Intuitivement, tout le monde sait ce qu’est l’énergie, mais il n’est pas si facile de la définir, car elle n’est pas directement accessible à nos sens : on n’en ressent que les effets, sous deux formes, le travail et la chaleur. C’est une propriété d’un système physique capable de fournir du travail, ou, plus généralement, de modifier d’autres systèmes avec lesquels il interagit. La chaleur peut faire bouillir de l’eau, l’énergie mécanique peut mettre un véhicule en mouvement, etc. La quantité d’énergie est le produit de l’intensité de ce travail (la "puissance") par le temps durant lequel cette puissance est fournie.

A la fin du XVIIè siècle, Denis Papin a su utiliser la chaleur pour faire avancer son "fardier", mais c’est seulement dans la deuxième moitié du XVIIIè que James Watt inventera des machines à vapeur efficaces. Ce n’est qu’au cours du XIXè siècle que la notion d’énergie s’est peu à peu précisée, et que l’on a formulé les lois de la "thermodynamique" qui la régissent : conservation de l’énergie lors des changements d’état d’un système isolé, dégradation de l’énergie mécanique en chaleur. Il faudra attendre le début du XXè siècle pour réaliser, avec Einstein, qu’énergie et masse sont deux aspects d’une même propriété fondamentale de la matière.

   
   
   
   
   
   
Dans la vie courante, on rencontre et on utilise l’énergie sous bien des formes :

- L’énergie mécanique : celle des moteurs, des muscles
- L’énergie calorifique : celle de la chaleur, du chauffage, de la cuisson
- L’énergie cinétique : celle de la voiture, de la balle de tennis, du vent
- L’énergie chimique : celle de la nourriture, des carburants
- L’énergie lumineuse : celle qu’on reçoit du soleil, celle des lasers
- L’énergie nucléaire : celle des étoiles, des centrales nucléaires

Il s’agit bien de différentes formes de la même chose. C’est pourquoi on peut passer d’une forme à l’autre, et on utilise les mêmes unités pour les mesurer.

Par exemple : l’énergie chimique du mélange de l’essence et de l’air se transforme en énergie calorifique dans le cylindre du moteur de voiture, puis en énergie mécanique du piston, ensuite transmise aux roues, et finalement en énergie cinétique de la voiture, tandis qu’une petite partie de l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique dans l’alternateur et en énergie lumineuse dans les phares.

   
Quand on transforme de la chaleur en énergie mécanique, le rendement de l’opération dépend de la différence de température entre une source chaude (par exemple de la vapeur produite dans une chaudière, ou des gaz chauds produits par la combustion d’essence dans le cylindre d’un moteur de voiture) et une source froide (l’eau d’une rivière, ou l’air extérieur). Cette relation a été formulée en 1824 par Sadi Carnot. Ce rendement théorique est de 50 % avec une température de vapeur de 320°C et une température de rivière de 20°C – valeurs typiques pour une centrale nucléaire – mais le rendement réel est plus près de 35 % en l’occurrence.
Les unités physiques de base ont été choisies à l’échelle humaine. Le mètre est voisin de la taille d’un enfant, et nous nous représentons facilement un millimètre ou un kilomètre. De même, le kilogramme est une unité de masse facile à évaluer, et tout le monde voit bien ce que représente un gramme ou une tonne. Même la seconde, un peu courte, est facile à appréhender. Un newton est la force de pesanteur terrestre qui s’exerce sur une unité de masse de 102 grammes (comme la pomme ?) : pas de problème. On peut imaginer que les fourmis auraient choisi le millimètre, et les éléphants, la tonne…

En revanche, les unités dérivées de ces unités de base ne sont pas forcément d’un usage commode : le pascal, qui exprime la pression d’une force de 1 newton par mètre carré de surface est si petit qu’il en faut 100 000 pour mesurer la pression atmosphérique : on n’utilise guère que les multiples de cette unité (et nous verrons plus tard que c’est bien pire avec le becquerel !). En fait, une bonne unité, c’est celle qu’on utilise couramment entre un millième (milli-unité) et mille (kilo-unité). Son choix dépend donc souvent de l’usage qu’on en fait.
Les scientifiques utilisent en général deux unités pour mesurer l’énergie. Pour la physique courante, c’est le joule (J), une unité petite qui mesure le travail nécessaire pour soulever de 10 centimètres une masse de kilo. A l’échelle de l’atome, l’unité d’énergie est l’électronvolt (eV), qui est l’ordre de grandeur des échanges d’énergie entre molécules lors des réactions chimiques.
La puissance qui produit un joule en une seconde s’appelle le watt (W). Comme le joule est très petit, on utilise souvent dans la vie courante le kilowattheure (kWh), qui vaut 3,6 millions de joules (c’est lui qui apparaît sur les factures d’électricité).

Pour les économistes, le kilowattheure est encore trop petit : ils ont inventé une unité plus commode pour eux, la tep, tonne d’équivalent pétrole : en effet, 1,6 tep représente la consommation moyenne annuelle d’énergie d’un habitant de notre planète. Pour la consommation d’un pays, on parlera de millions de tep (Mtep), voire de milliards de tep (Gtep).

On distingue trois "niveaux" d’énergie, en fonction des transformations qu’elle a pu subir :
On appelle énergie primaire, celle qu’on recueille ou récupère directement de la nature : pétrole brut sortant du puits, charbon extrait de la mine, chute d’eau au pied d’un barrage, énergie lumineuse arrivant sur un capteur solaire ou chaleur produite dans le cœur d’une centrale nucléaire.

C’est rare d’utiliser directement l’énergie primaire. En général, on la convertit en énergie secondaire, électricité ou carburant, dans des raffineries ou des centrales électriques. Mais primaire ou secondaire, l’énergie doit encore être transportée et distribuée à son utilisateur final : on parle alors d’énergie finale. L’énergie finale, c’est par exemple l’essence dans votre réservoir, le gaz naturel au brûleur de votre cuisinière, ou l’électricité à votre compteur bleu. Et même l’énergie finale n’est pas notre besoin ultime. Nous voulons le déplacement en voiture, la cuisson des aliments, l’éclairage des pièces et l’alimentation de notre téléviseur : c’est l’énergie utile.
Comme on dépense de l’énergie pour les étapes de conversion, de transport et de distribution, l’énergie finale n’est qu’une fraction de l’énergie primaire. Au plan mondial, toutes énergies confondues, l’énergie finale est un peu plus de la moitié de l’énergie primaire.
Pour fixer les idées, quelles sont les quantités nécessaires pour produire 1 kilowattheure d’électricité ?

- Hydraulique : 10 tonnes d’eau chutant de 40 mètres
- Eolien : 20 000 m3 d’air à 60 km/h
- Chimique : combustion de 0,1 kg de carburant
- Biologique : un bon dîner
- Thermique : vaporisation de 1,5 kg d’eau
- Nucléaire : fission de 0,1 milligramme d’uranium

Nos lointains ancêtres n’avaient comme source d’énergie que la chaleur solaire directe et les calories de leur nourriture … crue. C’est il y a environ 400 000 ans que l’homme a appris à maîtriser le feu et à utiliser le bois pour se chauffer, faire cuire ses aliments et s’éclairer un peu. Sans doute aussi pour se défendre contre les animaux sauvages. Malgré une contribution des moulins à eau et à vent, le bois est resté la source d’énergie principale jusqu’au milieu du XIXè siècle. Avec la révolution industrielle, c’est le charbon qui est devenu la source prépondérante d’énergie, le pétrole remplaçant alors l’huile de baleine pour l’éclairage. La deuxième moitié du XXè siècle a vu le pétrole s’installer comme énergie reine, suivi du gaz tandis que commençait l’exploitation de l’énergie nucléaire et des formes modernes d’énergie renouvelable. Alimentée par ces sources de plus en plus diversifiées, l’humanité a connu une croissance démographique phénoménale, et un développement économique fantastique quoique très inégal. Mais nous commençons à mesurer l’impact sur la planète de notre fringale d’énergie.

On distingue deux grandes catégories de sources d’énergie : les énergies de flux, ou renouvelables, et les énergies de stock, non renouvelables, fossiles et fissiles.

Les énergies de flux se renouvellent spontanément - à l’échelle humaine, en tout cas. Leur source principale est le Soleil, dont on pense qu’il continuera à éclairer et chauffer la planète encore quelques milliards d’années. Il est à l’origine de l’énergie solaire, bien sûr, mais aussi de la biomasse et des énergies éolienne et hydraulique, par la photosynthèse chlorophyllienne, les différences de pression atmosphérique et le cycle évaporation/précipitation de l’eau.

L’énergie des marées nous vient plutôt de l’attraction de la Lune, et l’énergie géothermique provient directement de la radioactivité de la Terre.

La biomasse n’est renouvelable qu’en dessous d’un certain rythme d’exploitation (sinon on provoque la déforestation). De plus, si le rayonnement solaire, le vent et les marées sont renouvelables et gratuits, les installations qui récupèrent ces énergies ont une durée de vie limitée, de quelques dizaines d’années pour un capteur solaire ou une éolienne à près d’un siècle pour un barrage. Il faut donc non seulement les construire, mais les entretenir et les remplacer en fin de vie. Les sources renouvelables sont souvent intermittentes et peu concentrées. Une source intermittente, surtout si elle est en plus aléatoire, est un inconvénient s’il s’agit de produire de l’électricité, dont on ne sait pas stocker de grandes quantités. Le caractère peu concentré se traduit par une grande taille des installations de captage qui nécessitent, de ce fait, de grandes quantités de matériaux.

Comme on le voit sur le tableau ci-dessous, l’essentiel de la consommation mondiale d’énergie est assurée aujourd’hui en puisant dans les stocks non renouvelables de combustibles fossiles, pétrole, charbon et gaz, et de matières fissiles, uranium et thorium. En fait, la planète continue a fabriquer du charbon et des hydrocarbures, mais à un rythme si lent que ce renouvellement est négligeable : nous brûlons chaque année ce que la planète a pris un million d’années pour fabriquer. Bien sûr, l’évaluation de la taille des stocks récupérables dépend de beaucoup de facteurs. En cherchant plus loin et plus profond, en perfectionnant les technologies d’exploration et d’extraction, on pourra exploiter des ressources moins concentrées, mais à un coût supérieur, avec une dépense d’énergie plus grande et un impact environnemental plus important. En dernier ressort, l’épuisement des stocks est inéluctable.

Les matières fissiles ne sont pas renouvelables, mais elles constituent des stocks d’énergie très considérables à l’échelle humaine. Il en est de même pour le lithium, matière première de la fusion nucléaire.

Les énergies de stock sont concentrées, et utilisables à la demande.

De 2000 à 2014, la consommation mondiale d’énergie primaire est passée de 10 à 12,3 Gtep, soit une croissance double de celle de la population. En pourcentage, seul le charbon a augmenté sa part.