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Le rendement sur cycle de vie - Mémento sur l'énergie (partie 4)

Bernard Multon

ENS Rennes

Delphine Chareyron

02/03/2015

Résumé

Cet article présente le concept de rendement sur cycle de vie. Il est tiré de « Énergie, électricité et soutenabilité planétaire » une conférence de Bernard Multon de l'ENS de Rennes.


Accéder à l'article précédent : Mémento sur l'énergie (partie 3) : Données sur l'énergie au niveau mondial

Retrouver tous les articles du memento à partir du dossier Mémento sur l'énergie.

Introduction

L'analyse sur cycle de vie est un mode de raisonnement qui se pratique désormais dans de nombreux domaines de l'ingénierie, comme dans les filières de génie des procédés. Elle permet d'évaluer les impacts environnementaux sur tout le cycle de vie de systèmes ou services, par exemple en vue de les améliorer via une démarche d'éco-conception. C'est une démarche multicritère qu'il est nécessaire d'intégrer, dans le domaine de l'énergétique, afin de prendre en compte, entre autres, l'extraction des matières premières, leur rareté, leur transformation jusqu'à leur recyclage voire la production de déchets si l'industrie n'est pas capable de les recycler.

Parmi les impacts environnementaux importants, il y a la consommation de ressources énergétiques non renouvelables (fossiles et fissiles) que nous allons considérer ici en tant que critère fondamental de soutenabilité.

1. Raisonnement sur cycle de vie appliqué aux convertisseurs d'énergie

On considère un convertisseur d'énergie, c'est-à-dire un système qui convertit une forme d'énergie en une autre. Par exemple, il peut s'agir d'un système photovoltaïque qui reçoit de l'énergie solaire et produit de l'électricité en courant alternatif, ou d'un moteur à combustion interne d'une voiture qui consomme un hydrocarbure liquide et qui transforme son énergie chimique en énergie mécanique, ou encore d'un dispositif d'éclairage qui reçoit de l'électricité et produit de la lumière.

Usuellement, quand on étudie le rendement (sous entendu énergétique) d'un convertisseur d'énergie, on regarde seulement le rapport de l'énergie sortante sur l'énergie entrante. Il y a inévitablement des pertes, ainsi le rendement est toujours inférieur à 100 %.

Figure 1 : Flux d'énergie dans un convertisseur d'énergie transformant de l'énergie finale en énergie utile pour assurer un service.

1.1 Procédés à prendre en compte lors du raisonnement sur cycle de vie d'un convertisseur d'énergie

Pour le calcul de la consommation d'énergie primaire, nous allons étendre ici ce raisonnement à l'ensemble du cycle de vie du convertisseur.

Il faut donc prendre en compte (voir figure 2) :

  • L'extraction des matières premières. Plus les minéraux sont en faible concentration, plus l'énergie consommée est importante.
  • La fabrication du convertisseur, par exemple dans une usine.
  • Le transport des matériaux bruts, puis des produits finis vers les lieux de transformations, d'utilisation, puis de récupération.
  • L'entretien et la maintenance, (remplacement de pièces défaillantes, déplacement de réparateurs...)
  • Le recyclage des matériaux du convertisseur d'énergie afin de ré-injecter les matières premières dans un cycle fermé si possible et, in fine, de réduire les dépenses énergétiques, car recycler des matériaux nécessite généralement beaucoup moins d'énergie que de les extraire de minerais.
  • La consommation d'énergie primaire non renouvelable pour la production d'énergie finale, dans le cas où le convertisseur considéré transforme de l'énergie finale, elle-même produite à partir d'un mix d'énergie primaire d'origine non renouvelable et renouvelable.

Énergie grise

Le terme « énergie grise » (en anglais « embodied energy » ) correspond à l'énergie consommée sur l'ensemble des procédés qui interviennent dans l'extraction des matières premières, la fabrication, la maintenance et le recyclage du convertisseur d'énergie.

1.2 La question de l'origine des ressources

L'énergie finale (électricité livrée au compteur, combustible raffiné, gaz distribué...) est produite à partir de deux catégories de ressources primaires, des non renouvelables et des renouvelables. En termes de développement durable, c'est l'énergie primaire non renouvelable consommée sur la vie du convertisseur pour réaliser le service attendu qui doit être minimisée.

En effet, lorsque l'on consomme des ressources énergétiques minérales non renouvelables, comme du pétrole, du gaz naturel ou de l'uranium, elles ne pourront plus jamais (à nos échelles de temps) être transformées selon les processus de combustion ou de fission qui ont permis de fournir de l'énergie finale. En revanche, les matières premières qui servent à la fabrication des convertisseurs, comme l'acier ou le cuivre, sont recyclables, même si leur taux de recyclage n'est jamais de 100%, il peut être très élevé.

Notons enfin que dans le cas de l'exploitation de ressources primaires renouvelables, il y a également de l'énergie primaire non renouvelable consommée car il a fallu fabriquer les convertisseurs (par exemple des systèmes photovoltaïques) avec un mix énergétique actuellement encore largement fondé sur l'utilisation de ressources non renouvelables. Ainsi, plus grande sera la part des renouvelables, plus faible sera la quantité d'énergie primaire associée à l'usage d'énergie finale d'origine renouvelable.

L'accroissement de la part des renouvelables a donc un effet vertueux et la quantité d'énergie grise non renouvelable deviendra de plus en plus faible au fur et à mesure de la progression de l'humanité vers une exploitation d'énergie 100% renouvelable.

1.3 Schéma de la dépense énergétique sur tout le cycle de vie du convertisseur

La figure 2 reprend tous les éléments cités pour prendre en compte les dépenses énergétiques sur le cycle de vie du convertisseur d'énergie.

Figure 2 : Dépense énergétique sur tout le cycle de vie d'un convertisseur et cycle (en bleu) des matières premières qui le constituent.

2. Extension des notions de rendement énergétique à tout cycle de vie

Il y a deux rendements que l'on confond souvent en ommettant de les nommer : le rendement en puissance et le rendement en énergie. Il est donc fondamental de bien les distinguer pour éviter toute confusion dans les bilans énergétiques, même s'ils ne considèrent pas l'ensemble du cycle de vie.

2.1 Rendement en puissance, sur un point de fonctionnement

Le rendement en puissance ou instantanné est le rapport de la puissance utile, c'est-à-dire le débit (instantané) d'énergie en sortie du convertisseur sur la puissance en entrée, donc le débit d'énergie en entrée. On rappelle que la puissance est la dérivée de l'énergie par rapport au temps. Le rendement instantané ou en puissance est défini sur la figure 3, et comme tout convertisseur, il suit une courbe en cloche.

Figure 3 : Définition du rendement en puissance, ou instantané et courbe de rendement d'un convertisseur.

Sur la figure 3, la puissance utile est en abscisses, le rendement en ordonnées. Le rendement est maximum en un point, et il décline de part et d'autre de ce maximum. Cette courbe en cloche, plus ou moins plate, se rencontre dans tous les convertisseurs où la puissance (débit de conversion) peut varier (éclairage, moteurs...)

Si l'on prend l'exemple d'un moteur de voiture, tantôt il fonctionne au ralenti donc la puissance utile est nulle, tantôt il fonctionne à son rendement maximal, ce qui est assez rare, le reste du temps en roulant autour de 90 km/h avec un moteur sur-puissant, le rendement est assez loin de son rendement maximum.

2.2 Rendement énergétique sur un cycle de fonctionnement

On donne maintenant la définition du rendement énergétique sur un cycle de fonctionnement, incluant un ensemble de points, ce qui correspond à un usage généralement plus réaliste du convertisseur qui, de plus en plus souvent, dans les applications modernes, fonctionne en régime variable.

η e = E u E cons = Pu.dt P cons . dt = E u E u + E pertes %eta_e={E_u} over {E_cons}={int Pu.dt } over {int P_{cons}.dt }={E_u} over {E_u+E_pertes}

Avec Eu l'énergie utile et Epertes l'énergie perdue lors de la conversion.

2.3 Rendement énergétique sur cycle de vie

On définit maintenant le rendement énergétique soutenable sur cycle de vie (l'adjectif soutenable a été ajouté car on ne considère que la part non renouvelable de l'énergie primaire consommée).

η cv = E u vie E u vie + E pertes vie + E energie grise NR %eta_cv={E_{u-vie}} over {E_{u-vie}+E_{pertes-vie}+E_{énergie grise-NR}}

Au numérateur on a l'énergie « produite » par le convertisseur pendant toute sa vie (Eu-vie), a priori jusqu'à son usure, voire une fin de vie décidée par l'utilisateur. Au dénominateur se trouvent l'énergie utile (Eu-vie) plus l'énergie consommée d'origine non renouvelable, associée à ses pertes de conversion, pour toute sa vie (Epertes-vie), plus son énergie grise d'origine non renouvelable (Eénergie grise-NR).

Lorsque l'on applique ce type de calcul, pour optimiser le dimensionnement du convertisseur, on remarque qu'il faut réaliser un équilibre entre les pertes et l'énergie grise. Pour minimiser les pertes, il faut généralement investir dans une plus grande quantité de matières actives (acier, cuivre...) ou dans des matières premières plus coûteuses en énergie grise. Il y a un compromis à faire entre ces deux termes, qui se trouve généralement au milieu, c'est-à-dire énergie grise ≅ pertes.

Par exemple, si le convertisseur fonctionne très peu de temps dans sa vie, le poids de l'énergie grise peut être dominant par rapport à l'énergie perdue. C'est le cas des moteurs de volets électriques roulants. Le moteur ne fonctionne que quelques heures cumulées sur toute sa vie, il n'est donc pas nécessaire qu'il ait un très haut rendement énergétique. Par contre, dans le cas des moteurs de ventilation mécanique contrôlée (VMC), le moteur peut être amené à fonctionner 24h/24 dans un bâtiment, dans ce cas, un très haut rendement du moteur devient nécessaire.

A consulter : Comment produire de l'électricité à partir d'un solide ou d'un fluide en 3 questions à Bernard Multon.

3. Application du rendement sur cycle de vie aux systèmes de production d'électricité

3.1 La production d'énergie nucléaire par fission de l'uranium 235

Pour ce premier exemple, on s'intéresse au rendement sur cycle de vie d'un réacteur de génération actuelle, type EPR, de puissance 1 GW qui a une durée de vie de 40 ans.

Les données utilisées pour l'analyse, produites et publiées par la World Nuclear Association [1], datent de fin 2013.

Sur la vie du réacteur, l'énergie utile produite vaut 280 TWh, c'est-à-dire 7 TWh/an. Pour cela, le réacteur va consommer 7 800 tonnes d'uranium naturel.

On détaille maintenant l'énergie grise (primaire non renouvelable) nécessaire à la fabrication de l'usine, l'extraction de l'uranium, la fabrication du combustible enrichi et le stockage futur des déchets de ce convertisseur :

  • L'extraction minière coûte 0,58 TWhp, (nous affectons un indice p, comme primaire pour bien se souvenir qu'il s'agit d'énergie primaire non renouvelable).
  • La transformation en combustible fissile (enrichissement avec les meilleures technologies actuelles) 5,1 TWhp,
  • La construction et le démantèlement 9,3 TWhp,
  • Le stockage des déchets en surface 0,43 TWhp,

Le total de l'énergie grise est alors de 15,4 TWhp.

Le rendement de conversion chaleur fission / électricité est de 33%, c'est-à-dire que l'on va avoir 560 TWh de perte (chaleur) sur la vie du système qui sont des pertes non renouvelables, puisqu'issue de la fission de l'uranium.

Le rendement sur cycle de vie vaut alors :

η cv = E u vie E u vie + E pertes vie + E energie grise NR = 280 280 + 560 + 15,4 = 32,7% %eta_cv={E_{u-vie}} over {E_{u-vie}+E_{pertes-vie}+E_{énergie grise-NR}} = {280} over {280+560+15,4} = 32,7%

Le rendement est proche du rendement de conversion de 33% car l'énergie grise pèse peu dans cette application. Un allongement de la durée de vie, qui serait d'ailleurs associé à plus d'énergie grise, changerait peu le résultat final. Notons enfin qu'il reste à considérer que l'on aura produit des déchets dangereux à longue durée de vie et beaucoup de matériaux (acier notamment) non recyclables car radioactifs.

3.2 La production d'énergie photovoltaïque

Le deuxième exemple a été choisi volontairement parmi les systèmes souvent accusés d'avoir un faible rendement. Il s'agit des systèmes photovoltaïques. Nous avons en outre retenu des installations en toitures, car elles ne demandent pas de superficies supplémentaires à celles déjà bâties.

Les données sont extraites d'un rapport de l'agence internationale de l'énergie (2011) [2].

Pour produire l'équivalent du réacteur nucléaire (notre base de comparaison en matière d'énergie électrique totale fournie), 7 TWh, à l'aide de panneaux solaires, on considère :

  • un rayonnement solaire moyen correspondant plutôt à la moitié nord de la France de 1 000 kWh/m2/an,
  • une technologie déjà ancienne (les plus récentes sont plus performantes mais les données d'énergie grise nécessaires ne sont pas disponibles) qui utilise du silicium cristallin qui a un rendement de conversion de 14% (donc nettement moins bon que celui d'un réacteur nucléaire).

Ainsi, pour arriver à 7 TWh électriques annuels, compte tenu de ce rendement il faut 50 TWh solaires (7/0,14), soit 50 km2 de superficie (en m2 : 50 milliards de kWh divisés par 1 000 kWh/m2). Pour donner un ordre de grandeur de comparaison, en France nous possédons 8 500 km2 de surface bâtie. La durée de vie de référence de l'installation est prise égale à 20 ans (plutôt sous-évaluée).

  • La fabrication des modules demande 3 700 MJp/m2 (page 10 de la référence [2] ) soit environ 1 000 kWhp/m2 de surface des modules (cette valeur est, par hasard, égale à la valeur de l'irradiation solaire) soit 50 TWhp,
  • Le montage en toiture et la fabrication des onduleurs et leur remplacement sur la vie de l'installation, 120 kWh/m2 de surface des modules soit 6 TWhp,

Le total d'énergie grise est donc de 56 TWhp. Le rendement de l'énergie de conversion solaire / électricité est de 14%, mais l'énergie solaire gâchée, puisqu'elle est d'origine renouvelable, n'est pas comptabilisée, selon le raisonnement de soutenabilité que nous avons retenu.

Le rendement sur cycle de vie est donc :

η cv = E u vie E u vie + E pertes vie + E energie grise NR = 7 20 7 20 + 56 = 71,4% %eta_cv={E_{u-vie}} over {E_{u-vie}+E_{pertes-vie}+E_{énergie grise-NR}} = {7 * 20} over {7 * 20 + 56} = 71,4 %

Notons que sur 40 ans, le résultat serait le même en supposant que la technologie, qui viendrait à remplacer celle-ci au bout de 20 ans, soit la même (même rendement, même énergie grise).

3.3 Bilan

On obtient un rendement sur cycle de vie pour des systèmes photovoltaïques qui est supérieur à celui d'un réacteur nucléaire de fission, avec en outre des matériaux recyclables et beaucoup moins de déchets toxiques, mais seule une analyse sur cycle de vie (ACV) complète est nécessaire pour démontrer ce dernier point.

Néanmoins, la production photovoltaïque varie au rythme de l'ensoleillement et nécessite de lui adjoindre des moyens de flexibilité, comme du stockage. Cela viendra bien évidemment accroître les coûts en énergie grise, mais nous savons aujourd'hui que ce problème est surmontable à moindre coût grâce à un ensemble de solutions coordonnées. À l'opposé, la production nucléaire doit être quasi constante (en dehors des arrêts de maintenance et de rechargement en combustible) et nécessite également d'être associée à des moyens de flexibilité (en France, des STEP, stations de transfert d'énergie par pompage, ont été construites pour assister le parc nucléaire).