Énergie : conversions et rendement

Introduction

Une conversion d'énergie transforme une forme d'énergie (chimique, électrique, mécanique, thermique, lumineuse) en une autre. Dans une chaîne réelle, une partie de l'énergie d'entrée est dissipée, principalement sous forme de chaleur par effet Joule, frottements ou pertes fer. Le rendement mesure la qualité de cette conversion.

Définitions clés

• Énergie $W$ : grandeur en joules (J). $1\ \text{Wh} = 3600\ \text{J}$ ; $1\ \text{kWh} = 3{,}6 \cdot 10^{6}\ \text{J}$.
• Puissance $P$ : énergie par unité de temps, $P = \dfrac{W}{\Delta t}$, en watts (W).
• Rendement $\eta$ : $\eta = \dfrac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}} = \dfrac{W_{\text{utile}}}{W_{\text{absorbée}}}$, sans unité, toujours $0 < \eta \le 1$ (souvent exprimé en %).
• Pertes : $P_{\text{pertes}} = P_{\text{absorbée}} - P_{\text{utile}}$.

Rendement d'une chaîne d'énergie

Quand plusieurs convertisseurs sont en série (ex : réseau → transformateur → moteur → réducteur → charge), les rendements se multiplient :

$\eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots \times \eta_n$

Conséquence : plus la chaîne comporte d'étages, plus le rendement chute. On cherche donc à réduire le nombre de conversions (ex : véhicule électrique vs thermique).

Ordres de grandeur (2024-2026)

Convertisseur	Rendement typique
Alternateur de centrale	98 %
Transformateur HT/BT	97–99 %
Moteur asynchrone IE4	92–96 %
Onduleur photovoltaïque	96–98 %
Panneau PV silicium monocristallin	20–23 %
Moteur thermique essence	25–35 %
Moteur thermique Diesel	35–42 %
Centrale à cycle combiné gaz	~60 %
LED blanche (efficacité lumineuse)	30–40 %
Chaudière gaz à condensation	95–105 % PCI
Pompe à chaleur air/eau (COP saisonnier)	250–400 % (COP = 2,5–4)

Le COP (Coefficient de Performance) d'une PAC dépasse 100 % car la chaleur puisée à l'extérieur n'entre pas dans $P_{\text{absorbée}}$ (uniquement l'électricité consommée).

Exemple chiffré : chaîne d'un véhicule électrique

Batterie → onduleur (97 %) → moteur (94 %) → réducteur (98 %) → roues.

$\eta_{\text{global}} = 0{,}97 \times 0{,}94 \times 0{,}98 \approx 0{,}89 = 89\ \%$

Pour 100 kWh consommés à la batterie, 89 kWh servent à la traction et 11 kWh sont dissipés en chaleur.

Comparaison thermique : combustion (35 %) × transmission (92 %) ≈ 32 %. C'est pourquoi un VE consomme ~3 fois moins d'énergie primaire à l'usage.

Bilan énergétique et pertes

Le premier principe impose la conservation :

$W_{\text{absorbée}} = W_{\text{utile}} + W_{\text{pertes}}$

Les pertes fréquentes :

• Effet Joule : $P_J = R \, I^{2}$ (câbles, bobinages).
• Pertes fer : hystérésis + courants de Foucault dans les circuits magnétiques.
• Frottements mécaniques : roulements, engrenages.
• Pertes thermiques : par conduction, convection, rayonnement.

Normes et cadre réglementaire

• Classes de rendement moteurs (CEI 60034-30-1) : IE1 à IE5. Depuis juillet 2023, IE3 minimum imposé en Europe pour les moteurs 0,75 à 1 000 kW ; IE4 pour 75 à 200 kW.
• RE 2020 : impose un Bbio et un Cep max qui poussent à améliorer le rendement des équipements (chauffage, ECS, ventilation).
• Étiquette énergie (UE 2017/1369) : classes A à G révisées en 2021, obligatoires sur électroménager, éclairage, TV, chauffage.
• Décret tertiaire (2019) : -40 % de conso d'énergie finale d'ici 2030 pour les bâtiments > 1 000 m².

Méthode : calculer un rendement

1. Identifier $P_{\text{absorbée}}$ (entrée) et $P_{\text{utile}}$ (sortie visée par le cahier des charges).
2. Vérifier les unités (W, kW, kWh, J).
3. Appliquer $\eta = P_{\text{utile}} / P_{\text{absorbée}}$.
4. Pour une chaîne : multiplier les rendements de chaque étage.
5. Vérifier que $\eta \le 1$ (sauf PAC/frigo où l'on parle de COP/EER).

À retenir

• Un rendement est un rapport de puissances utiles sur absorbées, sans unité.
• Les rendements d'étages en série se multiplient, jamais ne s'additionnent.
• Réduire les pertes = réduire l'effet Joule ($R I^2$), les pertes fer et les frottements.
• Les normes IE3/IE4, RE 2020 et le décret tertiaire imposent des rendements élevés dans l'industrie et le bâtiment.