Efficacité de conversion d’énergie

Le rendement de conversion d’énergie (η) est le rapport entre la production utile d’une machine de conversion d’énergie et l’entrée, en termes d’énergie. L’entrée, ainsi que la sortie utile peuvent être des produits chimiques, de l’énergie électrique, des travaux mécaniques, de la lumière (rayonnement) ou de la chaleur.

Vue d’ensemble
L’efficacité de la conversion énergétique dépend de l’utilité de la production. Toute ou partie de la chaleur produite par la combustion d’un combustible peut devenir une chaleur perdue si, par exemple, le travail est la sortie souhaitée d’un cycle thermodynamique. Le convertisseur d’énergie est un exemple de transformation d’énergie. Par exemple, une ampoule rentre dans les catégories de convertisseur d’énergie.  Même si la définition inclut la notion d’utilité, l’efficacité est considérée comme un terme technique ou physique. Les termes axés sur les objectifs ou les missions incluent efficacité et efficience.

En règle générale, le rendement de conversion énergétique est un nombre sans dimension compris entre 0 et 1,0, ou entre 0% et 100%. Les rendements ne peuvent pas dépasser 100%, par exemple pour une machine à mouvement perpétuel. Cependant, d’autres mesures d’efficacité pouvant dépasser 1,0 sont utilisées pour les pompes à chaleur et autres appareils qui déplacent la chaleur plutôt que de la convertir.

Lorsqu’on parle de l’efficacité des moteurs thermiques et des centrales électriques, il convient de préciser la convention, c’est-à-dire HHV (également appelée valeur calorifique brute, etc.) ou LCV (également appelée valeur nette calorifique), et de déterminer si la production brute sortie (à la clôture de la centrale électrique) sont à l’étude. Les deux sont séparés mais les deux doivent être indiqués. Ne pas le faire provoque une confusion sans fin.

Les termes associés plus spécifiques incluent

Efficacité électrique, puissance utile utile par puissance électrique consommée;
Efficacité mécanique, où une forme d’énergie mécanique (par exemple l’énergie potentielle de l’eau) est convertie en énergie mécanique (travail);
Efficacité thermique ou efficacité énergétique, chaleur utile et / ou rendement au travail par énergie d’entrée telle que le carburant consommé;
«Efficacité totale», par exemple pour la cogénération, puissance électrique utile et puissance calorifique par énergie consommée. Identique à l’efficacité thermique.
L’efficacité lumineuse, cette partie du rayonnement électromagnétique émis est utilisable pour la vision humaine.

Puissance calorifique et efficacité du combustible
En Europe, la teneur en énergie utilisable du carburant est généralement calculée en utilisant la valeur calorifique inférieure (PCI) de ce carburant, dont la définition suppose que la vapeur d’eau produite lors de la combustion du carburant (oxydation) reste gazeuse et n’est pas condensée en eau liquide. la chaleur latente de vaporisation de cette eau n’est donc pas utilisable. En utilisant le LHV, une chaudière à condensation peut atteindre une “efficacité de chauffage” supérieure à 100% (cela ne viole pas la première loi de la thermodynamique tant que la convention LHV est comprise, mais crée de la confusion). En effet, l’appareil récupère une partie de la chaleur de vaporisation, ce qui n’est pas inclus dans la définition de la valeur calorifique inférieure du combustible. Aux États-Unis et ailleurs, le pouvoir calorifique supérieur (HHV) est utilisé, ce qui inclut la chaleur latente nécessaire à la condensation de la vapeur d’eau. Ainsi, le rendement thermodynamique maximum de 100% ne peut pas être dépassé avec l’utilisation du HHV.

Efficacité de prise murale, efficacité lumineuse et efficacité
Dans les systèmes optiques tels que l’éclairage et les lasers, l’efficacité de conversion d’énergie est souvent appelée efficacité de prise murale. L’efficacité de la prise murale est la mesure de l’énergie radiative de sortie, en watts (joules par seconde), par le total de l’énergie électrique d’entrée en watts. L’énergie de sortie est généralement mesurée en termes d’éclairement énergétique absolu et l’efficacité de la prise murale est exprimée en pourcentage de l’énergie d’entrée totale, le pourcentage inverse représentant les pertes.

L’efficacité de prise murale diffère de l’efficacité lumineuse en ce sens que l’efficacité de prise murale décrit la conversion directe entrée / sortie d’énergie (la quantité de travail pouvant être effectuée), tandis que l’efficacité lumineuse prend en compte la sensibilité variable de l’œil humain à différentes longueurs d’onde ( comment bien il peut éclairer un espace). Au lieu d’utiliser des watts, la puissance d’une source de lumière pour produire des longueurs d’onde proportionnelles à la perception humaine est mesurée en lumens. L’œil humain est le plus sensible aux longueurs d’onde de 555 nanomètres (jaune verdâtre), mais la sensibilité décroît considérablement de part et d’autre de cette longueur d’onde, suivant une courbe de puissance gaussienne et passant à une sensibilité nulle aux extrémités rouge et violette du spectre. Pour cette raison, l’œil ne voit généralement pas toutes les longueurs d’ondes émises par une source de lumière particulière, pas plus qu’il ne voit également toutes les longueurs d’ondes dans le spectre visuel. Le jaune et le vert, par exemple, représentent plus de 50% de ce que l’œil perçoit comme étant blanc, même si, en termes d’énergie radiante, la lumière blanche est composée de parties égales de toutes les couleurs (c.-à-d. Un laser vert de 5 mw apparaît plus lumineux. qu’un laser rouge de 5 mw, mais le laser rouge se démarque mieux sur un fond blanc). Par conséquent, l’intensité de rayonnement d’une source lumineuse peut être beaucoup plus grande que son intensité lumineuse, ce qui signifie que la source émet plus d’énergie que l’œil ne peut en utiliser. De même, l’efficacité de la prise murale de la lampe est généralement supérieure à son efficacité lumineuse. L’efficacité d’une source lumineuse pour convertir l’énergie électrique en longueurs d’onde de la lumière visible proportionnellement à la sensibilité de l’œil humain est appelée efficacité lumineuse, mesurée en unités de lumens par watt (lm / w) d’entrée électrique. -énergie.

Contrairement à l’efficacité (efficacité), qui est une unité de mesure, l’efficacité est un nombre sans unité exprimé en pourcentage, nécessitant seulement que les unités d’entrée et de sortie soient du même type. Par conséquent, l’efficacité lumineuse d’une source de lumière est le pourcentage d’efficacité lumineuse par l’efficacité maximale théorique à une longueur d’onde spécifique. La quantité d’énergie transportée par un photon de lumière est déterminée par sa longueur d’onde. En lumens, cette énergie est compensée par la sensibilité de l’œil aux longueurs d’onde sélectionnées.Par exemple, un pointeur laser vert peut avoir plus de 30 fois la luminosité apparente d’un pointeur rouge de même puissance. À 555 nm de longueur d’onde, 1 watt d’énergie radiante équivaut à 685 lumens. Ainsi, une source de lumière monochromatique à cette longueur d’onde, avec un rendement lumineux de 685 lm / w, a un rendement lumineux de 100%. L’efficacité maximale théorique diminue pour les longueurs d’onde de chaque côté de 555 nm. Par exemple, les lampes au sodium à basse pression produisent une lumière monochromatique à 589 nm avec une efficacité lumineuse de 200 lm / w, ce qui est la plus élevée de toutes les lampes. L’efficacité théorique maximale à cette longueur d’onde est de 525 lm / w, de sorte que la lampe a un rendement lumineux de 38,1%. Parce que la lampe est monochromatique, l’efficacité lumineuse correspond presque à l’efficacité de la prise murale de & lt; 40%.

Les calculs d’efficacité lumineuse deviennent plus complexes pour les lampes émettant de la lumière blanche ou un mélange de raies spectrales. Les lampes fluorescentes ont des rendements muraux plus élevés que les lampes au sodium basse pression, mais n’ont que la moitié de l’efficacité lumineuse d’environ 100 lm / w; l’efficacité lumineuse des lampes fluorescentes est donc inférieure à celle des lampes au sodium. Un tube à éclair au xénon a une efficacité de prise murale typique de 50 à 70%, supérieure à celle de la plupart des autres types d’éclairage. Comme le tube flash émet de grandes quantités de rayons infrarouges et ultraviolets, seule une partie de l’énergie de sortie est utilisée par les yeux. L’efficacité lumineuse est donc typiquement d’environ 50 lm / w. Cependant, toutes les applications d’éclairage ne concernent pas l’œil humain et ne se limitent pas aux longueurs d’ondes visibles. Pour le pompage au laser, l’efficacité n’est pas liée à l’œil humain; on ne l’appelle donc pas efficacité “lumineuse”, mais simplement “efficacité” en ce qui concerne les lignes d’absorption du milieu laser. Les tubes à flash Krypton sont souvent choisis pour le pompage des lasers Nd: YAG, même si leur efficacité de prise murale n’est généralement que d’environ 40%. Les raies spectrales du krypton correspondent mieux aux raies d’absorption du cristal dopé au néodyme. L’efficacité du krypton à cet effet est donc beaucoup plus grande que celle du xénon; capable de produire jusqu’à deux fois la sortie laser pour la même entrée électrique. Tous ces termes font référence à la quantité d’énergie et de lumens lorsqu’ils sortent de la source lumineuse, sans tenir compte des pertes pouvant survenir dans l’appareil d’éclairage ou dans l’optique de sortie ultérieure.L’efficacité du luminaire correspond au flux lumineux total émis par le luminaire par rapport à la puissance de la lampe.

À l’exception de quelques sources lumineuses, telles que les ampoules à incandescence, la plupart des sources lumineuses ont plusieurs étapes de conversion d’énergie entre la “prise murale” (point d’entrée électrique, qui peut inclure des piles, le câblage direct ou d’autres sources) et la source finale. sortie de lumière, chaque étape produisant une perte. Les lampes au sodium basse pression convertissent initialement l’énergie électrique à l’aide d’un ballast électrique, afin de maintenir le courant et la tension appropriés, mais de l’énergie est perdue dans le ballast. De même, les lampes fluorescentes convertissent l’électricité à l’aide d’un ballast (efficacité électronique). L’électricité est ensuite convertie en énergie lumineuse par l’arc électrique (efficacité des électrodes et efficacité de la décharge). La lumière est ensuite transférée sur un revêtement fluorescent qui n’absorbe que les longueurs d’onde appropriées, avec quelques pertes de ces longueurs d’onde dues à la réflexion et à la transmission à travers le revêtement (efficacité de transfert). Le nombre de photons absorbés par le revêtement ne correspondra pas au nombre alors réémis sous forme de fluorescence (efficacité quantique). Enfin, en raison du phénomène de décalage de Stokes, les photons réémis auront une longueur d’onde plus courte (donc moins d’énergie) que les photons absorbés (efficacité de fluorescence). De manière très similaire, les lasers subissent également de nombreuses étapes de conversion entre la prise murale et l’ouverture de sortie. Les termes “efficacité de prise murale” ou “efficacité de conversion d’énergie” sont donc utilisés pour désigner l’efficacité globale du dispositif de conversion d’énergie, déduction des pertes de chaque étage, bien que cela puisse exclure les composants externes nécessaires au fonctionnement de certains dispositifs, tels que pompes à liquide de refroidissement.

Exemple d’efficacité de conversion d’énergie

Processus de conversion Type de conversion Efficacité énergétique
Production d’électricité
Turbine à gaz Chimique à électrique Jusqu’à 40%
Turbine à gaz et turbine à vapeur (cycle combiné) Chimique / thermique à électrique jusqu’à 60%
Turbine à eau Gravitationnel à électrique jusqu’à 90% (pratiquement atteint)
Éolienne Cinétique à électrique jusqu’à 59% (limite théorique)
Cellule photovoltaïque Radiatif à électrique 6–40% (dépendant de la technologie, 15-20% le plus souvent, limite théorique 85–90%)
Pile à combustible Chimique à électrique jusqu’à 85%
Production mondiale d’électricité en 2008 Production brute 39% Production nette 33%
Stockage d’électricité
Batterie aux ions lithium Chimique à électrique / réversible 80–90%
Pile nickel-métal hydrure Chimique à électrique / réversible 66%
Batterie au plomb Chimique à électrique / réversible 50–95%
Moteur / moteur
Moteur à combustion Chimique à cinétique 10–50%
Moteur électrique Électrique à cinétique 70 à 99,99% (> 200 W); 50 à 90% (10 à 200 W); 30–60% (<10 W)
Turbofan Chimique à cinétique 20-40%
Processus naturel
Photosynthèse Radiatif à chimique jusqu’à 6%
Muscle Chimique à cinétique 14–27%
Appareil
Réfrigérateur domestique Électrique à thermique systèmes bas de gamme ~ 20%; systèmes haut de gamme ~ 40–50%
Ampoule à incandescence Électrique à radiative 0,7-5,1%, 5-10%
Diode électroluminescente (LED) Électrique à radiative 4,2 à 53%
Lampe fluorescente Électrique à radiative 8,0-15,6%, 28%
Lampe à sodium basse pression Électrique à radiative 15,0–29,0%, 40,5%
Lampe aux halogénures métalliques Électrique à radiative 9,5 à 17,0%, 24%
Alimentation à découpage Électrique à électrique actuellement jusqu’à 96% pratiquement
Douche électrique Électrique à thermique 90–95% (multiplié par l’efficacité énergétique de la production d’électricité pour la comparaison avec d’autres systèmes de chauffage à eau)
Chauffage électrique Électrique à thermique ~ 100% (pratiquement toute l’énergie est convertie en chaleur, multipliée par l’efficacité énergétique de la production d’électricité aux fins de comparaison avec d’autres systèmes de chauffage)
Autres
Arme à feu Chimique à cinétique ~ 30% (munitions .300 Hawk)
Électrolyse de l’eau Électrique à chimique 50–70% (maximum 80–94% théorique)