EFFICACITE ENERGITIQUE

THERMODYNAMIQUE

Réalisé par : Ismail EL HILALI

Plan

Chapitre I Introduction

Chapitre II Machines thermiques et leur efficacité énergétique

Chapitre III Exemples d’efficacités énergétiques de conversion

Chapitre IV Conclusion

1. INTRODUCTION1) Définitions:

-  l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension, qui est le rapport entre ce qui peut être récupéré utilement de la machine sur ce qui a été dépensé pour la faire fonctionner

Cette notion est souvent confondue avec une définition du rendement thermodynamique, pour des systèmes dont l'efficacité énergétique théorique maximale est inférieure à un, comme les moteurs dithermes ou les moteurs électriques. Toutefois, il est déconseillé d'utiliser le terme de rendement à la place de l'expression efficacité énergétique pour des machines dont l'efficacité énergétique théorique maximale est supérieure à un, comme les systèmes disposant d'un cycle récepteur de la chaleur ambiante, telle une pompe à chaleur.

En économie, le terme d’efficacité énergétique est utilisé de manière synonyme de l’efficience énergétique, qui consiste à réduire les consommations d’énergie, à service rendu égal.

2) Rappels: Premier principe de la thermodynamique:

On appelle énergie interne, U, une grandeur extensive définie comme la somme de toutes les énergies échangées entre le système et le milieu extérieur. Ces énergies sont de deux types : les travaux des forces (W) qui s’exercent sur le

système, les quantités de chaleur (Q) qui s’échangent.

Le premier principe postule que la variation d’énergie interne ΔU d’un système ne dépend que de l’état initial et de l’état final du système. ΔU = Ufinal - Uinitial est indépendant des transformations qui amènent le système de l’état initial à l’état final. Si des travaux W et des quantités de chaleur Q amènent le système de l’état initial à l’état final : ΔU = W + Q.

Second principe de la thermodynamique:

« L’entropie d’un système isolé ne peut faire que croître ou rester stationnaire » :

dS 0« L’entropie de l’univers ne peut que croître ou rester stationnaire-- La fonction S (entropie) est une fonction d’état, sa différentielle est une différentielle totale exacte.-La fonction S (entropie) est une fonction additive, variable extensive - Dans une transformation élémentaire quelconque :

dS = deS + diS

deS représente la variation d’entropie résultant d’apport extérieur,

diS représente l’entropie produite à l’intérieur du système du fait des phénomènes irréversibles qui s’y déroulent.

diS 0

Les machines thermiques:

Une machine thermique ditherme n’échange de l’énergie par transfert thermique qu’avec deux sources de chaleur. La machine constitue le système (Σ).Le système échange :

– le travail W du milieu extérieur ;– la quantité de chaleur d’une source froide à la

température ;– la quantité de chaleur d’une source chaude à

la températureCes grandeurs sont positives si elles sont effectivement reçues par le système. Elles sont négatives dans le cas contraire.

2. Machines thermiques et leur efficacité énergétique

1) Classification des machines thermiques

La différence entre la chaleur reçue de la source chaude et la chaleur fournie à la source froide est convertie en travail pour faire tourner le MOTEUR THERMIQUE

Le travail fourni inverse le sens naturel des échanges de chaleur, il prélève de la chaleur à la source froide et rejette de la chaleur à la source chaude.

• La fonction du RÉFRIGÉRATEUR est de refroidir la source froide.

• La fonction de la POMPE À CHALEUR est de réchauffer la source chaude

2) Moteur thermique

Soit un moteur réversible qui est représenté par le schéma suivant :

Source chaude: T1

Source froide: T2

MoteurQ1 > 0

Q2 < 0W < 0

Schéma du moteur de Carnot

La source froide est la source gratuite ( ambiance)

T1 > T2

Le rendement d’un moteur est défini par:

Effet utileconsomation

Cycle de Carnot moteur

1

cycleWQ

1

cycleWQ

11

Pour un cycle on a : DU = Wcycle + Q1 + Q2 = 0 Wcycle = - ( Q1 + Q2 )

1

cycleWQ

1 2

1

Q QQ

2

1

1 QQ

0B C D A

A B C D

dS dS dS dS

En appliquant le 2ème principe pour ce cycle réversible on a :

0C A

B D

dS dS On a

1 2

0B D B D

A C A C

Q QdS dST T

1 2

1 1 0B D

A C

Q QT T

1 2

1

02

Q QT T

2 2

1 1

Q TQ T

2

1

1 TT

1 2

1

T TT

12

1 2max

1

T TT

< 1

C’est la limite théorique du rendement d’un moteur fonctionnant entre deux sources de

températures T1 et T2.

Ceci montre bien le théorème de Carnot :« Toutes les machines thermiques dithermes

réversibles fonctionnant entre deux températures données T1 et T2 ont même

rendement. »

Le but d’une machine frigorifique est d’extraire de la chaleur, Q2, à une source de température, T2, inférieure à celles des sources gratuites disponibles, T1.

M.F.Q1 < 0

Q2 > 0W > 0

Schéma de la machine frigorifique de Carnot

La source chaude est la source gratuite (ambiance)

Source chaude: T1

Source froide: T2

T1 > T2

3) Machine Frigorifique

htg

L’éfficacité ou le coefficient de Performance est défini par :

Cycle de Carnot de la machine frigorifique

2QCOPW

15

2

1 1 1 2

2 2

1 1

1 1

TCOPQ T T TQ T

2

1 2idéal

TCOPT T

DUcycle = W + Q1 + Q2 = 0 W = - (Q1 + Q2 )

DScycle = 1 2

1 2

0Q QT T

1 1

2 2

Q TQ T

2 2

11 2

2

1

1

Q QCOPQW Q QQ

Le but d’une pompe à chaleur est de chauffer, on s’intéresse à la chaleur Q1, fournie à la source chaude T1.

Source chaude: T1

Source froide: T2

P.A.C.Q1 < 0

Q2 > 0W > 0Schéma d’une

pompe à chaleur

La source froide T2 est la source gratuite ( ambiance)

4) Pompe à Chaleur

T1 > T2

L’éfficacité ou le coefficient de Performance est défini par :

1. . .P A C

QCOPW

1. . .P A C

QCOPW

Cycle de Carnot de la pompe à chaleur

DScycle = 1 2

1 2

0Q QT T

2 2

1 1

Q TQ T

DUcycle = W + Q1 + Q2 = 0 W = - (Q1 + Q2 )

1. . .

2 1 2

1

1

1P A C

TCOPT T TT

1. . .P A C

QCOPW

2 2

1 1

Q TQ T

1. . .

21 2

1

1( ) 1

P A CQCOP QQ Q

Q

1. . . max

1 2P A C Carnot

TCOP COP COPT T

Processus de conversion Efficacité énergétique de conversion

Génération électriqueTurbine à gaz jusqu'à 40 %Turbine à gaz plus Turbine à vapeur (Cycle combiné) jusqu'à 60 %

Turbine hydraulique jusqu'à 90 % (atteint en pratique)

Éolienne jusqu'à 59 % (limite théorique)

Cellule photovoltaïque6 % à 40 % (selon la technologie, 15 % le plus souvent, 85 % - 90 % limite théorique)

Machine/MoteurMoteur à combustion 10-50 %

Moteur électrique30-60 % (petits < 10 W) ; 50-90 % (entre 10 et 200 W) ; 70 - 99,99 % (plus de 200 W)

3. Exemples d’efficacités énergétiques de conversion

Processus naturelPhotosynthèse jusqu’à 6 %Muscle 14 % - 27 %Appareils domestiquesRéfrigérateur domestique bas de gamme ~ 20 % ; haut de

gamme ~ 40 - 50 %Lampe à incandescence classique 0,7 - 5,1 %;5-10 %Diode électroluminescente 4,2 - 14,9 %; jusqu’à 35 %Tube fluorescent 8,0 - 15,6 %, 28 %Lampe à vapeur de sodium 15,0 - 29,0 %8, 40,5 %Lampe à incandescence halogène 9,5 - 17,0 %, 24 %Alimentation à découpage Actuellement jusqu’à 95 % en

pratiqueChauffe-eau 90-95 %Radiateur électrique 100 % (toute l’énergie est

convertie en chaleur)

Pompe à chaleur

300 % à 500 % selon les températures réelles, le maximum théorique étant de l'ordre de 1500 %, le minimum théorique étant supérieur à 100 %

Conclusion

Merci pour votre attention