Sciences · Physique
Chaîne énergétique
Une chaîne énergétique est un schéma qui montre comment l’énergie passe d’un réservoir à un convertisseur, puis vers l’énergie utile et les pertes. Elle traduit le principe de conservation de l’énergie.
Mis à jour le 4 min de lecture
L’énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se convertit d’une forme à une autre. Une lampe transforme de l’énergie électrique en lumière et en chaleur, une éolienne transforme l’énergie du vent en énergie électrique, un cycliste transforme l’énergie chimique de ses muscles en mouvement. La chaîne énergétique est l’outil graphique, au programme du cycle 4 en France, qui représente ces conversions de façon normalisée.
Les formes d’énergie
| Forme d’énergie | Où on la trouve | Exemples |
|---|---|---|
| Cinétique | Objet en mouvement | Vent, eau d’une rivière, voiture |
| Potentielle de position | Objet en hauteur | Eau d’un barrage, objet sur une étagère |
| Chimique | Liaisons entre atomes | Pile, carburant, aliments, bois |
| Électrique | Courant électrique | Réseau, sortie d’une pile |
| Thermique | Agitation des particules | Eau chaude, gaz de combustion |
| Lumineuse (rayonnante) | Rayonnement | Soleil, lampe |
| Nucléaire | Noyaux des atomes | Uranium d’une centrale, Soleil |
Voir la fiche générale sur l'énergie.
Les éléments d’une chaîne énergétique
On distingue toujours l'énergie utile (celle qu’on souhaite obtenir) et l'énergie dissipée, appelée pertes, le plus souvent sous forme thermique.
Exemples de chaînes
| Système | Réservoir | Convertisseur | Énergie utile | Énergie dissipée |
|---|---|---|---|---|
| Lampe de poche | Pile (énergie chimique) | Lampe | Lumineuse | Thermique |
| Ventilateur | Réseau (électrique) | Moteur | Cinétique (mouvement des pales) | Thermique, sonore |
| Panneau solaire | Soleil (rayonnante) | Cellule photovoltaïque | Électrique | Thermique |
| Éolienne | Vent (cinétique) | Alternateur | Électrique | Thermique |
| Barrage | Eau en hauteur (potentielle) | Turbine et alternateur | Électrique | Thermique |
| Voiture thermique | Carburant (chimique) | Moteur | Cinétique | Thermique (gaz d’échappement, radiateur) |
| Bouilloire | Réseau (électrique) | Résistance chauffante | Thermique (eau) | Thermique (air, parois) |
Une chaîne peut comporter plusieurs convertisseurs à la suite. Exemple d’une centrale nucléaire : énergie nucléaire → réacteur → énergie thermique → turbine → énergie cinétique → alternateur → énergie électrique. Voir production d’électricité.
La conservation de l’énergie
Pour un convertisseur, l’énergie reçue est égale à la somme des énergies fournies :
E_reçue = E_utile + E_dissipée
Aucune énergie ne disparaît ; une partie devient simplement inutilisable pour l’usage voulu.
Le rendement
| Convertisseur | Rendement approximatif |
|---|---|
| Lampe à incandescence | Moins de 5 % |
| Lampe DEL | Environ 20 à 40 % |
| Panneau solaire courant | Environ 15 à 22 % |
| Moteur à essence | Environ 25 à 35 % |
| Moteur électrique | Souvent plus de 85 % |
| Gros alternateur de centrale | Environ 98 % |
Le rendement d’une chaîne de plusieurs convertisseurs est le produit des rendements : deux étapes à 90 % et 40 % donnent 0,90 × 0,40 = 0,36, soit 36 %.
Expérience classique : la dynamo et la lampe
Matériel : une dynamo de vélo ou un petit moteur utilisé en génératrice, une lampe ou une DEL, des fils.
- Relier la dynamo à la lampe.
- Faire tourner l’axe à la main : la lampe s’allume. Plus on tourne vite, plus elle brille.
- Chaîne : énergie musculaire (chimique) → main → énergie cinétique → dynamo → énergie électrique → lampe → énergie lumineuse, avec à chaque étape des pertes thermiques (la dynamo et la lampe chauffent légèrement).
On peut aussi comparer en touchant brièvement une lampe à filament et une DEL allumées depuis une minute : la première est bien plus chaude, signe d’un rendement plus faible. Attention : une lampe à filament peut brûler, ne la toucher que si elle est alimentée en basse tension et brièvement.
Erreurs fréquentes
- Écrire qu’une pile « produit » de l’électricité à partir de rien : elle convertit de l’énergie chimique stockée.
- Confondre réservoir et convertisseur : la pile est un réservoir, la lampe un convertisseur.
- Oublier l’énergie dissipée dans le schéma.
- Trouver un rendement supérieur à 100 % : c’est le signe d’une erreur de calcul ou d’unités.
Exercice corrigé
Énoncé. Un moteur électrique reçoit 500 J d’énergie électrique et fournit 400 J d’énergie mécanique. 1) Tracer la chaîne énergétique. 2) Calculer l’énergie dissipée. 3) Calculer le rendement.
Corrigé.
- Réseau ou pile (réservoir, ellipse) → flèche « énergie électrique, 500 J » → moteur (rectangle) → flèche « énergie cinétique, 400 J » et flèche « énergie thermique, pertes ».
E_dissipée = 500 − 400 = 100 J.η = 400 / 500 = 0,80, soit 80 %.
Questions fréquentes
Pourquoi dit-on qu’on « consomme » de l’énergie si elle se conserve ?
Par commodité. En réalité, on convertit une énergie utile (électrique, chimique) en formes moins utilisables, surtout de la chaleur diffuse. C’est cette dégradation qui est « consommée ».
Quelle est la différence entre source d’énergie et réservoir ?
Les deux termes sont souvent synonymes au collège. On parle de sources renouvelables (Soleil, vent, eau) quand elles se reconstituent rapidement à l’échelle humaine, et non renouvelables pour les combustibles fossiles et l’uranium. Voir énergies renouvelables.
Une chaîne énergétique et un diagramme de transferts, est-ce la même chose ?
Le diagramme de transferts (ou diagramme d’énergie) détaille les quantités d’énergie, parfois avec des flèches proportionnelles. La chaîne énergétique met l’accent sur les étapes de conversion.