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

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'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.

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

Source - © 2014 B. Multon Figure 2. Dépense énergétique sur tout le cycle de vie d'un convertisseur et cycle (en bleu) des matières premières qui le constituent

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.

Source - © 2014 B. Multon 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.

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.

${\eta }_e=\frac{E_u}{E_{\mathit{cons}}}=\frac{\int \mathit{Pu.dt}}{\int P_{\mathit{cons}}\mathrm{.}\mathit{dt}}=\frac{E_u}{E_u+E_{\mathit{pertes}}}$

Avec E_u l'énergie utile et E_pertes l'énergie perdue lors de la conversion.

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).

${\eta }_{\mathit{cv}}=\frac{E_{u-\mathit{vie}}}{E_{u-\mathit{vie}}+E_{\mathit{pertes}-\mathit{vie}}+E_{\mathit{energie}\mathit{grise}-\mathit{NR}}}$

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

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 :

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

Le rendement de conversion chaleur fission / électricité est de 33%, c'est-à-dire que l'on va avoir 560 TWhde 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 :

${\eta }_{\mathit{cv}}=\frac{E_{u-\mathit{vie}}}{E_{u-\mathit{vie}}+E_{\mathit{pertes}-\mathit{vie}}+E_{\mathit{energie}\mathit{grise}-\mathit{NR}}}=\frac{280}{280+560+\mathrm{15,4}}=\mathrm{32,7\%}$

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.

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 :

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).

Le total d'énergie grise est donc de 56 TWh_p. 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 :

${\eta }_{\mathit{cv}}=\frac{E_{u-\mathit{vie}}}{E_{u-\mathit{vie}}+E_{\mathit{pertes}-\mathit{vie}}+E_{\mathit{energie}\mathit{grise}-\mathit{NR}}}=\frac{7\ast 20}{7\ast 20+56}=\mathrm{71,4\%}$

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).

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).