Chaleur résiduelle

Figure 1 : Les centrales électriques produisent de la chaleur résiduelle, qui est dissipée dans l'atmosphère ou dans un plan d'eau adjacent. La chaleur perdue est dégagée par les tours de refroidissement (nuages de vapeur d'eau blanche) et ne doit pas être confondue avec les gaz d'échappement (contenant du CO2 et d'autres produits chimiques nocifs) dégagés par la cheminée. [1]

La chaleur résiduelle est la chaleur inutilisée cédée au milieu environnant (sous forme d'énergie thermique) par un machine thermique dans un processus thermodynamique dans lequel il convertit la chaleur en travail utile. La deuxième loi de la thermodynamique stipule que la chaleur résiduelle doit être produite lors de la conversion d'une différence de température en énergie mécanique (qui est souvent transformée en énergie électrique dans les centrales électriques).La chaleur résiduelle est inévitable pour tout machine thermique et la quantité qu'il produit par rapport à la quantité de chaleur entrante sont des facteurs qui constituent son rendement thermique.[2]

La chaleur résiduelle est souvent dissipée dans l'atmosphère, ou dans de grandes étendues d'eau comme les rivières, les lacs et même l'océan. Comme la chaleur résiduelle est un produit nécessaire des moteurs thermiques, le rendement des centrales électriques est limité (voir rendement de Carnot) et elles doivent donc brûler davantage de combustibles pour atteindre la production d'énergie souhaitée. Cela augmente les émissions de gaz à effet de serre, et contribue davantage au réchauffement climatique.

Figure 2 : La chaleur résiduelle d'une voiture est évacuée par le radiateur. Une voiture convertit l'énergie de sa source de chaleur en travail utile, avec un rendement donné par η.[3]

La chaleur perdue se retrouve dans l'équation de conservation de l'énergie pour un machine thermique[2]

[math]\displaystyle{ Q_H=Q_L+W }[/math]

  • [math]\displaystyle{ Q_H }[/math] est l'apport de chaleur au système à partir d'un combustible,
  • [math]\displaystyle{ W }[/math] est le travail mécanique utile obtenu par le système et
  • [math]\displaystyle{ Q_L }[/math] est la chaleur résiduelle.

En connaissant la chaleur d'entrée et le travail produit par le système, il est facile de trouver la chaleur perdue. Le rendement thermique ([math]\displaystyle{ \eta }[/math]) qui décrit le rapport entre le travail utile et l'énergie d'entrée, peut être trouvé en termes de cette chaleur perdue, par l'équation :

[math]\displaystyle{ \eta=1-\frac{Q_L}{Q_H} }[/math]

Les voitures génèrent environ deux fois plus de chaleur perdue que de travail utile (avec [math]\displaystyle{ \eta\approx 25\% }[/math])[4] dont il faut se débarrasser pour que le moteur reste à une température sûre et ne se détruise pas. Il ne s'agit pas d'un défaut d'ingénierie, mais plutôt d'une limite due à la Deuxième loi de la thermodynamique (donnée par le rendement de Carnot). La plupart des véhicules utilisent des systèmes de refroidissement liquide, qui envoient du liquide de refroidissement à travers des passages dans le bloc moteur et captent la chaleur du moteur. Une fois qu'il est chaud, il s'écoule vers le radiateur (comme le montre la figure 2) qui est situé sur la calandre de la voiture. Le liquide de refroidissement chaud est refroidi par le flux d'air circulant dans la calandre, et une fois suffisamment refroidi, il est renvoyé dans le moteur pour répéter le processus.[5]

Exploitation de la chaleur résiduelle

Dans presque tous les processus industriels, plus de la moitié de l'énergie utilisée est transformée en chaleur résiduelle.[6] Dans le contexte des efforts visant à réduire le changement climatique, les processus qui utilisent la chaleur résiduelle pour d'autres fonctions sont de plus en plus pertinents. La récupération de la chaleur perdue permet de la rediriger vers une fonction qui, autrement, utiliserait de l'énergie provenant du réseau, ce qui permet d'éviter la consommation d'énergie utilisée pour combattre les effets mêmes de la chaleur perdue (par exemple, le besoin de climatisation).[6] Il existe de nombreuses méthodes d'utilisation de la chaleur perdue, telles que :

Cogénération

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Figure 3 : Un cycle de cogénération utilise la chaleur résiduelle générée par un processus thermodynamique afin de chauffer les maisons, les voitures et d'autres appareils.

La cogénération, ou production combinée de chaleur et d'électricité (PCCE), est utilisée dans les systèmes afin d'utiliser à la fois la chaleur et l'électricité pour des tâches bénéfiques. Il s'agit d'une utilisation très efficace du combustible, car elle permet d'utiliser une partie, voire la totalité, de la chaleur perdue qui est produite. Ces systèmes peuvent potentiellement atteindre un rendement de 80 %.[7] Étant donné que la chaleur résiduelle offre très peu de potentiel pour effectuer un travail, il existe de nombreuses limitations pratiques en termes de rentabilité lorsqu'on essaie de construire ce type d'installations.[8]

Transformation de la chaleur résiduelle en électricité

Il existe de nombreuses façons connues de convertir une différence de température en énergie électrique. L'une d'entre elles consiste à utiliser un dispositif thermoélectrique, où un changement de température à travers un matériau semi-conducteur crée une tension qui fait circuler l'électricité, parfois appelé effet Peltier-Seebeck.[9] Ce dispositif est toujours soumis aux limites imposées par la deuxième loi de la thermodynamique. En d'autres termes, il s'agit d'un moyen d'approcher la limite de Carnot du moteur, mais pas de la dépasser.

Serres

La chaleur résiduelle peut être utilisée pour chauffer les serres dans les climats plus froids, réduisant ainsi l'énergie nécessaire à leur chauffage.


Références

  1. Wikimedia Commons [Online], Available: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d6/Coal_power_plant_Datteln_2_Crop1.png
  2. 2,0 et 2,1 R. A. Dunlap, "Heat Engines and Heat Pumps," in Sustainable Energy, 1st ed. Stamford, CT: Cengage Learning, 2015, ch.1, sec.1.5, pp. 16-17
  3. Wikimedia Commons [Online], Available: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/Automobile_radiator.jpg
  4. R. A. Ristinen and J. J. Kraushaar, "Gasoline Engines," in Energy and the Environment 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2006, ch.3, sec.6.2, pp.74-76
  5. G. Prudhvi, G. Vinay and G. Babu. (2013). Cooling Systems in Automobiles & Cars [Online], Available: http://www.ijeat.org/attachments/File/v2i4/D1447042413.pdf
  6. 6,0 et 6,1 How stuff works. (April 4, 2015). Why is waste heat capture important? [Online]. Available: http://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/waste-heat-capture.htm
  7. Energy.gov. (April 4, 2015). CHP Deployment [Online]. Available: http://www.energy.gov/eere/amo/chp-deployment
  8. Forbes. (April 4, 2015). The Most Efficient Power Plants [Online]. Available: http://www.forbes.com/2008/07/03/energy-efficiency-cogeneration-biz-energy_cx_jz_0707efficiency_horror.html
  9. MIT News. (April 4, 2015). Explained: Thermoelectricity [Online]. Available: http://newsoffice.mit.edu/2010/explained-thermoelectricity-0427