vignette|upright=1.4|Utilisation d'énergie primaire. Projections à partir de 2007 réalisées par l'EIA en 2010.
L’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature avant toute transformation. Elle est parfois utilisable directement, mais le plus souvent elle doit être transformée en une source d’énergie secondaire (un vecteur énergétique) pour être utilisable et transportable facilement, et enfin consommée sous forme d'énergie finale.
Le concept d'énergie primaire est utilisé notamment pour l'analyse statistique des usages économiques de l'énergie, par exemple pour comparer des sources d'énergie en rapportant une quantité d'énergie finale donnée à la quantité d'énergie primaire nécessaire à sa production.
Formes d’énergie primaire L'énergie primaire est obtenue par des transformations de la matière : transformations physiques dans un champ gravitationnel : travail mécanique associé au mouvement d'une masse de matière soumise à la pesanteur ; onde acoustique par déformation élastique d'un fluide ; transformations par interactions électromagnétiques : déplacement de particules ionisées et orientation du moment magnétique de matériaux ; variation d'énergie cinétique moyenne d'agitation microscopique moléculaire et atomique ; enthalpie de changement d'état chimique ; transfert thermique par rayonnement électromagnétique associé à une réaction chimique de modification des liaisons entre les atomes formant des molécules, propagation de photons ; transformations de la matière en physique des particules subatomiques par interactions nucléaires fortes ou faibles : désintégration radioactive, fission ou fusion nucléaire ; rayonnement électromagnétique associé à une modification de noyau atomique, rayonnement corpusculaire de particules subatomiques de haute énergie.
Énergie primaire et cycle de l'énergie
L’énergie primaire permet de produire de l’énergie secondaire qui est elle-même transformée en énergie finale au stade de l’utilisation. Ainsi l’énergie mécanique d’une chute d’eau, transformée en énergie électrique (un vecteur énergétique), puis transportée sous cette forme peut produire chez l’utilisateur : froid, lumière, énergie mécanique (moteurs), chauffage Vues de l’utilisateur, les formes d’énergie primaire sont souvent substituables tant qu'elles lui permettent d'utiliser la forme d'énergie finale de son choix.
Cette série de transformations forme une chaîne énergétique, par exemple, la chaîne pétrolière : extraction, transport, raffinage, distribution, utilisation. Les transformations sont caractérisées par un rendement, toujours inférieur à 1, par suite des pertes inévitables au cours de la production et du transport.
Les statistiques les plus utilisées pour la comparaison de la production et de l’utilisation de l’énergie, celles de l'Agence internationale de l'énergie (AIE), considèrent par convention comme énergie primaire l’énergie brute pour les combustibles fossiles et la biomasse, et pour les autres sources d'énergie, celle qui résulte de la première transformation (ainsi la chaleur nucléaire, l'électricité éolienne, l'électricité photovoltaïque ou héliothermique, et l'électricité hydraulique sont-elles considérées comme énergie primaire) et comme énergie finale la forme sous laquelle elle arrive chez l’utilisateur final (ainsi l’électricité mesurée au compteur de l’abonné quelle qu’en soit l’utilisation finale : éclairage, chauffage, machines), parce que ce sont celles pour lesquelles on dispose de données chiffrées. Les statistiques d'énergie primaire de l'AIE mélangent donc des sources et formes d'énergie primaire (combustibles fossiles et biomasse) avec des formes secondaires d'énergie (électricité produite par l'hydraulique, l'éolien et le solaire), ce qui ne permet pas de comparaison pertinente entre ces deux catégories d'énergie ; les seules comparaisons correctes doivent se situer au niveau de l'énergie finale. Mais les statistiques d'énergie primaire de l'AIE conservent un intérêt certain pour comparer, par exemple, les formes d'énergie produites localement avec celles qui sont importées ou la consommation locale avec l'exportation.
Pour permettre les comparaisons, toutes les formes d’énergie sont exprimées à l’aide d’une unité commune permettant de mesurer la quantité d'énergie contenue, émise ou transférée ; elle peut être, selon le sujet principal, le gigajoule (GJ), le kilowatt-heure (kWh), ou la tonne d'équivalent pétrole (tep, en anglais). Comme les diverses sources de pétrole ou de houille peuvent avoir des caractéristiques énergétiques légèrement différentes, on s'appuie sur des conventions pour passer facilement d'une unité à l'autre. Par convention : = (généralement arrondis à ) = = de gaz = de pétrole ( en anglais). Dans le système impérial, le quadrillion, ou quad, est habituellement employé, unité de mesure d'énergie valant 10 BTU, converti dans le Système international d'unités en .
Catégories d'énergie primaire Les sources et formes d'énergie sont multiples.
Tout d'abord, l'énergie mécanique, qui peut être d'origine humaine ou animale (traction). Elle est aussi dérivée de l'utilisation d'éléments naturels par la conversion de leur énergie cinétique : l'énergie hydraulique (cours d'eau et chutes d'eau), qui est convertie en énergie mécanique (moteur hydraulique) ou électrique (énergie hydroélectrique), l'énergie marémotrice (marées) et l'énergie éolienne (vent), qui se transforme en énergie mécanique (moulins à vent, voiliers, char à voile) ou électrique (éolienne).
L'énergie thermique est obtenue soit par la transformation chimique de combustibles de matières en état solides, liquides ou gazeux, soit par le captage de flux de chaleur naturels. Il est possible de distinguer ces combustibles selon leur composition chimique et leur origine géologique ou biologique. Les combustibles minéraux solides (CMS) (consulté le )., comme le charbon (souvent de l'anthracite ou lignite), sont principalement constitués de carbone plus ou moins pur. À l'opposé, les hydrocarbures comme le pétrole et le gaz naturel sont formés de molécules complexes associant des atomes de carbone et d'hydrogène. La biomasse, également connue sous le nom de combustibles organiques, qui inclut le bois et les déchets végétaux, est formée de matière organique (carbone, hydrogène et oxygène) convertie en diverses sources d'énergie telles que le biogaz, le biogazole, le méthane (biogaz), le méthanol ou l'éthanol.
Chaque type de combustible nécessite des infrastructures de transport et de stockage spécifiques, soumises à des normes de sécurité, législations et conventions de négoces particulières« Convention collective 3004 : Combustibles solides, liquides, gazeux et produits pétroliers (négoce et distribution des) » (version du sur l’Archive.today), sur Centre National du Droit du Travail (consulté le ).. À noter que les ressources énergétiques telles que le charbon, le pétrole et le gaz naturel sont également utilisées non pour leur pouvoir calorifique, mais comme matières premières dans divers secteurs industriels tels que la carbochimie, la pétrochimie, la production d'engrais, ainsi que dans le secteur du bâtiment et des travaux publics (comme le bitume).
En plus de la combustion, il est possible d'exploiter directement la chaleur dans l'environnement par le biais de l'énergie géothermique : celle-ci consiste à exploiter la chaleur naturelle provenant des couches profondes de la croûte terrestre. La cogénération permet d'optimiser ces processus en produisant simultanément chaleur et électricité. Aussi, l'énergie solaire thermique se base sur la captation du rayonnement électromagnétique. Cette énergie peut être convertie en chaleur pour des applications de chauffage (énergie solaire thermique), notamment par le biais de chauffe-eau solaires ou certains types de pompes à chaleur, ou bien directement en électricité grâce à des cellules photovoltaïques.
Enfin, l'énergie nucléaire est obtenue par la fission de noyaux d'uranium ou de plutonium. Cela génère principalement, et secondairement une radioactivité intense de certains produits de fission, de la chaleur (à haute température) qui est convertie en électricité via une turbine. Au cours de ce processus, une quantité non négligeable de chaleur est dissipée et rejetée dans l'air ou l'eau (à basse température ; cette chaleur pourrait partiellement être réutilisée pour alimenter des systèmes de chauffage à distance en cogénération). C'est toute la chaleur directement générée par la fission des atomes qui est considérée comme énergie primaire ; ce qui explique que l'énergie électrique issue du nucléaire montre généralement un rendement d'environ 33 %. Par ailleurs, la fusion de noyaux légers, bien que potentiellement plus énergétique, demeure actuellement au stade de la recherche expérimentale.
Statistiques mondiales L'Agence internationale de l'énergie (AIE) rassemble les données de l'ensemble des pays pour établir et publier des statistiques mondiales sur la production et la consommation d'énergie. L'AIE a été créée par l'OCDE en 1961 et ne regroupe que 37 membres, mais exploite et produit des données mondiales, et constitue le principal fournisseur de données statistiques sur l'énergie.
Dans les statistiques de l'AIE et d'autres organismes internationaux, l'agrégat « Total des ressources en énergie primaire » (en anglais : Total primary energy supply (TPES)) inventorie l'ensemble des ressources énergétiques mobilisées par un pays, soit par production locale, soit par importation, diminuées des exportations et des soutes internationales (consommations des moyens de transport internationaux : avions et bateaux) et corrigées des variations de stocks, afin de ne conserver que les ressources destinées à la consommation intérieure.
Au niveau mondial, la répartition de ces ressources primaires (productions annuelles) a évolué comme suit : + Production mondiale d'énergie primaire en Mtep 1973 % 2015 % Charbon+lignite 1474 23,7 3872 28,1 Pétrole 2938 47,3 4416 32,0 Gaz naturel 991 15,9 2976 21,6 Nucléaire 53 0,9 671 4,9 Hydroélectricité 110 1,8 334 2,4 Biomasse+déchets 641 10,3 1319 9,6 Autres* 6 0,1 202 1,5 TOTAL 100 100 Les trois dernières lignes regroupent les énergies renouvelables (EnR) ; au total, elles sont passées de 12,2 % des ressources mondiales en 1973 à 13,5 % en 2015. Les conventions utilisées par les statistiques de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) et d'Eurostat, contrairement à celles de l'Energy Information Administration (EIA) américaine (une agence du département de l'Énergie des États-Unis), minorent la part des énergies renouvelables électriques. Avec des conventions conformes aux ratios réels de substitution entre énergies fossiles et électricité, telles que celles de l'EIA, on obtient environ 6,9 % pour l'hydroélectricité et 3,5 % pour les autres EnR, hors biomasse, ce qui porte la part des énergies renouvelables à 20,6 % en 2013.
Voici la répartition régionale et par grands pays des productions et consommations d'énergie primaire, ainsi que les consommations par habitant : + Productions et consommations brutes d'énergie primaire en 2015 Région/Pays ProductionMtep % ConsommationMtep % Cons./hab.tep Monde 100,0 100,0 1,86 OCDE 30,2 38,5 4,12 Moyen-Orient 13,7 729 5,3 3,21 Europe et Eurasie hors OCDE 13,3 8,1 3,24 Asie hors Chine & OCDE 10,7 13,0 0,73 Amériques hors OCDE 816 5,9 628 4,6 1,29 Afrique 1118 8,1 788 5,8 0,66 Quelques grands pays : 18,1 21,8 2,17 14,6 16,0 6,80 554 4,0 851 6,2 0,65 9,7 710 5,2 4,93 30 0,2 430 3,2 3,38 120 0,9 308 2,3 3,77 279 2,0 298 2,2 1,43 51 0,4 273 2,0 5,39 471 3,4 270 2,0 7,54 138 1,0 246 1,8 3,71 324 2,3 237 1,7 2,99 426 3,1 225 1,6 0,87 649 4,7 222 1,6 7,03 192 1,4 187 1,4 1,55 119 0,9 181 1,3 2,78
Conventions : équivalence électrique entre énergie primaire et finale