Rendement

Figure 1. L'énergie absorbée par un moteur thermique est mesurée en MWt, et la puissance de sortie obtenue sous forme d'électricité est mesurée en MWe. Le rapport entre la puissance d'entrée et la puissance de sortie s'appelle « rendement ».

Un mot peut avoir des significations multiples et ambiguës dans le langage courant, mais il possède des significations précises en science. Le rendement en physique (et souvent en chimie) est une comparaison entre la sortie d'énergie et l'entrée d'énergie dans un système donné. Il est défini comme le rapport du pourcentage d'énergie de sortie à celui d'énergie d'entrée, exprimé par l'équation :

[math]\displaystyle{ Rendement = \frac{E_{sortie}}{E_{entrée}}\times 100\% }[/math]

Cette équation est couramment utilisée pour représenter l'énergie sous forme de chaleur ou de puissance.

Le « rendement » est souvent confondue avec l'« efficacité », mais les deux termes devraient être reconnus comme distincts lors de l'analyse des systèmes énergétiques. Le rendement énergétique mesure combien de puissance un système obtient du combustible ou du flux d'énergie primaire qu'il utilise. Si le système énergétique est efficace, il utilise cette énergie à de bonnes fins. Par exemple, une voiture est une forme très efficace de transport, car elle est capable de déplacer des personnes sur de longues distances et vers des endroits spécifiques. Cependant, le rendement d'une voiture est parfois inadéquat en raison de la façon dont elle utilise le combustible.

Types de rendement

Rendement thermique

La notion de rendement est très souvent utilisée en science pour décrire l'efficience d'un moteur thermique, qui est appelée « rendement thermique ». Le rendement décrit combien de travail un moteur peut obtenir du combustible qu'il utilise. Il existe des limites supérieures au rendement thermique des moteurs, en raison de la deuxième loi de la thermodynamique, connues sous le nom de « rendement du cycle de Carnot ». Ce rendement de Carnot ne dépend que de la température de la source de chaleur et du dissipateur froid. Il est calculée pour un moteur idéal (impossible) qui n'a pas de changement d'entropie. Bien qu'un tel moteur maximise le rendement en termes d' efficacité, il n'est pas pratique, car ses processus idéalisés prennent autant de temps pour produire une quantité de travail significative. Comme le dit Schroeder, « ne vous embêtez pas à installer un moteur Carnot dans votre voiture; même si cela augmenterait votre consommation d'essence, vous seriez dépassé par des piétons »

Rendement du transport d'électricité

L'électricité a tendance à perdre de l'énergie dans le réseau électrique lorsqu'elle est transmise d'un endroit à un autre en fonction de la magnitude du courant électrique, des conducteurs spécifiques et de la longueur de la ligne de transmission électrique. Au fur et à mesure que le voltage augmente, ces pertes sont considérablement réduites en raison de sa relation avec le courant. Les pertes typiques entre une centrale électrique et les maisons des utilisateurs varient entre 8% et 15%.

Rendement des éoliennes

Les éoliennes sont limitées au rendement théorique maximal de 59,3 %, ce qui est connu sous le nom de limite de Betz. Cette loi est dérivée d'une analyse de conservation de la masse et de la quantité de mouvement dans l'écoulement de fluide autour d'un actionneur d'éolienne. Le rendement d'une éolienne fait référence à la quantité d'énergie qu'elle peut obtenir du vent soufflant dans les rotors.

Implications

Le rendement est utilisé pour décrire l'énergie qu'un certain système peut extraire à partir de sa source d'énergie et rendre utile. Ces systèmes comprennent des centrales électriques, des moteurs et des turbines. Tout système qui utilise l'énergie d'un combustible ou d'un flux primaire possède un certain rendement qui y est associé.

Le rendement des centrales électriques à charbon et à gaz naturel varie entre 32 % et 42 %. Si une centrale a le rendement de 35 %, cela veut dire que pour chaque 100 J de chaleur du charbon, environ 35 J sont tranformés en électricité et les autres 65 en chaleur. Cette chaleur contribue au réchauffement de l'atmosphère, ou encore une étendue d'eau comme une rivière ou un lac.

Ce n'est pas un échec de l'ingénierie, mais plutôt une limite imposée par la thermodynamique, avec l'efficience maximale de telles installations exprimée par le rendement du cycle de Carnot. Plus le rendement de ces installations est faible, plus ses effets sont préjudiciables pour l'environnement, car il faut utiliser davantage de ces combustibles pour répondre aux besoins énergétiques. La capacité d'augmenter le rendement est un sujet de recherche en cours, principalement parce qu'en augmentant le rendement, on réduira les impacts environnementaux de la consommation d'énergie et les besoins en ressources à l'avenir. Parallèlement au rendement, il est important pour l'environnement et pour la santé des personnes que les bons combustibles soient accessibles.

Les centrales de cogénération utilisent la chaleur résiduelle dans les centrales électriques et d'autres systèmes de chauffage (comme le moteur d'une voiture faisant marcher un radiateur) afin d'alimenter d'autres parties du système, ce qui augmente le rendement total.

En savoir plus

• Deuxième loi de la thermodynamique
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