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 2^ème 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

Appareil électro domestiques

Les réfrigérateurs et congélateurs sont les seuls appareils être en service en permanence, ce qui ne signifie pas qu’ils consomment en permanence : le groupe de froid ne se met en route que si la température intérieure a remonté.

Leur puissance est faible, de l’ordre de 200 watts, et n’est appelée qu’environ 20% du temps, soit une consommation quotidienne de l’ordre de 1 KWh, soit en moyenne 40 watts, l’équivalent d’une petite ampoule à incandescence (traditionnelle) qui fonctionnerait en permanence.

Il n’est pas inutile de préciser que, paradoxalement, un réfrigérateur ne refroidit pas la cuisine, mais au contraire la réchauffe. Si son groupe produit par exemple 1 000 joules de froid à l’intérieur en consommant 500 joules sur le réseau électrique, son radiateur situé au dos dissipera 1 500 joules dans la cuisine. Mais le flux thermique à travers l’isolation ou par ouverture de la porte finira par transférer 1 000 joules de la cuisine vers l’intérieur. Au final, il aura bien chauffé la cuisine à hauteur de 1500 – 1000 = 500 joules, soit l’énergie qu’il a reçue du réseau. 

Les réfrigérateurs et congélateurs affichent des consommations électriques de plus en plus basses qui sont obtenues uniquement grâce à l’amélioration de l’isolation, puisque les unités hermétiques (groupes de froid) n’ont guère évolué, sinon par un changement de fluide thermodynamique qui n’apporte rien à cet égard. Cette isolation est donc de plus en plus épaisse. En d’autres termes, pour un même volume extérieur, le volume intérieur s’est significativement réduit, ce qui est un inconvénient. Ils présentent néanmoins l’avantage d’une remontée en température plus lente en cas de coupure d’alimentation.

Les appareils de cuisson sont de très gros consommateurs, de l’ordre de 3 à 4 kw, voire jusqu’à 7 kw (soit 32 A)   pour un four électrique ou une plaque de cuisson, mais cette puissance n’est utilisée en continu que pendant la montée en température. L’énergie utilisée à cet effet sera entièrement perdue au refroidissement de celui-ci. La puissance se réduit après, soit par un variateur, soit par des intermittences. Leur temps d’utilisation est bas, de l’ordre de 2% à 5% du temps.

Solution assez peu utilisée quoique très intéressante, un délesteur, situé dans l’armoire électrique, permet de :

·        couper le chauffage pendant ces pointes de consommation

·        éviter un abonnement plus puissant, et donc plus coûteux,

·        réduire les pointes de consommations.

Ils ont été l’objet de gros progrès :

·       Un four a un rendement déplorable : la part d’énergie absorbée par le chauffage et la cuisson de l’aliment est un pourcentage dérisoire.

·       Un four à convection forcée ("chaleur tournante") réduit le temps de cuisson de 20% et donc la consommation (dans un moindre ratio, car la montée en température, identique, reste perdue).

·        Un mini four réduit plus significativement cette consommation, au prorata de sa taille.

·        Un four à micro-ondes a un très bon rendement, de l’ordre de 70%, mais n’est pas toujours  approprié.

·        Des plaques électriques conventionnelles à résistance nécessitent, comme les fours, une montée en température, qui nécessite une énergie finalement perdue. Leurs pertes en température stabilisée restent importantes.

·        Les plaques électriques à halogène suppriment la montée en température, et réduisent les pertes à température stabilisée.

·     Les plaques à induction arrivent à un très bon rendement : l’essentiel de l’énergie consommée sert effectivement à chauffer l’aliment et son récipient.

L’utilisateur éco-responsable s’équipera de plaques à induction, et utilisera le four à micro-ondes chaque fois que possible. Il évitera les excédents d’eau de cuisson finalement rejetée.

Les lave-linge et lave-vaisselle sont aussi de gros consommateurs, typiquement 2 kw pendant la durée du cycle. Circonstance aggravante, cette énergie est pour l’essentiel perdue sous forme d’eau chaude évacuée à l’égout, et donc ne contribue pas au chauffage. Ils ont néanmoins fait des progrès en réduisant l’énergie et l’eau consommée par cycle. L’utilisateur soucieux d’environnement utilise des cycles courts et moins chauds, souvent prévus par le fabricant comme « éco ». Aucune amélioration spectaculaire n’est à attendre.

Les sèche-linge sont aussi un gros consommateur, mais à la différence des précédents, leur énergie électrique est intégralement réutilisée en hiver comme participant au chauffage. Une variante intéressante consiste à étendre  le linge à sécher dans une pièce munie d’un déshumidificateur électrique, dont la consommation électrique est environ le 1/10^ème d’un sèche linge, réglé sur une hygrométrie de 40%. Dans cet air sec, le linge sèche en quelques heures, silencieusement et sans s’user.

Eclairage

Les lampes à incandescence classiques sont de plus en plus  remplacées par des technologies plus économes , à plus longue durée de vie, mais aussi plus onéreuses, dans l’ordre :

·        Ampoules halogènes 230 V ou 24 V, toujours à incandescence, mais avec rendement amélioré

·        Tubes à décharge conventionnels, dont le rendement est 4 fois supérieur.

·        Tubes à décharge en U, en spirale… dits « ampoules basses consommation », équivalents aux précédents

·        LEDs, au rendement très supérieur (plus de 10 fois).

Ces nouvelles technologies ont aussi quelques inconvénients :

·        Démarrage lent pour la plupart des « ampoules basses consommation »

·        Encombrement souvent supérieur

·        Charge inductive (inductance ou transformateur, en dehors des halogènes 230 V) pas toujours bien supportée par les interrupteurs, notamment les « olives » montés sur les fils. Cette charge inductive  et génératrice de courant réactif qui ne transporte pas d’énergie, mais engendre des pertes en ligne,

et un avantage intéressant pas toujours compris :

·      l’échauffement réduit permet d’augmenter la puissance d’éclairage des lampes, lampadaires et autres appareils, généralement limitée uniquement par la dissipation thermique de l’ampoule.

Bien entendu, la dissipation thermique des appareils d’éclairage participe aussi au chauffage pendant sa période d’utilisation. Il s’en suit qu’en France, actuellement, la réduction des émissions de CO2 par la réduction des pertes n’est pas significative. Pour autant, elle participe aux « négawatts » et reste donc souhaitable, notamment après amélioration de l'efficacité énergétique du chauffage.

Vraies et fausses économies d'énergie électrique

La pensée "écologiquement correcte" nous abreuve par les médias de recommandations culpabilisantes, notamment relatives à l'énergie. Prenons le temps d'y réfléchir quelques minutes afin de distinguer celles qui sont pertinentes et les autres.


Dans la plupart de logements, la température est régulée par un thermostat central, ou par les thermostats des radiateurs, ou, au pire par la réaction de l’occupant qui règle le chauffage à sa convenance.

Tous les appareils électrodomestiques consomment de l’énergie électrique pour remplir leur office (chauffer ou refroidir des aliments, éclairer, aspirer, afficher, calculer, charger, mouvoir…), mais cette énergie est finalement presque entièrement restituée sous la forme dégradée de chaleur dans le logement. Les exceptions sont rares :

·        eau chaude évacuée à l’égout,

·        consommateurs situés hors du périmètre chauffé.

Il s’en suit que pendant la période de chauffage, les pertes des appareils électrodomestiques sont presque intégralement compensées par une moindre consommation de chauffage :

·        Si le chauffage est électrique cette compensation est stricte, dans la même énergie : les pertes sont strictement neutres. Les réduire ne change rien.

·        Si le chauffage est par combustion de gaz ou de fioul, deux cas sont possibles :

o   En période de pointe (~20 jours par an) : le supplément d’électricité dû aux pertes est produit par des centrales thermiques, avec un rendement typique de 35%, soit un coefficient 3. Ces pertes contribuent au chauffage à hauteur de leur puissance, soit 1. La perte est donc de 3 -1 = 2 au niveau de l’énergie primaire alimentant les centrales. Les émissions de CO2 augmentent.

o   En dehors de pointe (~300 jours par an) : les centrales thermiques sont arrêtées. Le supplément de consommation électrique se traduit par un accroissement de la production électronucléaire, sans émission de CO2. La réduction du chauffage due aux pertes réduit les émissions de CO2.

En dehors de la période de chauffage, c'est-à-dire en été où il n’y a pas de pointes, le supplément de consommation électrique dû aux pertes augmente la consommation électrique électronucléaire, sans effet sur le CO2.

Sur l’année complète :

En termes de CO₂, l’amélioration des rendements des appareils électrodomestiques a un effet :

·        plutôt d'augmentation des émissions dans les logements chauffés au gaz, fuel ou charbon,

·        strictement neutre dans les logements à chauffage électrique.

Ce résultat paradoxal résulte du fait que les pertes constituent un chauffage électrique très peu émetteur de CO2.  Bien entendu, il vaut pour la France uniquement.

En termes économiques, cette réduction des puissances consommées est légèrement favorable grâce :

·        à la réduction des pertes électriques en été,

·        et au coût souvent inférieur de l’énergie calorifique de combustion par rapport à celui de l’électricité.

On reste très loin des analyses des fabricants ou des associations de consommateurs qui ont juste oublié que les « pertes » ne sont pas perdues : elles chauffent ! 


Il n'y a donc pas lieu de payer plus cher un appareil plus économe s'il doit être installé dans un logement à chauffage électrique. Ceci est vrai aussi en termes de CO2: un appareil plus cher a probablement une empreinte carbone plus élevée qu'un appareil bon marché: Il n'a d'intérêt écologique que s'il permet réellement de réduire les émissions d'utilisation, correction de chauffage incluse.


En considérant le long terme, l'analyse peut changer :
Le paradoxe ci-dessus résulte du fait que le chauffage est la dépense d'énergie prépondérante.
Si l'on met en oeuvre des solutions améliorant l'efficacité énergétiques, telles que l'isolation, les pompes à chaleur, etc. on arrivera à ce que les pertes considérées ci-dessus cesseront d'être compensées par la réduction du chauffage:

• Avec une pompe à chaleur de coefficient 3, une perte de 100 watts n'entraîne qu'une réduction de chauffage de 33 watts
• Avec une maison très bien isolée en demi-saison, les pertes peuvent excéder le besoin d'apport thermique

La réduction des pertes des appareils électro-domestiques reprend alors tout son sens.

La vraie conclusion est que les efforts doivent porter prioritairement sur l'amélioration de l'efficacité énergétique du chauffage, sans laquelle le reste n'apporte en général pas grand chose. Les produits industriels à rendement amélioré serviront ensuite.


Rien n'est simple! 

Chauffage et climatisation domestiques et tertiaires

L’énergie consacrée au chauffage et à l’eau chaude représente 36 MTEP, dont 20 les MTEP d’origine électrique représentent 54% de la consommation électrique nationale. C’est donc le poste majeur qui mérite tous les efforts de réduction. A cet effet, de nombreuses pistes existent:

Les chauffages « biénergie » mixtes thermique / électricité sont une solution simple et efficace. L’addition de quelques radiateurs ou convecteurs électriques sur tarif ERD Tempo à un chauffage central thermique (gaz ou fuel) est généralement simple et peu coûteuse, y compris dans les nombreux immeubles à chauffage central collectif dépourvu de comptage individuel, générateurs d’énormes gaspillages.

• Le chauffage de base électrique fonctionne en priorité, mais n'est dimensionné que pour la moitié de la puissance de chauffage maximum requise, ce qui est suffisant jusqu’à des températures extérieures supérieures à 8°C. Ce sera le cas en période de chauffage pour tous les jours bleus, et peut-être nuit des blancs selon le prix relatif des deux énergies. 
• Par temps froid (jours blancs), le chauffage central thermique à mi-puissance, donc insuffisant, fonctionne. Le chauffage électrique qui reste variable selon le choix de l'utilisateur, s'y ajoute.
• Aux périodes de pointe (jours rouges), le chauffage thermique à pleine puissance se substitue entièrement au chauffage électrique arrêté.

Cette solution simple et éprouvée, qui ne nécessite que quelques radiateurs électriques de petite puissance supplémentaires dans des logements déjà équipés de radiateurs de chauffage central, a des avantages considérables :

• Elle responsabilise l'utilisateur à sa propres consommation pendant 343 jours par an, soit 94% du temps. 
• Elle réduit  les infrastructures de production et de transport électrique parce qu’elle ne participe pas aux pointes. 
• Elle ne supprime pas les émissions de CO₂ dues au chauffage thermique mais permet quand même de les diviser par 2 ou 3. 
• Elle peut s'effectuer dans une large mesure sans augmentation du parc nucléaire existant, car elle n'augmente la consommation électrique qu'en dehors des pointes.

L’isolation thermique est une solution bien connue, mais insuffisamment mise en œuvre. Elle permet de réduire l’énergie nécessaire au chauffage domestique ou tertiaire. Si l’isolation des bâtiments modernes (murs, baies, toitures) est généralement correcte, beaucoup reste à faire dans le parc ancien, mais c’est difficilement chiffrable compte tenu de l’extrême diversité de ce parc. C’est un axe majeur pour créer des « négawatts » de chauffage, toutes énergies confondues.

Les VMC (Ventilation Mécanique Contrôlée) à double flux comportent un échangeur de chaleur qui transfère à l’air froid entrant les calories récupérées dans l’air chaud sortant. Cette solution simple permet d’économiser de l’ordre de 5% du chauffage.

Les bâtiments HQE (Haute Qualité Environnementale) passifs permettent de se passer de chauffage, sous quelques conditions pas toujours réalisées :

·        être occupés en permanence (1 homme = 50 watts)

·        avoir des appareils ménagers et d’éclairage ayant des pertes thermiques significatives

·        ne pas ouvrir les fenêtres

Ce sont des bâtiments :

·        dépourvus de balcons (pour éviter les ponts thermiques dans leurs dalles),

·        munis de très petites ouvertures, sauf au midi où elles doivent être très grandes (récupération de la chaleur du soleil).

·        Ces dernières doivent être occultées la nuit et ouvertes le jour.

·        Ils doivent donc avoir une façade au midi, ce qui n’est pas toujours possible (urbanisme, topographie).

Il y a bien des solutions écologiques qui n’ont pas ces inconvénients, et qui sont donc à mettre en œuvre en priorité.

Les pompes à chaleur, souvent appelées à tort géothermiques ou aérothermiques, sont une excellente solution, peu connue en France, mais très usuelles en Suisse, en Finlande. Un cycle frigorifique fonctionnant « à l’envers » permet de chauffer un bâtiment en refroidissant le sol (géothermie) ou l’air (aérothermie).

La chaleur utile au chauffage atteint respectivement environ 2 à 3 fois (aérothermie) à 3 à 4 fois (géothermie), voire 5 fois (source froide dans la mer) l’énergie électrique dépensée, divisant d’autant la consommation électrique. L’investissement est assez élevé, mais peut toutefois être réduit en dimensionnant la pompe à chaleur en chauffage de base, soit environ 50% de la puissance maximum par grand froid, mais 90% de l’énergie consommée sur l’année, avec un complément par chauffage non électrique conventionnel, comme en biénergie.

 Ce cycle est régi par le principe de Carnot-Clausius : de la chaleur est prélevée sur la source froide (ici la moins froide possible, l’air ou le sol) et transportée par le fluide thermodynamique vers la source chaude (ici la moins chaude possible, le radiateur ou le sol chauffant). Son rendement est d'autant plus élevé que la différence de température entre les deux "sources" est faible. 

Pour situer l’intérêt de cette solution, remarquons que les applications de chauffage et eau chaude consomment actuellement chaque année:

·        20 MTEP d’énergie électrique,

·        16 MTEP d’énergie thermique  au gaz ou fuel,

·        soit au total 36 MTEP.

Si tout ce chauffage pouvait être remplacé par des pompes à chaleur divisant par 3 la consommation électrique, ce total serait réduit à 16 MTEP électrique, soit moins que l’actuelle consommation électrique. On économiserait ainsi au moins les 16 MTEP ci-dessus d’énergie primaire fossile, soit environ 50 MT de CO₂. C’est une solution majeure.

Les panneaux solaires thermiques en toiture peuvent assurer une part significative de la production d’eau chaude sanitaire en été, et dans une moindre mesure par temps ensoleillé en hiver. Compte tenu du stockage de l’eau chaude dans un ballon, le caractère fatal de l'énergie solaire est moins critique : on peut utiliser la nuit l’eau chaude qui a été produite le jour, contrairement à ce qui se passerait pour des panneaux photovoltaïques.

Paradoxe de la climatisation

Elle est devenue le symbole de la société de gaspillage énergétique. Et pourtant, elle mérite quelques minutes de réflexion.

Notons d’abord que pour transformer une pompe à chaleur utilisée en hiver, en climatisation pour l’été, il suffit de très peu de chose : une vanne dite « 4 voies » sur le fluide thermodynamique, et la récupération de l’eau condensée, selon la technologie utilisée.

En France, pays tempéré, (contrairement aux pays chauds à niveau de vie élevé), les pointes de consommation électrique sont en hiver par temps froid. En été, par canicule, la consommation est faible : la production et la distribution sont assurées par la filière électronucléaire et un réseau de distribution qui sont très loin de leurs maximums : La consommation électrique des climatiseurs tombe donc à point nommé, très peu coûteuse, non émettrice de CO2. Dans des limites raisonnables, et notamment dans les régions méditerranéennes, il n’y a pas lieu de s’opposer à la climatisation, d’autant qu’elle constitue une forte motivation pour s’équiper de pompes à chaleur réversibles qui seront très bénéfiques en hiver.