Rendements

Rendements de conversion d’énergie

Toute conversion d’énergie d’une forme à une autre s’accompagne de pertes. Par exemple, Une turbine à gaz impose de comprimer le mélange air-gaz. Une partie de l’énergie contenue dans le gaz va donc à la compression. Une autre partie est perdue sous forme de chaleur. On obtient donc en énergie mécanique de rotation de la turbine moins que l’énergie de la combustion du méthane. On appelle rendement le rapport de l’énergie utile obtenue, à l’énergie fournie. C’est un terme imprécis en ce qu’il dépend du contexte ou de l’intention (énergie « utile » en sortie). Consultez des gens plus compétents que moi. Il faut distinguer les rendements théoriques ou expérimentaux des rendements industriels effectifs. Comme nous nous intéressons aux problèmes de l’énergie à l’échelle de la société, le plus intéressant serait de prendre des statistiques effectives d’énergie entrante et sortante d’installations industrielles existantes.

On peut parler du rendement d’une conversion particulière ou du rendement d’une filière. Pour l’électricité, on couple la turbine à gaz à un alternateur qui a lui-même de petites pertes thermiques par frottement : on en tire un peu moins d’électricité que l’énergie mécanique de rotation fournie. Le rendement de la production d’électricité à partir de gaz naturel par un groupe turbine-alternateur est le produit du rendement de la turbine par le rendement de l’alternateur. Le rendement du stockage de l’électricité en énergie potentielle communiquée à de l’eau, c’est le rendement combiné (le produit des rendements) des deux opérations : pompage à partir de l’électricité ; la production hydroélectrique qui restitue l’électricité. Si on décompose en deux les deux groupes, c’est même le produit de quatre rendements : moteur, pompe ; turbine, alternateur.

On lit parfois, ou on entend dire, que le rendement des énergies « renouvelables » est de 100 % ou presque. C’est une convention comptable, mais une absurdité physique. Comme le vent ou la lumière sont une énergie primaire gratuite, on ne prend pas la peine de la comptabiliser. Ce serait un travail difficile de calculer constamment l’énergie du vent qui rencontre les éoliennes, et un travail peu utile puisque c’est gratuit. S’il faut cependant faire, par exemple pour un pays, le compte de sa dépense d’énergie primaire, on prend conventionnellement, pour l’éolien et le photovoltaïque, l’énergie de l’électricité en sortie. Le rendement étant le rapport de l’énergie en sortie à l’énergie primaire, si on identifie par convention l’énergie primaire à l’énergie en sortie, le rendement est bien sûr de 100 %, mais ça n’a aucune signification physique. En fait le rendement d’une éolienne est aussi mauvais que celui de machines thermiques et le rendement du photovoltaïque est plus mauvais encore.

Facteur de charge

Une source d’énergie peut ne pas être disponible tout le temps (intermittence du vent, du rayonnement solaire), ou bien l’équipement (pannes, maintenance). On appelle facteur de charge le rapport de l’énergie obtenue effectivement au bout d’un an à l’énergie qu’on obtiendrait si l’équipement travaillait à sa puissance nominale pendant les 8 766 heures de l’année.

Le facteur de charge dépend à la fois de la disponibilité, de l’équipement (1) ou de la source (2), et de la demande (3), ce qui en fait un concept à la fois technique et économique. Ici aussi le plus intéressant est de voir la production annuelle effective d’installations industrielles existantes.

1. Un équipement ne peut pas produire de l’électricité pendant 100  % du temps. Il y a nécessairement des contrôles et des entretiens qui demandent un arrêt de production. Il peut y avoir des arrêts accidentels et on peut dans une certaine mesure compter une probabilité d’incidents entraînant un arrêt. Tout cela constitue une composante en quelque sorte intrinsèque du facteur de charge que l’on a appelé availability factor ci-dessus. C’est la proportion du temps où l’équipement est disponible, qu’on l’utilise ou non.
2. Il se peut que l’équipement soit disponible mais que la source fasse défaut à un moment donné (hydraulique, vent, lumière).
3. Un manque de production sur l’année peut n’être imputable ni à la source ni à l’équipement, mais être dû au manque de demande. Dans un fonctionnement très centralisé, des équipements peuvent être modulés selon la demande. Dans un fonctionnement soumis au marché, des équipements peuvent être mis en service ou arrêtés selon le prix de marché en relation avec la demande.

J’ai réuni quelques données sur les facteurs de charge (en comptant 8 766 heures par an).