, une propriété du courant électrique, pour produire de la chaleur via son passage dans un matériau conducteur (résistance). L’exemple le plus parlant étant l’ancienne ampoule à incandescence, retirée du marché pour son faible rendement énergétique au profit d’ampoules LED ou ampoules basse consommation.

L’énergie thermique et les autres énergies : qui de la poule ou de l’œuf est le premier ?

L’énergie thermique et toutes les autres énergies présentes sur notre planète ne sont pas indépendantes les unes des autres. Elles concourent bien souvent à leur création mutuelle. Prenons l’énergie chimique : issue de la combustion du gaz naturel par exemple, elle va créer de l’énergie thermique, qui elle-même va créer une énergie mécanique en actionnant une turbine puis un alternateur et va ensuite produire de l’énergie électrique. Cette dernière va alimenter nos chauffages électriques qui vont créer à leur tour de l‘énergie thermique.

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La transformation de l’énergie thermique en électricité et en chaleur

L’utilisation de l’énergie thermique à grande échelle permet de produire des énergies finales utiles à nos vies quotidiennes, telles que l’électricité et la chaleur (chauffage et eau chaude sanitaire).

La transformation de l’énergie thermique en énergie électrique ou chaleur est une technique de production utilisée par un grand nombre de centrales électriques en France :

  • les centrales thermiques qui utilisent la combustion d’énergies fossiles et d’énergies fissiles pour produire de l’électricité. La combustion permet de chauffer de l’eau et de produire de la vapeur d’eau. Mise sous pression, celle-ci va actionner une turbine, puis un alternateur pour produire un courant électrique alternatif. Ce dernier est enfin envoyé via des transformateurs sur les lignes à haute tension pour s’acheminer vers les différents points de consommation. Ces centrales thermiques sont :
    • les centrales thermiques à flamme (combustion d’énergies fossiles comme le gaz, le pétrole ou le charbon),
    • les centrales à turbines à combustion (TAC),
    • les centrales à cycles combinés gaz (CCG),
    • les centrales nucléaires (fission de l’atome d’uranium). En France, la centrale nucléaire participe en moyenne à 67 % à la production d’électricité annuelle globale,
    • les centrales solaires thermiques (rayonnement du soleil),
    • les centrales à cogénération qui produisent électricité et chaleur (réseaux de chauffage et eau chaude sanitaire) ;
  • les centrales à combustion biomasse qui utilisent la combustion de déchets végétaux, de bois ou de granulés de bois pour produire de la chaleur. Le mode de production électrique est ensuite quasi-similaire à la centrale thermique : vapeur d’eau, turbine, alternateur, transformateur. A noter que certaines centrales thermiques à flamme se reconvertissent en centrale à combustion biomasse ;
  • les centrales géothermiques qui utilisent l’eau chaude contenue dans les sous-sols de la Terre ;
  • les usines ETM (énergie thermique des mers) qui utilisent la différence de température entre les eaux de surface et les eaux profondes des mers pour produire de l’électricité. Le mode de production est similaire à une centrale électrique classique ;
  • les méthaniseurs qui produisent du biogaz issu de la fermentation de divers déchets organiques pour produire du gaz vert (biométhane) et/ou de la chaleur principalement pour le secteur industriel ou agricole ;
  • les usines d’incinération des ordures ménagères (IOM) qui récupèrent la chaleur produite via l’incinération des déchets pour produire de l’électricité et/ou de la chaleur (cogénération). Ce type de production d’électricité est principalement utilisée en autoconsommation.

L’énergie thermique : avantages et inconvénients

L’énergie thermique en elle-même ne présente que très peu d’inconvénients, si ce n’est les limites liées aux énergies primaires nécessaires à sa production :

  • les énergies fossiles, utilisées dans les centrales thermiques par exemple, sont des sources importantes de gaz à effet de serre (dont le CO²). Leur rôle dans le réchauffement climatique actuel est un fait avéré. La limitation de leur usage au profit des énergies renouvelables est une nécessité pour le futur de la planète. De plus, ces énergies fossiles ne disposent pas de ressources illimitées et sont amenées à disparaitre sur le moyen terme ;
  • l’énergie fissile (uranium) utilisée dans la centrale nucléaire est une matière radioactive hautement dangereuse pour les individus, la faune et la flore ;
  • les énergies renouvelables présentent l’atout important d’être inépuisables et issues de la nature. Respectueuses de l’environnement, elles sont néanmoins dépendantes des conditions météorologistes, notamment le soleil.

D’autre part, la captation de l’énergie thermique est un puissant levier d’économies d’énergie. En effet, toute production d’énergie génère des déperditions, l’énergie thermique également. L’électricité produite à partir d’une centrale thermique ne réalise pas 100 % de rendement énergétique. Une grande partie de l’énergie consommée est dispersée en déperdition d’énergie. La récupération de la chaleur dans les usines de cogénération permet par exemple d’optimiser au maximum les énergies consommées.

A une échelle individuelle, la réalisation de travaux de rénovation énergétique permet de maîtriser les pertes d’énergies thermiques de son logement. La réduction de la consommation d’énergie est portée par ailleurs par les normes de construction de bâtiments en vigueur (RT 2012 puis RE 2020 avec la maison basse consommation et la maison à énergie positive) avec comme points clés : l’isolation thermique et l’utilisation des énergies renouvelables.

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