​​Énergie mécanique : Son application dans les énergies renouvelables

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Table des matières

L’énergie est partout dans l’univers et sur la Terre. Elle se manifeste sous des formes diverses. L’énergie mécanique est probablement l’une des énergies les plus simples à appréhender.

Générée naturellement par tout corps en mouvement, l’énergie mécanique est utilisée depuis toujours par l’homme. Au fil du temps, ses usages se sont développés grâce à une meilleure compréhension des phénomènes physiques.

L’énergie mécanique joue aujourd’hui un rôle essentiel dans les énergies renouvelables. Convertie en énergie électrique, elle contribue à la production d’une électricité verte et à réduire l’empreinte carbone de l’homme. Quelles sont les différentes formes et sources d’énergie ? Qu’est-ce que concrètement l’énergie mécanique et comment est-elle utilisée dans les énergies renouvelables pour produire de l’électricité ?

Plongez au cœur des énergies.

Quelles sont les différentes formes d’énergie ?

L’énergie revêt de multiples formes, exploitables directement par l’homme, ou indirectement suite à une transformation. Chaque avancée scientifique a marqué un progrès majeur dans le développement des sociétés humaines.

L’énergie mécanique

L’énergie mécanique désigne l’énergie générée par les objets en mouvement. Elle est la somme de deux types d’énergie : l’énergie cinétique (liée au mouvement) et l’énergie potentielle (liée à la position).

Dans un système isolé, l’énergie mécanique reste constante, en vertu de la loi de conservation de l’énergie. En revanche, tout obstacle, choc ou frottement entraîne des pertes énergétiques.

L’énergie thermique

L’énergie thermique est produite par l’agitation des atomes et des particules au sein d’un corps ou d’une substance, sous l’effet de l’augmentation de sa température, suite à une réaction physique, chimique, mécanique ou nucléaire. L’énergie thermique peut ensuite être transformée en électricité, comme dans une centrale thermique.

En se transférant d’un corps chaud vers un corps froid, l’énergie thermique produit de la chaleur. Les échanges de chaleur sont la base du fonctionnement des pompes à chaleur et de tout système de chauffage par convection, conduction ou rayonnement.

L’énergie électrique

Omniprésente dans notre quotidien, l’énergie électrique est générée par le déplacement d’électrons le long d’un conducteur. Le mouvement est provoqué par une différence de potentiel électrique (ou tension). Les électrons créent le courant électrique en se déplaçant d’un point de haute tension vers un point de basse tension.

L’énergie nucléaire

L’énergie nucléaire est l’énergie libérée par les atomes lors d’une réaction nucléaire telle que la fission ou la fusion.

Les centrales nucléaires utilisent la chaleur dégagée par la fission pour générer de la vapeur d’eau. Celle-ci actionne une turbine reliée à un alternateur pour produire de l’électricité.

L’énergie radiative ou lumineuse

L’énergie radiative ou lumineuse est l’énergie transportée par les ondes électromagnétiques. La lumière du Soleil est la forme la plus puissante d’énergie rayonnante.

L’énergie radiative est utilisée au quotidien par l’homme, par exemple pour réchauffer un plat au micro-ondes ou allumer la télévision à l’aide d’une télécommande infrarouge. Elle est aussi contenue dans les ultraviolets, les rayons X ou les rayons gamma.

L’énergie chimique

L’énergie chimique est libérée par la transformation des liaisons entre les atomes et les molécules, lors d’une réaction chimique. Elle est par exemple à l’origine de la chaleur produite par la combustion de bois, de biomasse ou d’énergies fossiles (pétrole, gaz, charbon).

C’est aussi l’énergie chimique qui permet le stockage de l’électricité dans les piles et les batteries électrochimiques, ou la transformation de l’électricité en hydrogène dans la pile à hydrogène.

Comment définir l’énergie mécanique ?

En physique, la source de l’énergie mécanique est le mouvement. Plus précisément, l’énergie mécanique est la somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique d’un corps ou d’un système. Elle se calcule via la formule suivante : Em = Ec + Ep.

Énergie cinétique (Ec) : définition

L’énergie cinétique est l’énergie générée par les objets en mouvement. Elle est liée à la vitesse et à la masse de l’objet. Plus ce dernier est lourd et rapide, plus l’énergie cinétique augmente. Ainsi, l’énergie cinétique d’un avion en vol est plus élevée que celle d’une voiture sur l’autoroute.

Les mouvements de rotation ou de translation accentuent l’énergie cinétique. Ces propriétés physiques sont utilisées par les sportifs pour donner plus de force à une balle.

Énergie potentielle (Ep) : définition

L’énergie potentielle mesure l’énergie stockée dans un objet en raison de sa position. Elle peut être :

  • Gravitationnelle : l’énergie potentielle gravitationnelle d’un objet est liée à sa position en hauteur. Plus il est placé haut, plus il produit de l’énergie dans sa chute.
  • Élastique : l’énergie potentielle élastique est produite par la déformation d’un objet. Par exemple, un ressort comprimé emmagasine de l’énergie potentielle élastique. Elle est libérée quand on le relâche.
  • Électrostatique : l’énergie potentielle électrostatique est créée par les interactions entre des charges électriques positives et négatives. Les charges opposées stockent ou libèrent de l’énergie lorsqu’elles se repoussent ou se rapprochent.

Comment l’énergie mécanique est-elle utilisée dans les énergies renouvelables ?

Les technologies d’énergies renouvelables tirent parti de l’énergie mécanique des ressources naturelles. Elles transforment leur énergie cinétique et potentielle en une nouvelle forme d’énergie directement exploitable : l’énergie électrique.

L’énergie hydraulique

L’énergie hydraulique est la deuxième source de production d’électricité en France. Les centrales hydroélectriques captent l’énergie mécanique de l’eau en mouvement pour générer de l’électricité. Elles combinent l’énergie cinétique naturelle des courants avec l’énergie potentielle gravitationnelle générée par les chutes d’eau.

Sous la pression de l’eau, les turbines hydrauliques s’enclenchent et entraînent l’alternateur. C’est lui qui, en bout de chaîne, effectue la transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique.

Les barrages hydrauliques accentuent l’énergie potentielle de l’eau. Retenue en amont de la centrale, l’eau, libérée à la demande via un système de vannes, s’écoule à pleine vitesse dans les conduites forcées et actionne les turbines.

La quantité finale d’électricité produite est proportionnelle à la puissance de l’eau et donc à la différence de hauteur entre l’amont et l’aval de la centrale hydroélectrique.

L’énergie marémotrice

L’énergie marémotrice fonctionne sur le même principe que l’énergie hydraulique. La différence ? Elle exploite l’énergie mécanique des marées.

Grâce à un système de barrage, de vannes et de bassins de stockage amont et aval, les usines marémotrices jouent avec l’alternance des marées.

Au gré des marées hautes et des marées basses, l’eau est transvasée d’un bassin à l’autre, actionnant sur son passage les turbines et l’alternateur. La différence de hauteur entre les bassins maximise l’effet gravitationnel et l’énergie mécanique de la mer.

L’énergie marémotrice reste encore confidentielle. La France dispose d’une unique usine marémotrice sur le site de la Rance en Bretagne. Elle produit chaque année environ 500 GWh, couvrant la consommation annuelle électrique de 225 000 habitants.

L’énergie éolienne

Les éoliennes utilisent l’énergie cinétique du vent pour générer de l’électricité. La force du vent fait tourner les pales. Celles-ci actionnent le générateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie électrique. La capacité de production des éoliennes augmente avec la force du vent et la vitesse de rotation des pales.

Le potentiel de production électrique de l’énergie éolienne sur terre et en mer est significatif. Il est estimé respectivement à 200 000 TWh et 420 000 TWh par an par la World Energy Association (WWA) et l’Agence Internationale de l’Énergie (AIE).

L’énergie hydrolienne

Implantées au large des côtes, les hydroliennes exploitent l’énergie cinétique des courants marins pour produire de l’électricité. Les turbines tournent au gré des marées, entraînant l’alternateur qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique.

schéma fonctionnement d'une hydrolienne
Source : Lycée Francois Villon

Liée aux marées et à la vitesse des courants, l’énergie hydrolienne est une énergie renouvelable intermittente, mais fiable et prédictible. Si la technologie est mature, elle est encore en phase d’expérimentation en France, avec plusieurs fermes pilotes en cours de développement.

Fonctionnement d'une hydrolienne
Source : Marine Current Turbine

L’énergie des vagues

L’énergie des vagues – ou énergie houlomotrice – est une énergie renouvelable prometteuse. Les technologies émergentes exploitent les mouvements cinétiques des vagues et de la houle pour générer de l’énergie mécanique. Celle-ci est transformée en électricité par un convertisseur d’énergie des vagues (WEC).

Énergie houlomotrice : mode de fonctionnement
Source : Hello Watt

Avec 1 watt/m²/an, l’énergie cinétique des vagues est faible en comparaison à celle d’autres énergies renouvelables, notamment l’énergie solaire. Mais, au vu de la surface des océans, le potentiel de l’énergie houlomotrice est considérable.

La production annuelle théorique mondiale est estimée entre 8 000 et 80 000 TWh d’électricité par l’Agence Internationale de l’Énergie.

En phase d’expérimentation, colonnes d’eau oscillantes, systèmes à déferlement, systèmes à flotteurs ou encore oscillateurs sous-marins n’ont pas encore atteint la maturité commerciale.

L’énergie mécanique est omniprésente dans les énergies renouvelables. Issue de sources naturelles et transformée en électricité verte, l’énergie mécanique contribue à construire un avenir énergétique plus durable.

Si l’énergie mécanique de sources comme le vent et les cours d’eau est aujourd’hui bien connue et exploitée, le potentiel cinétique de la mer reste encore peu valorisé.

Pourtant, la capacité de production d’électricité des énergies marines est estimée entre 20 000 et 90 000 TWH par an par l’Agence Internationale de l’Énergie. Deuxième plus important gisement hydrolien d’Europe, la France pourrait sceller le sort de l’énergie mécanique en mer dans sa future loi de programmation sur l’énergie et le climat (LPEC).

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