Aujourd’hui, les énergies renouvelables peuvent apparaître comme une alternative aux énergies fossiles mais la quantité d’énergie disponible ne suffira pas à couvrir tous nos besoins. Il faut certes apprendre à consommer moins d’énergie mais aussi et surtout apprendre à la consommer au mieux. Et c’est là qu’intervient la notion d’efficacité énergétique.
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Pour une quantité d’énergie de départ donnée, il est possible d’optimiser les procédés pour en retirer le maximum d’énergie finale. Un exemple simple est la généralisation des ampoules fluocompactes. Pour un même service attendu, la génération de lumière pour éclairer une pièce d’habitation, et avec la même source d’énergie au départ, l’électricité, la technique fluocompacte utilise six fois moins de ressource que l’ampoule à incandescence. On peut trouver des exemples dans de nombreux domaines : nouveaux moteurs pour les voitures, nouveaux matériaux pour l’isolation, etc. En 10 ans l’industrie française a diminué sa consommation de 18 %, non pas en produisant 18 % de moins mais grâce à l’amélioration des procédés. En 18 ans, on a assisté à une amélioration de 24 % dans le résidentiel et 15 % dans les transports.
Le soleil est certes abondant mais…
Le domaine des énergies renouvelables en général, et de l’énergie solaire en particulier ne doit pas échapper à cette optimisation des procédés. Certes le flux solaire est abondant et bien supérieur aux besoins d’énergie des habitants de cette planète mais le capter n’est pas gratuit : il faut du matériel spécifique (capteurs solaires, panneaux photovoltaïques) qui représente souvent une part importante de l’investissement et des surfaces au sol disponibles. Entrons un peu plus dans la subtilité du sujet grâce à la science de l’énergie : la thermodynamique. Que nous dit-elle ? Qu’il existe une limite maximale pour produire une utilité donnée (de l’électricité, du froid, de la chaleur…) à partir d’une certaine ressource. Tout procédé réel peut s’en approcher, mais jamais la dépasser. L’écart entre le rendement idéal et le rendement d’un procédé réel est dû aux irréversibilités créées par
cinq causes, s’ajoutant les unes aux autres : le transfert de chaleur (qui va spontanément du chaud vers le froid), la friction (les frottements), la diffusion (qui conduit à des mélanges spontanés visant à homogénéiser la matière), les réactions chimiques (qui n’ont lieu que dans un seul sens) et l’effet Joule (un courant électrique qui passe dans un
matériau entraîne un dégagement de chaleur qui est perdue pour le système). L’analyse d’un procédé en utilisant les lois de la thermodynamique (en particulier le second principe) fait le lien entre les irréversibilités et l’efficacité de la conversion de l’énergie ressource en énergie utile. Cela permet d’identifier les différentes causes de baisse d’efficacité, de les localiser et de les quantifier. Pour un investissement donné, il est ainsi possible de savoir ce qu’il est pertinent d’améliorer en priorité pour tirer le meilleur profit de la source d’énergie initiale. Appliquées à la conversion de l’énergie solaire, de telles études permettent de quantifier l’influence de la ressource solaire locale (flux direct ou diffus) sur le rendement de captation, pour un capteur plan (celui d’un chauffe-eau solaire) ou pour un capteur à concentration, ce qui permet de choisir le meilleur.
Thermodynamique : branche de la physique qui étudie la transformation de la chaleur en travail.
CONTACT
Michel Pons, Laboratoire d’Informatique pour la Mécanique et les Sciences de l’Ingénieur (limsi), mpons@limsi.fr