Rendement global d’une chaîne énergét
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Le double rendement : l’appareil et toute la chaîne
Deux rendements pour un seul appareil
Le rendement d’un appareil compare ce qu’il rend à ce qu’il absorbe : un moteur qui reçoit 1 000 W électriques et fournit 900 W mécaniques sur son arbre a un rendement de 90 %. C’est le chiffre de la plaque signalétique, et il est juste.Mais ces 1 000 W ne sont pas nés dans la prise. Ils ont été produits dans une centrale, transportés, transformés, distribués. Chaque étape a son propre rendement, et les rendements d’une chaîne se multiplient : ils ne s’additionnent pas, et ne se moyennent pas.Derrière une centrale thermique à combustible, le moteur « à 90 % » ne transforme donc qu’un tiers de l’énergie de départ en travail. Retenez la règle : 0,40 × 0,93 × 0,90 ≈ 0,33. Le maillon le plus faible pèse plus lourd que tous les autres réunis ; améliorer le moteur de 90 à 92 % change peu de chose, améliorer la centrale de 40 à 60 % change tout.
La barrière de Carnot
Pourquoi la centrale plafonne-t-elle à 40 % quand le moteur atteint 90 % ? Parce qu’elle doit passer par la chaleur. Toute machine qui transforme de la chaleur en travail (turbine à vapeur, moteur à essence, moteur diesel) est limitée par une loi de la thermodynamique, établie par Sadi Carnot en 1824 :Rendement maximal théorique :
η max = 1 − T froide / T chaude, les températures étant en kelvinsTempérature absolue : kelvins = degrés Celsius + 273. Le zéro absolu, 0 K, vaut −273 °C..
Pour une vapeur à 550 °C (823 K) rejetant sa chaleur à 30 °C (303 K) : 1 − 303 / 823 ≈ 63 %. C’est un plafond théorique, jamais atteint ; en pratique on obtient 35 à 45 %. Le reste part obligatoirement en chaleur, dans le condenseur, la rivière ou l’air.
Un moteur électrique, lui, ne passe jamais par la chaleur pour produire son couple : il transforme directement une énergie électrique en énergie mécanique. Carnot ne le concerne pas, d’où ses 90 à 97 %. Ses pertes (effet Joule, fer, frottements) sont des défauts, pas une loi.
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Moteur électrique contre moteur thermique
La comparaison se fait souvent à l’envers. À l’appareil, il n’y a pas de match : 90 % contre 30 à 40 % au mieux, et plutôt 20 % en ville, où le moteur thermique travaille loin de son point optimal et consomme même à l’arrêt.Sur toute la chaîne, l’écart se resserre. Du puits à la roue, l’essence perd environ 15 % en extraction, raffinage et transport, puis les trois quarts dans le moteur : il en reste de l’ordre de 20 %. L’électricité issue d’une centrale thermique arrive au moteur autour de 30 %, charge de la batterie comprise ; issue de l’hydraulique, de l’éolien ou du solaire, la question change de nature, car le soleil ne s’épuise pas.
Le vrai point faible est ailleurs :
Un kilogramme d’essence contient environ 12 800 Wh ; à 35 %, il en rend 4 500 utiles. Un kilogramme de batterie en contient 150 à 200 ; à 95 %, il en rend environ 170. Rapport : à peu près 25 pour 1. Le moteur électrique gagne la bataille du rendement, il perd celle de l’énergie emportée. Les deux chiffres sont vrais, et un technicien doit savoir dire les deux.
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