La comptabilité énergétique pour les nuls

Il arrive que les unités de mesure conventionnels, pouvoir calorifique et autres conversions énergétiques aient le pouvoir de perdre le profane au profit de différentes pensées très éloignées du sujet initial. Petit récapitulatif pour que l’énergie puisse résister à l’importance de la filmographie d’Hans Zimmer ou des résultats de l’équipe sénior de hockey sur gazon du village voisin.    

Pour la fiche mémo, c'est ici

Le sacro-saint produit en croix  

La règle de trois est à l’énergie ce que le fromage, la pomme de terre et l’apéritif sont à l’Auvergnat, au Nordiste et au Provençal : un principe de base. Retour en cours de mathématique au collège Jules Verne. Le produit en croix est une méthode permettant de déterminer la quatrième valeur d’un tableau proportionnel (qui en compte donc 4).

Ce tableau est dit « proportionnel » dès lors que a / b = c / d  ce qui signifie que les résultats (le quotient) des deux fractions sont égaux. Ce résultat définie la relation, la règle mathématique s’appliquant à l’ensemble d’un tableau. Exemple :

 Ici  1 / 2 = 3 / 6 = 0,5 ou  2 / 1 = 3 / 6 = 2. On a donc la règle suivante : 

  

Pour trouver d, on applique donc à c la règle définie par le rapport b / a soit :

Dans notre exemple, nous avons 3 * 2 ÷ 1 = 6. Le compte est bon. 

L’énergie physique, primaire et finale

Après les révisons mathématiques, un peu de physique. En respectant sa définition scientifique, l’énergie est la capacité d’un système à transformer un état, à produire le mouvement ou de la chaleur. On est pas bien avancé. Plus concrètement, il existe plusieurs formes d’énergie dont certaines que nous utilisons quotidiennement telles que l’énergie chimique (la combustion), thermique (la chaleur) ou encore mécanique. Prenons l’exemple d’une voiture avec un bon vieux moteur à explosion.

L’essence dispose d’un pouvoir calorifique, une énergie naturelle qui résulte des liaisons chimiques composant la molécule. Lors de sa combustion, l’énergie chimique est libérée sous forme d’énergie mécanique, le mouvement du vilebrequin et des roues et thermique, la chaleur inutilisable constituant les pertes du système. Le rapport perte/énergie utilisable (ici l’énergie mécanique) définie le rendement du système.

Nous avons donc : Énergie chimique = Énergie mécanique + Énergie thermique

Nous touchons ici la conservation d’énergie, premier principe de la thermodynamique que l’on peut traduire par « ni création, ni perte, transformation ». L’allégorie du cycle de l’eau est ici très représentative ; l’eau s’évapore, puis se condense sous forme de pluies et de neiges. Elle se transforme ou en liquide ou en solide ou en matière vivante mais n’est ni détruire ni créée. Respectant ce principe de conservation, nous ne créons pas de l’énergie mais la transformons pour la rendre utilisable. 

Le terme « énergie » tel qu’on l’entend quotidiennement désigne en réalité une source d’énergie utilisable (pétrole, charbon, vent, soleil...). Comme rien n’est simple, il existe quelques particularités applicables à l’énergie et notamment la distinction énergie primaire et finale. 

  

En vous levant, vous allumez votre machine à café, ouvrez votre frigidaire le temps d’accepter qu’il y ait peu de chance que les tasses y soient rangées et émergez devant la télévision ou en écoutant la radio. Ce rituel matinal nécessite une consommation d’énergie dite « finale », c’est à dire l’énergie dont vous avez besoin en tant que consommateur. En additionnant à l’énergie finale les pertes survenues lors de son acheminement et la consommation d’énergie liée à sa production (les pertes du système), on obtient l’énergie primaire. C’est aussi simple que ça.

Unités de mesures et conversions

Commençons par une base, les préfixes kilo (k), méga (M), giga (G) et téra (T) couramment utilisés pour définir les grandeurs énergétiques. Kilo étant équivalent à mille, méga à million (le M de million à dont la même valeur que le M de méga), giga à milliard et téra à billion, ou mille milliards, « billion » étant également la traduction anglaise de « milliard ».

Précision effectuée, entrons maintenant dans le vif du sujet avec la flopée d’unités à laquelle nous sommes constamment soumis. La plus répandue est le wattheure, qui est une quantité d’énergie définie par le produit puissance * temps avec temps en heure. Application pratique, une ampoule de 5 watt consomme donc 5 watt par heure, si vous la laissez allumé 3000 heures par an, vous consommerez donc 15000 wattheures dans l’année (je vous laisse convertir en kilowattheure). Vous êtes ainsi en mesure de calculer les économies d’énergie réalisables en remplaçant vos vieilles ampoules halogènes de 50W par des LED à 4W.

Pour le gaz résidentiel, c’est encore plus simple. Pour convertir en kwh facturé une consommation gazière relevée en mètre cube, le fournisseur applique un coefficient de conversion qui traduit la quantité d’énergie contenue dans un m³ de gaz. Pour les conversions macro-économiques, même procédé mais avec une donnée moyenne, le pouvoir calorifique inférieur et supérieur (PCI et PCS) qui évalue l’énergie dégagée lors de la combustion de matière. La différence entre les deux réside dans la récupération (supérieur) ou non (l’autre) de l’eau formé lors de la combustion.

Enfin la tonne d’équivalent pétrole (tep) ou tonne of oil equivalent (toe) en anglais, qui a remplacé la tonne d’équivalent charbon dans la comptabilité énergétique internationale. Cette unité nous permet de transiter vers la conversion énergétique, et oui pour avoir une équivalence, il faut convertir.

Le processus est simple : convertir en joule par l’application du PCI ou de l’égalité 1Wh = 3600J  (la raison est détaillée plus bas). La combustion d’une tonne de pétrole libère ainsi une énergie de 41,868 Giga joules. Règle de trois, et 1 tep = 11 630 kWh

Terminons sur un exemple pratique, la consommation de 100 litres d’essence. Son PCI est de 44 GJ par tonne. Première étape, convertir nos litres en tonnes à l’aide de de la densité de la matière, ici 740 kg/m³. Étant donné qu’un mètre cube contient 1000 litres, on arrive au résultat de 0,74 kg par litre d’essence soit 0,074 t et 3256 MJ pour nos 100 litres.

100 litres d’essence sont ainsi équivalents à 904,4 kWh (3256 MJ / 3600 MJ par MWh * 1000 kWh par MWh) et 0,078 tep (3256 MJ / 41868 MJ par tep).

Vous êtes parés.

Particularité électrique

La comptabilité énergétique est réalisée sur la base du « contenu énergétique » des ressources disponibles. Or l’électricité n’est pas une ressource disponible mais une énergie secondaire produite par transformation d’une énergie primaire (gaz, charbon, eau, vent, etc...) dont le rendement varie selon les systèmes. Un coefficient d’ « équivalence primaire à la production » est donc appliquer au nucléaire et à la géothermie (respectivement 0,33 et 0,10).

De Joule à Watt en passant par Newton

Quelle est la relation physique entre le joule, le Watt et le Newton ? 

Le Newton (N) est la force imprimé à une masse de 1 kg d’1 mètre par seconde au carré ou N = 1kg * m/s² 

En énergie mécanique, le watt est la force générée par 1 newton se déplaçant sur une distance d’1 mètre pendant 1 seconde ou W = 1N * m/s 

L’énergie cinétique (en joule) dégagée par une masse en mouvement  s’exprime par la formule        J = 1 / 2 m * v² avec m en kilo et v²  en m/s soit 1 J = 1 kg * v²

Jouons avec ces trois constantes. 

Si

N = 1 kg * m/s²     et       1 J = 1 kg * (m/s)²

Alors

1 J = 1 N * m

Et si 

1 J = 1 N  *m          et      1 W = 1 N * m/s

Alors

1 J = 1 W / s     ou      60 J = 1 W / minute     ou      3600 J= 1 W / heure