mardi 29 novembre 2011

Rendements comparés des filières de production

Le rendement est, pour chaque filière, le rapport entre l’énergie électrique produite et l’énergie primaire utilisée. Sa comparaison entre technologies n’a que peu de sens, car leurs énergies primaires sont de natures et de coût très différents (voir 1.1 ci-dessus). (Attention à des utilisations fantaisistes du mot « rendement », notamment au sens de taux de taux de disponibilité de la puissance installée, qui n’a rien à voir avec un rendement).

Lorsque l’énergie primaire est gratuite ou peu chère, le rendement devient moins important, mais conserve quand même un impact sur :
·   l’investissement qui devra, pour une même puissance produite, être majoré si le  rendement est moins bon (éoliennes, photovoltaïque),
·        la quantité d’énergie primaire qui peut être gratuite, mais pas illimitée (hydraulique).

A l’exception du photovoltaïque, toutes les filières passent par l’énergie mécanique, qu’un alternateur convertit en énergie  électrique. Le rendement des alternateurs est de très bon (petites puissances) à excellent (pertes très inférieures à 0,1%) sur les grosse puissances. Ce rendement est un peu pénalisé dans les éoliennes dont la vitesse variable  et lente nécessite généralement un multiplicateur mécanique de vitesse à plusieurs étages, et un convertisseur de fréquence.

Les filières dont l’énergie primaire est mécanique on un rendement qui est :
·        moyen pour les éoliennes, de l’ordre 40% de l’énergie cinétique du vent dans le cercle balayé par l’hélice,
·        bon pour les centrales hydrauliques (autour de 90% selon les configurations),

Les filières électrothermiques partent d’une source de chaleur (à la température T1 la plus élevée possible), d’origine soit chimique (combustion de charbon ou d’hydrocarbures), soit nucléaire, et transforment cette chaleur en énergie mécanique grâce à :
·        un moteur à combustion interne (gaz ou hydrocarbure) en petites puissances
·        une turbine à combustion interne (turbine à gaz ou à fuel)
·        une turbine à combustion externe, le plus souvent à vapeur d’eau surchauffée :
o   soit dans une chaudière, par la combustion (centrales thermiques)
o   soit dans un échangeur lui-même alimenté par l’eau primaire (centrales nucléaires)

Toutes les filières à combustion externe nécessitent aussi une « source froide », à une température T2 aussi basse que possible : cours d’eau, mer ou tour de réfrigération atmosphérique qui refroidit la vapeur, éventuellement saturée en fin de cycle, afin d’améliorer le rendement



Dans les moteurs à combustion interne, la source froide est à la température T2 des gaz d’échappement, que l’on ne maîtrise pas.

Dans tous ces cas, le rendement est déterminé par le 2ème principe de la thermodynamique, dit de « Carnot-Clausius », selon lequel le rendement ne peut excéder un maximum théorique égal à 1  - T2/T1 (en degrés Kelvin, soit Celsius + 273). Toutes ces filières ont donc des rendements limités dont l’ordre de grandeur est :

·      40% pour les centrales thermiques à combustion interne (turbine à gaz ou moteurs) : T2 à l’échappement trop haut. Dans les centrales de cogénération, cette chaleur ramenée à la source « froide » est réutilisée, notamment pour du chauffage urbain.

·        40% pour les centrales thermiques à combustion externe (turbines à vapeur) : T1 en sortie de chaudière trop bas.

·      35% dans les centrales nucléaires, un peu inférieures aux précédentes en raison de la présence, entre l’eau primaire et l’eau secondaire, d’un échangeur qui réduit encore  T1.

·     Jusqu'à 58% pour les nouvelles centrales thermiques à cycles combinés, constituées d’une turbine à gaz suivie d’une turbine à vapeur, qui autorisent simultanément T1 haut et T2 bas.

La comparaison des rendements ci-dessus a peu de sens : le coût du combustible et l’émission de CO2 des centrales thermiques n’ont pas d’équivalent dans les centrales nucléaires dont le rendement n’est donc pas un paramètre primordial.

Le rendement du photovoltaïque est le rapport entre l’énergie lumineuse reçue du soleil et l’énergie électrique produite. Dans les meilleures conditions, un panneau reçoit 1342 w/m², et fournit 15 à 40 w/m² électriques, soit un rendement bas, de 5% (silicium amorphe) à 15% (silicium cristallin), mais qui n’a qu’une importance relative : les panneaux sont coûteux, mais le soleil est gratuit et illimité