Les unités de mesure énergétique

Mises au point à partir du XVIII^e siècle, les unités de mesure énergétique sont utilisées dans la vie courante et facilitent le commerce international de l’énergie. Certaines permettent d’évaluer la masse et le volume des sources d’énergie fossile. D’autres aident à choisir les sites d’implantation des équipements produisant des énergies renouvelables. Enfin, l’énergie elle-même, produite et consommée sous forme de chaleur ou d’électricité, se mesure grâce à des unités spécifiques.

Pourquoi a-t-on besoin d’outils spécifiques pour quantifier l’énergie ?

Dans la vie quotidienne, comme dans les échanges économiques, producteurs, distributeurs et consommateurs doivent pouvoir mesurer l’énergie qu’ils vendent, transportent ou utilisent, en fonction de ses caractéristiques. Pour ce faire, ils ont recours à différentes unités de mesure énergétique adaptées à chaque type d’énergie (ainsi que leurs multiples ou sous-multiples, selon la quantité d’énergie à évaluer). Indispensables pour permettre les échanges, ces unités sont utiles aux sociétés du secteur de l'énergie, mais aussi :

   •    aux autorités et institutions publiques qui, pour définir leurs politiques énergétiques, ont besoin de connaître la production et la consommation d’énergie (à l’échelle nationale, européenne ou mondiale) ;

Producteurs, distributeurs et consommateurs doivent pouvoir mesurer l’énergie.

Au fil des siècles, les sociétés ont créé leurs propres unités de mesure, adaptées à leurs besoins économiques et commerciaux. Pour ces raisons historiques et culturelles, on n’a pas toujours utilisé les mêmes unités dans les différentes régions de la planète. Afin de faciliter et d’harmoniser la recherche scientifique et les transactions commerciales, le Système international d’unités (SI) a donc été mis au point par des physiciens à partir du XVIII^e siècle. Géré par le Bureau international des poids et mesures (BIPM), ce système comprend des unités très courantes comme le mètre ou le kilogramme. Il regroupe aussi plusieurs unités spécifiques en rapport avec l’énergie, à l’exemple du watt (qui sert à exprimer une puissance électrique, c’est-à-dire l’énergie transportée dans un système électrique par unité de temps). 

Le SI est reconnu et utilisé dans tous les pays. Cependant, on continue d’employer à travers le monde certaines unités énergétiques qui ne font pas, ou plus, partie de ce système. Par exemple, le baril est une unité privilégiée pour la mesure des volumes de pétrole : à la fin du XIX^e siècle, les compagnies pétrolières américaines stockaient le brut extrait du sous-sol dans de gros barils de couleur bleue (en anglais blue barrel, abrégé en "bbl") et évaluaient leur production en barils. Ces puissantes sociétés ont ainsi imposé le baril comme unité de mesure à l’échelle internationale. De même, parallèlement au SI, les Britanniques utilisent encore des unités de mesure relevant du Système impérial d’unités (1824), comme le pied cube (en anglais cubic foot ou "ft3") valant 0,028 mètre cube.

On ne peut pas comparer les énergies entre elles
car chacune possède ses propres spécificités.

Faux. Pour pouvoir comparer les énergies entre elles, les scientifiques ont mis au point une unité de mesure reconnue par les organisations internationales : la tonne équivalent pétrole (ou "tep"). Cette unité correspond à l’énergie fournie par la combustion d’une tonne de pétrole. Comme cette source d’énergie occupe une place essentielle à l’échelle mondiale, la tep est très adaptée pour évaluer la consommation ou la production énergétique d’un pays ou d’une région. C’est pourquoi les économistes l’emploient fréquemment.

Dans l’industrie, on a aussi recours au baril équivalent pétrole ou "bep" (énergie fournie par la combustion d’un baril de pétrole). Moins utilisée,
la tonne équivalent charbon ("tec") correspond à l’énergie dégagée par la combustion d’une tonne de charbon.

Pétrole, gaz, charbon, combustible nucléaire, biomasse :
comment évalue-t-on leur volume et leur masse ?

Certaines unités servent à mesurer une quantité donnée de ressources naturelles énergétiques, matières premières qui seront ensuite utilisées pour produire de la chaleur ou de l’électricité, ou encore comme combustibles pour alimenter des moteurs :

   •    l’unité la plus courante pour évaluer un volume de pétrole brut est le baril (en anglais barrel ou "bbl") qui équivaut à 158,98 litres de brut. La production journalière d’une raffinerie se quantifie en barils/jour (en anglais barrel per day ou "BPD"). Mais lorsque le brut constitue la cargaison d’un navire pétrolier, on s’exprime en tonnes (1 tonne = 1 000 kilos) parce que les coûts de transport par bateau dépendent davantage de la masse de la cargaison que de son volume. En effet, il existe des pétroles lourds très denses comme des pétroles légers moins denses qui, pour un même volume, n’ont pas du tout la même masse et reviennent moins cher à transporter. Enfin, dans les stations-service, les carburants sont vendus au litre ou au gallon (unité britannique et américaine valant 4,546 litres au Royaume-Uni et 3,785 litres aux États-Unis) ;

   •    pour mesurer un volume de gaz naturel, on adopte le mètre cube (m³) et ses multiples. Au Royaume-Uni, on utilise aussi le pied cube (en anglais cubic foot ou "ft3"). Un pied cube vaut 0,028 mètre cube. La mesure du volume du gaz s’effectue sous certaines conditions physiques. En effet, en fonction des conditions de température et de pression, la masse volumique du gaz évolue (il s’agit de sa masse par unité de volume, exprimée en kilo/mètre cube). Or, cette caractéristique est essentielle d’un point de vue commercial : plus la masse volumique du gaz est importante, plus il contient de molécules hydrocarbures et plus sa combustion fournira d’énergie. C’est pourquoi, par convention, on mesure toujours les volumes de gaz à la même température et à la même pression, soit 15 °C et 750 hectopascals (l’hectopascal étant une unité de mesure de la pression, abrégée en "hPa"). Quant au gaz naturel liquéfié (GNL), on évalue aussi son volume en mètres cubes, en pieds cubes ou en gallons, et sa masse en tonnes dans le cadre de son transport par méthanier (navire spécialisé dans le transport du gaz naturel, composé à 90 % d’un hydrocarbure du nom de méthane) ;

   •    la masse du charbon se mesure en tonnes et en millions de tonnes ;

   •    le combustible utilisé dans les centrales nucléaires est fabriqué à partir d’oxyde d’uranium et se présente sous la forme de pastilles cylindriques d’une masse de 7 grammes. Chacune de ces pastilles peut fournir autant d’énergie qu’une tonne de charbon ;

   •    enfin, s’agissant du bois énergie utilisé comme combustible (biomasse), on évalue les volumes de bois en stères ("st"). Cette unité de mesure correspond à un empilement d’un mètre cube de bûches, incluant les espaces vides entre elles. Lorsque la biomasse se présente sous forme de plaquettes ou de granulés, on exprime sa masse en tonnes.

Quelles unités pour les sources d’énergie renouvelables ?

   •    Les éoliennes transforment en énergie électrique l’énergie produite par le vent du fait de son mouvement. Une éolienne se met à tourner en présence d’un vent d’une vitesse minimale de 4 mètres par seconde (4 m/s). La productivité de l’éolienne (c’est-à-dire la quantité d’électricité qu’elle permet de produire dans un temps donné) double dès que la vitesse du vent atteint 7 mètres/seconde. En revanche, si la vitesse du vent augmente à 25 mètres/seconde, l’éolienne s’immobilise et ne fournit plus d’énergie (on dit qu’elle se met "en drapeau"). C’est pourquoi on étudie soigneusement les vents dominants du site où l’on envisage d’installer une éolienne.

   •    De même, les installations hydrauliques comprennent des turbines qui transforment en électricité l’énergie dégagée par un écoulement ou une chute d’eau. Pour toute installation,
la taille de la turbine est proportionnelle au débit du cours d’eau comme à la hauteur de la chute ou du dénivelé (différence d’altitude entre deux points du cours d’eau). Le débit d’un cours d’eau se mesure en mètres cubes par seconde (m³/s) tandis que la hauteur de la chute ou du dénivelé s’exprime en mètres (m). Pour calculer la puissance électrique obtenue grâce à l’installation, on prend en compte ces deux facteurs mais aussi la force de pesanteur liée à la gravitation terrestre, qui entre en jeu dans la chute de l’eau. Ainsi, pour un débit de 1 mètre cube/seconde, un système hydraulique fournit 9,8 kilowatts (kW) d’électricité par mètre de chute. Ces données sont cruciales pour décider du lieu d’implantation d’une centrale hydroélectrique.

   •    Les systèmes géothermiques récupèrent la chaleur de la Terre pour chauffer des habitations ou pour la convertir en électricité. Avant d’installer de tels systèmes, on tient compte de la chaleur présente dans le sous-sol du site pressenti, sachant qu’elle augmente de 3 °C tous les 100 mètres, avec des variations importantes selon les caractéristiques géologiques du lieu (cette valeur est nommée gradient géothermique).

   •    Les panneaux solaires captent l’énergie thermique dégagée par le soleil pour la transformer en chaleur servant à la production d’eau chaude, ou encore en électricité.
Ils récupèrent un maximum d’énergie lorsqu’ils sont perpendiculaires aux rayons solaires.
C’est pourquoi on veille soigneusement à leur orientation (les panneaux dirigés vers le sud captant davantage d’énergie) et à leur inclinaison exprimée en degrés (°). Cependant, l’inclinaison des rayons du soleil varie selon les régions, les saisons et les moments de la journée, facteurs que l’on doit aussi prendre en compte pour trouver l’orientation et l’inclinaison optimales des panneaux. Le watt crête (Wc) est l’unité qui permet de mesurer la puissance électrique maximale fournie par un panneau solaire lorsque, correctement orienté et incliné, il est exposé à une température de 25 °C et à un ensoleillement de 1 000 watts par mètre carré. Pour exprimer la puissance maximale fournie par une centrale solaire dans les mêmes conditions, on utilise un multiple du watt crête, le mégawatt crête (noté MWc, il vaut 1 million de Wc).

Production et consommation d’énergie : mesurer l’électricité et la chaleur

Quelle que soit la source mobilisée pour l’obtenir, l’énergie elle-même peut être quantifiée au moyen de plusieurs unités :

   •    le joule (J) fait partie du Système international d’unité. C’est l’unité universelle permettant de quantifier l’énergie, qu’elle prenne la forme d’un travail (déplacement d’une masse sous l’effet d’une force) ou de chaleur. En effet, d’un point de vue physique, travail et chaleur constituent une même grandeur. Le joule est une unité très petite, qui n’est pas adaptée à la mesure de grandes quantités d’énergie ; c’est pourquoi on utilise plus fréquemment ses multiples dont le gigajoule (GJ), sachant que 41,855 GJ équivalent à une tep ;

   •    pour mesurer une quantité de chaleur, on emploie encore parfois la calorie (cal), qui vaut 4,184 J (cette unité ne fait pas partie du SI). Une calorie correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour élever d’un degré Celsius la température d’un gramme d’eau (sous pression atmosphérique normale de 1013,25 hPa et à une température de départ de 15 °C). Encore utilisée par les ingénieurs thermiciens, la thermie (th) est un multiple de la calorie qui vaut un million de calories ;

   •    de même, au Royaume-Uni, on emploie toujours le British Thermal Unit (BTU) qui correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 degré Fahrenheit (°F) la température d’une livre d’eau (cela équivaut à faire réchauffer 450 g d’eau sous pression atmosphérique normale de 1013,25 hPa et à une température de départ de 58,1 °F, soit 14,5 °C). Un BTU équivaut à 1055 J ;

   •    enfin, on utilise le watt (W) pour mesurer la puissance électrique, c’est-à-dire l’énergie électrique délivrée par unité de temps. Un watt équivaut à un joule par seconde. Pour évaluer la consommation électrique d’un foyer ou d’un équipement, on emploie le kilowattheure (kWh). Cette unité correspond à une puissance électrique de 1 watt utilisée pendant une heure, soit 3,6 MJ. Ainsi, la consommation électrique annuelle, hors chauffage, d’une famille de quatre personnes, est d’environ 7 000 kilowatt-heures².

[1]Source CEA
[2]Source Cité des sciences et de l'industrie