Une vision holistique de l’efficacité énergétique

On pense souvent l'efficacité énergétique en terme de technologie donnée, ce qui peut masquer les marges existantes pour l'améliorer à service rendu équivalent. Décryptage.

April 20, 2022
by
Thomas Boigontier
Greg De Temmerman


Seulement 15% de la chaleur produite par un feu de cheminée sert vraiment à chauffer une pièce. Pour éviter ce gâchis (et accessoirement préserver nos forêts), des chaudières à bois de plus en plus performantes ont été développées jusqu'à ce qu'elles puissent désormais restituer 100% de la chaleur produite à leur environnement. Pourtant, ce haut rendement apparent masque en réalité une technologie très peu efficace. Le rendement ne nous dit donc pas tout ?

L'efficacité: un des leviers d'action pour baisser les émissions

Atteindre la neutralité carbone d’ici 2050 implique d’activer tous les leviers d’action disponibles. Beaucoup de scénarios de transition énergétique (IEA, Ademe, RTE…), incluent de fortes baisses de consommation d’énergie finale. En France par exemple, cette dernière doit baisser de 40% d’ici 2050 - une baisse souvent attribuée à une forte sobriété. Or une analyse plus fine montre que cette réduction proviendra en grande partie des gains d’efficacité énergétique. Si l’amélioration de cette dernière ne se traduit pas toujours directement par des baisses de consommation, le programme américain d’amélioration de l’efficacité des véhicules thermiques (CAFE) a par exemple permis d’éviter, entre 1975 et 1982, l’utilisation de 4,8 millions de barils de pétrole par jour. A titre de comparaison, la production de pétrole brut des Etats-Unis en 2019 s’élève à un peu plus de 17 millions de barils par jour.

L'efficacité énergétique est le rapport entre la quantité d'énergie délivrée par un système et la quantité d'énergie consommée par le système. Améliorer l'efficacité permet donc de diminuer la consommation d'énergie pour une même quantité d'énergie fournie en sortie. En revanche, cette approche a nécessairement des limites. On observe d’ailleurs, depuis le début des années 60 dans de nombreux pays développés comme le Japon, les Etats-Unis, ou plus récemment le Royaume-Uni, un ralentissement des progrès effectués et même une stagnation, que l’on qualifie de « dilution d’efficacité ». Une observation logique au vu de la théorie des rendements décroissants : plus l’efficacité augmente, plus les progrès sont difficiles. Par exemple, l’efficacité des meilleurs moteurs diesel tend à stagner depuis le début des années 80 car ils ont été continuellement améliorés depuis les premiers moteurs de Rudolf Diesel en 1893.

Ce raisonnement néglige cependant les énormes marges encore disponibles. Pour comprendre pourquoi, il est important de revenir aux bases du fonctionnement du système énergétique.

Figure 1 : Schéma simplifié du système énergétique

L’énergie est classée selon sa position dans la chaîne de conversion. L’énergie primaire, tout en haut de la chaîne, est l’énergie qui est extraite directement de l’environnement sous sa forme brute, comme le pétrole, le rayonnement solaire, le vent… Cette énergie primaire est ensuite convertie sous une autre forme : l’énergie secondaire. C’est ce que font les centrales de production d’électricité par exemple. L’énergie finale désigne elle l’énergie dont on bénéficie au point de consommation. Enfin, les technologies que nous utilisons au quotidien convertissent l’énergie finale en énergie utile, l’énergie nécessaire pour réaliser une action donnée. Une ampoule transforme l’électricité (énergie finale) en lumière (énergie utile) afin de réaliser le service d’éclairer une pièce.

On peut ainsi définir une efficacité énergétique à chaque étape de la chaîne de conversion, mais nous avons vu que cette approche a ses limites. En effet, ce que l’efficacité énergétique ne prend pas en compte, c’est la dégradation de la qualité de l’énergie lorsqu’elle subit des transformations. Plus précisément, l’efficacité énergétique ne donne pas d’indication sur le potentiel qu’a une énergie à fournir un service. Par exemple, un moteur thermique idéal fonctionnant entre une source de chaleur à une température de 20°C (intérieur) dans un environnement à 5°C (extérieur) aura un rendement de de 5,1%. Pourtant, ce moteur est idéal (au sens de la thermodynamique), et aucune machine ne pourra convertir plus de 5.1% de chaleur en énergie mécanique. Le rendement énergétique est, dans ce cas, trompeur car il indique qu'il existe une marge d'amélioration importante alors qu'il n'y en a aucune.

Penser en terme de service et pas uniquement d'amélioration de technologie

A l’inverse, un chauffage électrique d’une puissance de 2 kW a une efficacité énergétique proche de 100%, puisqu’il convertit quasiment toute l’énergie en chaleur utile. On pourrait donc penser qu’il n’est pas possible de faire mieux. Pourtant, si on considère les mêmes températures que pour le cas précédent, on peut fournir les 2 kW de chaleur à la pièce chauffée par le biais d’une pompe à chaleur, avec un rendement énergétique pouvant atteindre 500%. 

Pour connaître l’efficacité maximale, il faut quantifier la part d’énergie transformable en énergie utile. Comme mentionné plus haut, il existe une limite théorique à l’énergie qu’on peut extraire de deux sources de température différentes: c’est l’efficacité maximale qui peut être atteinte pour un service énergétique donné. On peut alors comparer les technologies de conversion utilisant différentes sources d’énergies et identifier précisément là où l'énergie est dégradée. 

Pour reprendre les exemples précédents, l’efficacité du moteur thermique idéal serait de 100% puisqu’aucun moteur fonctionnant à partir de deux sources de températures différentes ne peut réaliser plus efficacement ce service de production de travail mécanique. Le radiateur électrique, dans les conditions citées, aurait lui une efficacité de 5,1% et la pompe à chaleur une efficacité de 25,5%, ce qui montre que les perspectives d’amélioration des systèmes de chauffage sont encore conséquentes si l’on raisonne en termes de service et non de technologie donnée. 

Figure 2 : Comparaison de l'évolution historique de l'efficacité des moteurs à vapeur, diesel et électrique.

Un dernier exemple assez parlant est celui de la voiture. Les moteurs essence et diesel modernes atteignent respectivement 36% et 42% de rendement alors que les moteurs électriques actuels ont un rendement souvent supérieur à 90%. Ainsi, alors que les moteurs essence et diesel sont proches de leur limite théorique, le moteur électrique permet un énorme bond en avant en termes d’efficacité, en particulier lorsque la production d’électricité est majoritairement d’origine renouvelable. Historiquement, un effet similaire a été observé lors du passage du moteur à vapeur au moteur à combustion interne.

Pour avoir un ordre d’idée, convertir toute la flotte française de voitures essence et diesel en voitures électriques entraînerait une réduction de 12% de la consommation nationale d’énergie finale - un gain significatif.  Il est donc nécessaire de raisonner en termes d’efficacité maximale d’une technologie donnée, mais également en termes d’efficacité maximale d’un service donné.

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