Énergie : chaîne et conversion

Énergie : chaîne et conversion

L'énergie ne se crée pas, elle se transforme (1ᵉʳ principe). Toute chaîne énergétique comporte une source, des convertisseurs, une charge utile et inévitablement des pertes.

1. Grandeurs et unités

• Énergie $E$ en joule (J) ; 1 kWh = 3,6 MJ.
• Puissance $P = E/t$ en watt (W). 1 W = 1 J·s⁻¹.
• Rendement $\eta = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{absorbée}}} = \dfrac{P_u}{P_a}$, sans unité, toujours < 1.

2. Formes d'énergie et leurs formules

Forme	Formule	Contexte
Cinétique	$\tfrac12 m v^2$	véhicule, volant d'inertie
Potentielle de pesanteur	$mgh$	STEP, ascenseur
Élastique	$\tfrac12 k x^2$	ressort
Électrique	$UIt$ (continu)	réseau, batterie
Thermique	$mc\Delta T$	ECS, chauffage
Rayonnante	$E\cdot t$ (surface)	photovoltaïque

3. Convertisseurs types

• Alternateur : mécanique → électrique (η ≈ 95 %)
• Moteur électrique : électrique → mécanique (η ≈ 85–95 %)
• Moteur thermique essence : chimique → mécanique (η ≈ 25–35 %)
• Panneau PV : solaire → électrique (η ≈ 18–22 %)
• Chaudière gaz condensation : chimique → thermique (η ≈ 100 % PCI)
• PAC air/eau : électrique → thermique (COP 3–4, η > 1 car pompe d'énergie externe)

4. Rendement d'une chaîne en cascade

Si $n$ convertisseurs de rendements $\eta_i$ se suivent :

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

Exemple : VE alimenté par le réseau — chargeur (0,95) × batterie (0,95) × onduleur (0,97) × moteur (0,92) ≈ 0,80. Une voiture thermique atteint difficilement 25 % du puits à la roue.

5. Réversibilité et stockage

Le stockage transforme l'énergie en une forme conservable puis la restitue :

• Batterie Li-ion : 150–260 Wh/kg, cycle 90–95 %
• STEP : 70–80 %
• Volant d'inertie : 85–95 %
• H₂ (électrolyse + pile) : 30–40 %

6. Normes et contexte

• RE 2020 limite l'énergie primaire des bâtiments neufs (Bbio, Cep).
• ISO 50001 : management de l'énergie en entreprise.
• Directive UE 2023/1791 : efficacité énergétique -11,7 % à 2030 vs projection 2020.

À retenir

• Toute conversion dissipe de la chaleur.
• Le rendement global d'une chaîne est le produit des rendements.
• Une PAC a un COP > 1 : elle déplace de l'énergie, elle ne la crée pas.
• Comparer les technologies en Wh (énergie) ou W (puissance), pas les deux.