Source: The Conversation – France in French (2) – By Nolwenn Le Pierrès, Professeure des Universités en énergétique, Université Savoie Mont Blanc
Dans le langage courant, on confond trop souvent les notions d’énergie et de puissance. Or, ces notions sont au cœur d’enjeux clés pour nos sociétés, comme nous en prenons conscience de façon aiguë lorsque des tensions géopolitiques viennent brutalement renchérir le prix de l’énergie jusqu’à remettre en cause nos modes de vie… On fait le point sur ces deux grandeurs, le lien entre elles et les unités pertinentes pour les quantifier.
L’énergie est quelque chose que l’on peut transformer, accumuler et échanger. On peut faire un parallèle entre l’énergie et une quantité de matière, par exemple une certaine quantité d’eau. Si on considère une baignoire, de l’eau peut y entrer (la baignoire se remplit), de l’eau peut y être stockée et de l’eau peut en sortir (la baignoire se vide). De façon analogue, de l’énergie peut pénétrer dans un système, y être stockée et en sortir. Le contenu énergétique correspondant est quantifié en joules (dont le symbole est la lettre J), selon le système international d’unités. Le joule a été défini comme l’énergie fournie pour déplacer un point d’une distance d’un mètre (l’unité internationale de mesure de la distance) en appliquant une force d’un newton (l’unité internationale de mesure de la force).
Parallèlement, la puissance représenterait la vitesse à laquelle la baignoire se remplirait ou se viderait, donc le débit d’eau entrant ou sortant : la puissance représente l’amplitude des échanges d’énergie. Ainsi, on peut remplir une baignoire plus ou moins vite, par exemple en ajoutant un kilogramme d’eau par seconde, ou plus lentement en y ajoutant seulement 50 grammes d’eau par seconde. De la même façon, de l’énergie peut être fournie à un système plus ou moins vite, en y ajoutant un joule par seconde ou 500 joules par seconde : c’est ce qui définit la notion de puissance échangée, quantifiée en watts (W, l’unité dérivée du système international pour la puissance).
Nolwenn Le Pierrès, Fourni par l’auteur
Le lien entre la puissance et l’énergie est donc le temps :
Puissance = énergie/temps,
ce qui équivaut à : énergie = puissance x temps.
En unités internationales, un watt est donc égal à un joule par seconde.
La puissance ne peut pas être stockée : c’est un flux, de la même façon qu’on ne peut pas stocker un écoulement d’eau, seulement l’eau elle-même. En revanche, on peut adapter la capacité d’un système à échanger une puissance plus ou moins élevée, de la même façon qu’on peut adapter le diamètre du tuyau d’eau entrant ou sortant d’une baignoire.
Les multiples
Comme pour toutes les unités, les unités de puissance et d’énergie existent également avec des multiples. Les plus utilisés sont rassemblés dans le tableau ci-dessous.
Fourni par l’auteur
Par exemple, un gigajoule = 1 GJ = 1 x 109 J = 1 000 000 000 J. Cela semble être beaucoup d’énergie, mais correspond seulement à l’énergie solaire reçue chaque année par une dalle de terrasse de 50 cm de côté à Brest !
Ou 1 microwatt = 1 µW = 1 x 10-6 W = 0,000 001 W. Cette toute petite puissance correspond approximativement à la puissance consommée par les montres à quartz (attention, les montres connectées récentes, qui font beaucoup plus que de donner l’heure, sont également plus gourmandes !).
Les unités de mesure d’énergie que l’on retrouve dans la vie quotidienne
Comme un joule représente une très petite quantité d’énergie, dans la pratique, nous utilisons plus souvent d’autres unités pour quantifier l’énergie, en fonction du domaine dans lequel nous évoluons et des quantités exprimées. Toutes ces unités sont « traduisibles » en joules, selon un coefficient de conversion.
Dans le domaine de l’alimentation, ou parfois encore celui des transferts thermiques, la calorie (cal) est couramment utilisée, de même que la kilocalorie (kcal, égale à 1 000 calories).
1 calorie = 4,18 joules environ.
La calorie a été mesurée historiquement comme la quantité d’énergie (de chaleur) nécessaire pour élever de 1 °C la température d’un gramme d’eau liquide à pression et température ambiantes. Elle est donc encore parfois utilisée par les thermiciens.
Dans la vie courante, on compte le nombre de calories apportées au corps par les aliments, et on peut les comparer aux calories dépensées lors de nos différentes activités…
Nolwenn Le Pierrès, Fourni par l’auteur
Une autre unité d’énergie très courante est le kilowatt-heure (ou kWh) : elle correspond à l’énergie échangée lors d’un transfert d’une puissance d’un kilowatt pendant une heure.
Comme
1 kilowatt-heure = 1 kilowatt x 1 heure = 1 000 watts x 3 600 secondes,
on en déduit que
1 kilowatt-heure = 3 600 000 joules = 3 600 kilojoules = 3,6 mégajoules.
Cette unité est également couramment utilisée lors d’un achat d’énergie, notamment sur la facture électrique ou de gaz.
Nolwenn Le Pierrès, Fourni par l’auteur
C’est aussi en kilowatt-heure que les capacités des batteries des véhicules électriques sont quantifiées : les voitures présentent maintenant des capacités généralement entre 30 et 100 kilowatts-heures. Dans ce cas, cette capacité représente la « taille du réservoir », qui peut être plus ou moins rempli.
Nolwenn Le Pierrès, Fourni par l’auteur
À plus grande échelle, on utilise des unités énergétiques plus grandes, par exemple la tep (tonne équivalent pétrole), qui a remplacé au cours du XXᵉ siècle la « tec » (tonne équivalent charbon) : cette unité représente la quantité d’énergie (appelée aussi pouvoir calorifique) produite par la combustion d’une tonne de pétrole brut « moyen », soit 41,868 gigajoules. Elle permet de quantifier de grandes quantités d’énergies avec un ordre de grandeur plus intuitif que des milliers de milliards de joules… Par exemple pour la France, l’importation de pétrole brut a représenté 45,6 Mtep en 2024.
Attention, on retrouve parfois les capacités de piles ou batteries quantifiées en ampères-heures (Ah) ou en milli-ampères-heures (mAh). Cette unité ne représente pas en tant que telle une quantité d’énergie. Pour être homogène à une énergie, il faut multiplier cette « capacité » par la tension avec laquelle le courant est échangé par la pile. Ainsi, dans le cas de piles fonctionnant à tension fixée (ce qui est souvent le cas dans de petits systèmes électroniques), il y a bien une proportionnalité entre la capacité en ampères-heures et l’énergie échangée ou stockée. En revanche, lorsque le système fonctionne sous une tension fluctuante ou lorsqu’on compare des systèmes de tensions différentes, cette grandeur peut être trompeuse.
Les unités de mesure de puissance
Comme indiqué précédemment, la puissance est quantifiée en watts (ou ses multiples). Une autre grandeur de puissance courante, utilisée principalement dans le milieu du transport est le « cheval-vapeur ».
Avant le XIXᵉ siècle, on pouvait facilement se représenter la puissance que peut produire cet animal, dont la force était couramment employée pour déplacer des charges. On pouvait ainsi quantifier le nombre d’animaux nécessaires au fonctionnement d’une machine. Lors du développement des premiers moteurs (machines à vapeur), une équivalence a été déterminée pour quantifier la puissance des machines développées. Le cheval-vapeur (noté « ch ») a donc été défini, avec l’équivalence :
1 cheval-vapeur = 735 watts
Cette puissance correspond à la puissance moyenne qu’un cheval peut transmettre sur un temps assez long. Actuellement les puissances des voitures peuvent s’étendre de quelques dizaines de chevaux-vapeur (comme sur l’exemple de la figure ci-dessus) pour une petite citadine, à plus de 1 000 chevaux-vapeur pour de puissantes voitures de sport.
Le volt-ampère (noté « VA ») est également une unité de puissance. C’est sous cette unité que la puissance souscrite sur un abonnement électrique (soit la puissance maximale du compteur électrique) est quantifiée. Le volt-ampère ne quantifie pas une puissance réellement consommée, mais correspond à la puissance maximale pouvant être échangée, avec l’équivalence :
1 kilovolt-ampère = 1 kilowatt et 1 volt-ampère = 1 watt
Si on reprend l’analogie de la consommation d’eau, il s’agit ici du « diamètre du tuyau »… Par conséquent, lorsque la puissance appelée par un foyer est supérieure à la puissance du compteur (en volt-ampère ou kilovolt-ampère), il disjoncte. Actuellement, les puissances souscrites chez les particuliers sont généralement comprises entre 3 et 15 kilovolts-ampères.
Nolwenn Le Pierrès, Fourni par l’auteur
Le watt-crête (Wc) représente également une unité de puissance. Comme pour le volt-ampère, ce n’est pas une puissance réellement produite, mais la puissance maximale productible par un panneau solaire photovoltaïque, lorsqu’il est placé dans les conditions de référence : à 25 °C et sous une irradiance solaire de 1 000 W par mètre carré de panneau solaire. Au cours d’une année de fonctionnement, ce panneau produira donc à chaque instant une puissance variant entre 0 watt et sa « puissance crête » en fonction des conditions dans lesquelles il est placé, ce qui représentera au total une certaine quantité d’énergie annuelle.
Cette « puissance crête » pour un panneau solaire photovoltaïque est appelée « capacité nominale » pour d’autres systèmes, comme les chaudières au fioul ou les centrales nucléaires par exemple, qui, elles également, produisent à chaque instant une puissance potentiellement différente en fonction des contraintes extérieures.
Finalement, énergie et puissance sont deux grandeurs intimement liées, et elles sont toutes les deux nécessaires à la définition et à la mise en œuvre des systèmes énergétiques.
Nolwenn Le Pierrès ne travaille pas, ne conseille pas, ne possède pas de parts, ne reçoit pas de fonds d’une organisation qui pourrait tirer profit de cet article, et n’a déclaré aucune autre affiliation que son organisme de recherche.
– ref. TW, kWh, mAh… Quelle est la différence entre énergie et puissance ? – https://theconversation.com/tw-kwh-mah-quelle-est-la-difference-entre-energie-et-puissance-284239