Capacité, puissance et rendement énergétique
Capacité
La quantité maximale d’énergie qu’un système peut contenir ou accumuler est appelée la capacité.
- Une centrale thermique au charbon a une capacité variant souvent entre 600 MW et 1 200 MW.
- Une centrale thermique à biomasse a une capacité généralement plus faible, entre 20 MW et 200 MW.
Ce terme s’applique aux systèmes de production d’énergie tout comme aux systèmes de stockage d’énergie tel que les batteries, les réservoirs ou les condensateurs. La capacité indique donc la quantité totale d’énergie que le système peut fournir ou stocker.
Dans le contexte de la production électrique, on trouvera souvent le terme de capacité nominale, ou de capacité installée. Ce terme est utilisé de manière interchangeable avec la puissance nominale, notamment pour décrire la puissance maximale que peut produire une centrale électrique instantanément ou sûre une période de temps et sous ses conditions idéales de fonctionnement.
La capacité se mesure dans différentes unités en fonction du type d’énergie pris en compte.
Puissance (électrique)
L’énergie est la capacité d’un système à réaliser un travail de conversion. Dans ce contexte, la puissance (symbole P) est l’énergie réellement fournie d’un système à un autre par unité de temps.
On mesure la puissance en joule par seconde (J/s). Dans le contexte de l’électricité, on dira que :
L’énergie (E) est la puissance (P) consommée par un équipement électrique dans un certain temps, ou, l’énergie est la puissance produite par un générateur dans un certain temps (t).
Le watt (W) est l’unité de mesure de la puissance électrique.
- 1 joule équivaut 1 watt par seconde à 1W = 1J/s.
- Un appareil de 1000 W consomme 1000 joules d’énergie chaque seconde.
Quelques exemples dans le contexte de machines électriques :
- Une machine à café d’une puissance de 1 kW (1 000 W) fonctionnant pendant 1 heure consomme 1 kWh d’énergie.
- Un climatiseur d’une puissance nominale de 4 kW (4 000 W) fonctionnant durant 15 minutes consomme également 1 kWh d’énergie.
- Un ordinateur portable d’une consommation constante de 100 W qui fonctionne 12 heures par jour consommera 1,2 kWh par jour ou 438 kWh par an
Il convient de noter que deux systèmes de puissances différentes pourront fournir le même travail, mais le système le plus puissant sera le plus rapide.
Exemple 1 Relation puissance – énergie :
Un carré de jardin doit être retourné afin d’y faire vos plantations, vous avez trois possibilités : Utiliser une bêche et vos muscles, utiliser un motoculteur ou encore utiliser un tracteur et une charrue. Vous comprendrez aisément que le travail sera fait plus rapidement avec le motoculteur qu’avec vos muscles et encore plus rapidement si vous utilisez un tracteur…
Exemple 2 Relation puissance – énergie :
Une Station de Transfert d’Énergie par Pompage (STEP). Elle fonctionne un peu comme une batterie géante utilisant l’eau pour stocker et produire de l’énergie électrique. Lorsqu’il y a demande d’électricité, l’eau préalablement stockée dans un réservoir situé en hauteur d’une colline est libérée. Le flux d’eau vers le bas fait tourner une turbine qui est couplée à un générateur. Ce générateur produit de l’électricité.
Si on ajoutait plus de conduits, de turbines et de générateurs, la puissance nominale de la STEP serait plus grande : la centrale pourrait produire plus d’électricité dans le même lapse de temps. Mais cela viderait le réservoir du haut plus rapidement. En outre, si le réservoir du haut était plus grand, il pourrait stocker davantage d’eau, il aurait donc plus de capacité. Le même nombre de turbines et de génératrices pourrait donc produire de l’électricité, mais pendant une plus longtemps.
En résumé, plus le réservoir est grand, plus la centrale peut produire d’électricité dans le temps, même avec le même nombre de turbines et générateurs. Ou : une même quantité d’énergie peut être produite par une puissance élevée sur une courte période que par une faible puissance sur une longue période.
Les pertes énergétiques :
Passons maintenant de la consommation à la production d’électricité : dans une centrale de production ou une machine électrique, à chaque étape de transformation, une part d’énergie est dissipée, c’est-à-dire perdue. Le niveau de perte d’énergie varie en fonction du type de transformation subie et de la technologie employée, c’est un effet ce qui va définir si une machine est considérée comme efficace ou pas.
- Illustrons les pertes à l’aide d’u moteur : un moteur à l’essence (énergie primaire) et qui produit de l’énergie mécanique pour se déplacer (énergie utile), les « pertes » se manifestent sous la forme de chaleur émise par le pot d’échappement. Une partie de l’énergie de l’essence est donc « perdue » dans l’atmosphère, tandis qu’une autre partie est utilisée pour faire avancer la voiture et ses occupants.
Il est important de comprendre la notion de perte, car il est la base pour comprendre le terme de rendement énergétique et d’efficacité énergétique.
Le rendement énergétique
Le terme de rendement énergétique indique, enfin, quelle proportion de l’énergie initiale (input) est transformée en énergie utile (output) par un même système. Plus le rendement est élevé, plus le système est efficace et moins, il y a de pertes d’énergie pendant le travail de conversion.
Le rendement (ƞ) d’une machine ou d’un appareil électrique est donc le rapport entre l’énergie utile (sortie) et l’énergie totale qu’il consomme (entrée). Il est mesuré en pourcentage (%).
Rendement ƞ (%) = (Énergie utile en kWh ÷ énergie consommée en kWh) x 100.
Exemple
Prenant à titre d’illustration une ampoule à incandescence : elle transforme de l’énergie électrique en énergie lumineuse. Or, seulement 5 % de l’énergie électrique est transformée en énergie lumineuse, le reste est perdu sous forme de chaleur. Dans ce cas, la lampe dispose d’un rendement de 5%.
Exemples pour illustrer capacité, puissance et rendement:
- Éoliennes : La capacité de production nominale de notre éolienne est de 2 MW, ce qui signifie qu’à pleine puissance, elle peut générer deux mégajoules d’énergie par seconde. La valeur « 2 MW » représente sa puissance maximale de sortie. Cependant, comme le vent ne souffle pas en continu ni à une vitesse constante, on estime qu’elle fonctionne à pleine capacité environ 2 000 heures par an uniquement Dans ces conditions, elle produira 4 000 MWh d’électricité, ce qui correspond à son rendement énergétique annuel.
- Système Photovoltaïque : La capacité de production nominale de notre module PV est 250 Wc*, ce qui signifie que la production d’électricité dans des conditions optimales est de 250 Wc. La production d’électricité varie au cours de la journée, étant nulle la nuit, faible le matin et élevée à midi. Ici aussi, on dénomme la quantité de production d’électricité produite sur un mois ou un an le rendement énergétique.
Le watt-crête (Wc) est une unité de mesure utilisée pour le PV pour indiquer la puissance maximale qu’un module produira dans des conditions standardisées. Ces conditions, appelées « conditions standard de test » (STC), comprennent un ensoleillement de 1 000 W/m², une température de 25°C et une masse d’air de 1,5.