Concepts et chiffres de l'énergie : comment définir le rendement d'un convertisseur d'énergie ?

Figure 3, sont schématisés les flux de matière non énergétiques et d'énergie sur l'ensemble de la vie d'un convertisseur (extraction des minerais, fabrication, utilisation, recyclage….) [1]. Les rendements instantané et énergétique correspondent uniquement au périmètre délimité par le rectangle en pointillés bleu. Dans la notion de rendement instantané beaucoup de flux sont omit.

On parle alors d’énergie grise (Embodied energy, E_emb, en anglais, représentée de cette même couleur figure 3) pour quantifier la somme de toutes les consommations d’énergie primaire non renouvelable (souvent exprimée en joules dans les bases de données), en dehors de celle de la phase d’usage.

(Source : Conversion d'énergie et efficacité énergétique, B. Multon, 2018 [1]) Figure 3.  Énergie consommée sur le cycle de vie d’un convertisseur, prise en compte de l’énergie grise

La prise en compte de l’ensemble du cycle de vie des objets et des services est devenue une nécessité si l’on veut éviter de déplacer les pollutions en dehors d’un périmètre trop restreint à cause d'une optimisation trop locale des objets considérés. Dans le contexte énergétique, l’énergie grise doit être prise en compte.

Ainsi, lorsque l’on veut définir le rendement énergétique de convertisseurs, mais aussi le maximiser lors de la phase de conception, toutes les formes d’énergie non renouvelables « consommées », de l’extraction des matières premières au recyclage en fin de vie du convertisseur en passant par sa production, son utilisation, son transport, son entretien,... doivent être considérées. Si des ressources renouvelables sont « consommées », seule la quantité non renouvelable qui a servi à fabriquer leurs propres convertisseurs (usines photovoltaïques par exemple) doit être considérée (sur la base d’un principe d’allocation de la part dédiée à l’objet concerné via une méthodologie implantée dans les logiciels d’analyse de cycle de vie^[2]).

Considérons par exemple le cas d’un moteur thermique d’automobile (en incluant tous les accessoires permettant de le faire fonctionner). Il faut prendre en compte les différentes étapes de sa vie :

À noter que les différents convertisseurs, utilisés durant les phases de fabrication, de maintenance et de recyclage, ont eux-mêmes consommé de l’énergie non renouvelable qui, comme on l’a écrit plus haut, sera prise en compte, via le principe des allocations.

La somme de l’ensemble des consommations d’énergie non renouvelable, en dehors de celle de la phase d’usage (dans le présent exemple, le combustible brûlé dans le moteur thermique), représente l’énergie grise du convertisseur.

Afin d'intégrer un critère de soutenabilité, nous proposons un nouveau concept de rendement : rendement sur cycle de vie soutenable (Life Cycle Analysis _ sustainable), ne comptabilisant que la consommation des ressources primaires non renouvelables :

${\eta }_{\mathrm{LCA\_sust}}=\genfrac{}{}{0.1ex}{}{E_{\mathrm{u\_vie}}}{E_{\mathrm{u\_vie}}+{(E_{\mathrm{pertes\_vie\_p}}+E_{\mathrm{grise\_p}})}_{\mathrm{NR}}}=\genfrac{}{}{0.1ex}{}{E_{\mathrm{u\_vie}}}{\frac{E_{\mathrm{u\_vie}}+E_{\mathrm{pertes\_vie\_p}}}{{\eta }_{\mathrm{p-fNR}}}+E_{\mathrm{grise\_pNR}}}$

L’indice NR indique la part non renouvelable de l’énergie primaire contenue dans l’énergie grise et dans les pertes de transformation de l’énergie finale qui alimente le convertisseur en question.

${\eta }_{\mathrm{p-fNR}}$ est le rendement de transformation d’énergie primaire non renouvelable en énergie finale égal au rapport de l'énergie finale consommée par le convertisseur sur la part non renouvelable d'énergie primaire qui a contribué à la production de la dite énergie finale : ${\eta }_{\mathrm{p-fNR}}=\genfrac{}{}{0.1ex}{}{E_{\mathrm{finale}}}{E_{\mathrm{p-NR}}}$

Par exemple en France, pour l’électricité basse tension, ${\eta }_{\mathrm{p-fNR}}$ = 0,2783 [3], ce qui signifie que pour livrer sur le lieu d’utilisation 1 kWh d’énergie électrique basse tension, on a consommé, ramené au cycle de vie du système de génération électrique, 3,6 kWh d’énergie primaire non renouvelable. Ces chiffres sont fondés sur des valeurs de la première décennie des années 2000. Avec la croissance de la part de production renouvelable, ce rendement s’améliore continûment. Cette remarque concernant la dynamique d’évolution intéresse toutes les données d’analyse de cycle de vie inévitablement fondées sur les « inventaires de cycle de vie » datant d’au moins une dizaine d’années. Globalement, quasiment partout sur la planète, le mix énergétique s’améliore du point de vue de la consommation de ressources non renouvelables et plus encore lorsqu’il s’agit du domaine de l'électricité qui progresse le plus rapidement.

La prise en compte du rendement sur cycle de vie est importante pour réaliser la conception des convertisseurs. En effet, concevoir un convertisseur d’énergie avec un meilleur rendement instantané (sur cycle d’usage) conduit, à technologie donnée, à dépenser plus de matières premières donc plus d’énergie grise.

Dès lors, on comprend bien qu’il existe un optimum de rendement sur cycle de vie dépendant fortement des usages. En effet, généralement, l’amélioration du rendement énergétique d’un convertisseur conduit à un accroissement de la consommation d’énergie grise (matériaux plus coûteux à l’extraction et à la transformation, voire plus de quantité de matériaux). Ainsi, la durée d’usage du convertisseur sera centrale dans sont optimisation globale. Dans le cas d’un convertisseur, dont la durée d’usage prévue est faible, la minimisation de la consommation totale d’énergie primaire non renouvelable (énergie grise + phase d’usage) conduira à un rendement énergétique plus faible que si ce même convertisseur doit être dimensionné pour une longue durée d’usage. Dans ce dernier cas, il sera plus avantageux de dépenser plus d’énergie grise pour, ensuite, réduire la consommation d’énergie de la phase d’usage [4].

L’efficacité énergétique consiste à minimiser la consommation d’énergie pour assurer un service, grâce à des technologies plus efficientes. Dans le contexte de développement durable, que nous devons désormais absolument intégrer, il s’agit de minimiser la quantité d’énergie primaire non renouvelable consommée associée à ce service.

L’association négaWatt a notamment formalisé ce concept d’efficacité, parallèlement à celui, tout aussi crucial, de sobriété. Cette formalisation passe par une déclinaison de 4 niveaux d’efficacité dont l’optimisation est plus ou moins imbriquée lors de la phase de conception d’un service[5] :

Dans cette démarche d’amélioration de l’efficacité, les notions de rendement sont essentielles et doivent être considérées lors des phases de conception, de façon plus ou moins élargie selon le périmètre auquel on peut prétendre, la notion de rendement sur cycle de vie intégrant la prise en compte la plus large qui soit. Dans l'article à paraître « Concepts et chiffres de l'énergie : Conversion d'énergie et analyse sur cycle de vie » , nous abordons plus en détail les différents éléments à prendre en compte : tous les impacts environnementaux et pas seulement l’énergie primaire non renouvelable.