Pouvoir calorifique par énergie : définition, conversion PCI PCS

Par Florian Tostivint

Responsable éditorial - énergie

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Le pouvoir calorifique est une unité de mesure qui permet de savoir quelle énergie produit le plus de chaleur lors de sa combustion (gaz naturel, fioul, gaz propane, granulés de bois, etc.), et donc de comparer leur pouvoir chauffant ou énergétique. On distingue le pouvoir calorifique inférieur (PCI) qui exclut l'énergie récupérable de la vapeur d'eau formée lors de la combustion, tandis que le pouvoir calorifique supérieur (PCS) l'inclut. Le PCS et le PCI offrent deux visions complémentaires de l’énergie contenue dans un combustible. Le PCS représente le potentiel énergétique maximal, tandis que le PCI reflète une approche plus pragmatique, centrée sur l’énergie directement utilisable sans récupération avancée. Cette distinction est essentielle pour comparer les combustibles, optimiser les technologies et évaluer les performances énergétiques dans différents contextes.

Qu’est-ce que le pouvoir calorifique ?

La mesure physique d'une réaction chimique

Lors de sa combustion, un combustible libère de l'énergie thermique. On parle aussi de chaleur de combustion.

Tous les combustibles fossiles, qu’il s’agisse de charbon, de pétrole ou de gaz naturel, contiennent des quantités variables de carbone et d’hydrogène. Lorsqu’ils brûlent, ils produisent du dioxyde de carbone (CO₂), de l’eau sous forme de vapeur, et dégagent de la chaleur.

Le pouvoir calorifique correspond à la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de l’unité de quantité du combustible.

Il est mesuré en wattheures (Wh) ou en joules (J) et rapporté à la quantité de combustible (kg pour le bois, le charbon et le gaz propane, m3 pour le gaz naturel, litre pour le fioul et l'essence par exemple).

Plus le pouvoir calorifique est élevé, plus le combustible est efficace.

La méthode

Il est calculé dans des conditions bien définies : combustion complète, à une pression constante de 1,01325 bar, avec une température initiale de 0°C pour le carburant et l’air. Tous les produits de combustion sont ensuite ramenés à une température de 0°C. Ce processus standardisé permet d’obtenir des données fiables et comparables pour différents combustibles.

La méthode la plus courante pour mesurer le pouvoir calorifique est l’utilisation d’une bombe calorimétrique. Cet appareil conçu spécifiquement pour ce type d’analyse enferme un échantillon de combustible dans une enceinte hermétique, appelée bombe, qui est plongée dans un récipient d’eau. Lors de la combustion, la chaleur libérée augmente la température de l’eau. Cette variation est ensuite mesurée pour calculer précisément le pouvoir calorifique du combustible.

Une autre méthode courante, la calorimétrie différentielle à balayage (DSC), mesure les variations de chaleur d’un échantillon de combustible en combustion par rapport à une référence inerte, permettant également de calculer le pouvoir calorifique avec précision.

Les autres facteurs de variation

Une même énergie consommée au même endroit pourra avoir un pouvoir calorifique différents :

• Le pouvoir calorifique du gaz naturel peut varier selon :
  • la température du jour là où la chaudière est ;
  • la provenance du gaz (c'est d'ailleurs parce que chaque m3 de gaz ne contient pas le même pouvoir calorifique que le fournisseur doit appliquer un coefficient de conversion pour facturer en kWh) ;
  • le rendement de la chaudière (qui dépend notamment de l’entretien de la chaudière) ;
• Le pouvoir calorifique du bois dépend fortement de son taux d’humidité. Concrètement, 2 m3 de bois de chauffage sec produiront la même énergie que 3 m3 de bois plus humide.

Différences entre PCS et PCI

On distingue deux types de pouvoir calorifique : PCI et PCS. La principale distinction entre les deux réside dans la prise en compte ou non de l’énergie libérée par la condensation de la vapeur d’eau (chaleur latente de condensation). 

Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) 

ll s’agit de la quantité de chaleur dégagée par la combustion, n'incluant pas la condensation de la vapeur d’eau contenue dans les fumées. La vapeur d’eau reste sous forme gazeuse. 

C'est la mesure couramment utilisée pour les appareils de chauffage domestique et les chaudières classiques.

Le pouvoir calorifique supérieur (PCS)

Il s’agit de la quantité d’énergie dégagée par la combustion complète, comprenant la vapeur d’eau condensée (ramenée à l'état liquide) et la chaleur induite récupérée. La condensation de la vapeur d’eau générée lors de la combustion libère une quantité significative d’énergie supplémentaire, ce qui explique pourquoi le pouvoir calorifique supérieur est plus élevé que le pouvoir calorifique inférieur.

C'est la mesure utilisée pour évaluer les rendements des centrales électriques. 

Applications pratiques

Le PCS donne une vision complète de l’énergie contenue dans un combustible, tandis que le PCI reflète l’énergie réellement exploitable sans technologies de récupération de chaleur. Ces distinctions sont essentielles pour comparer les combustibles et les technologies, et pour optimiser l’efficacité énergétique dans différents contextes.

L’usage du PCS ou du PCI dépend des besoins spécifiques. Les chaudières domestiques, par exemple, utilisent généralement le PCI pour évaluer leur efficacité, car il représente l’énergie directement utilisable pour chauffer un espace. Cependant, les chaudières à condensation, qui exploitent la chaleur latente de la vapeur d’eau, affichent des rendements supérieurs à 100 % lorsqu’ils sont calculés sur la base du PCI. Cela s’explique par le fait que ces systèmes récupèrent une part d’énergie normalement perdue. 

Dans le cas des centrales électriques, le PCS est préféré, car il inclut toute l’énergie disponible, y compris celle issue de la condensation. 

Une clé pour comprendre l’énergie des combustibles et les technologies

La distinction entre le PCS et le PCI repose sur la manière dont l'énergie de combustion est calculée en fonction de l'état de la vapeur d'eau produite. Lors de la combustion d’un combustible fossile, deux produits principaux sont générés : du dioxyde de carbone (CO₂) et de l'eau, initialement sous forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une énergie appelée chaleur latente, qui peut être récupérée si la vapeur est condensée, ou perdue si elle reste à l’état gazeux. C’est cette récupération ou non de l'énergie contenue dans la vapeur d'eau qui différencie le PCS du PCI.

Par exemple, dans les systèmes où l’objectif est de maximiser l’efficacité énergétique, comme les centrales électriques modernes ou les chaudières à condensation, le PCS est une référence essentielle. En revanche, dans les appareils domestiques classiques ou pour des comparaisons économiques simples, le PCI est souvent privilégié, car il reflète l’énergie effectivement utilisable dans des conditions standard. 

Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) inclut toute l’énergie potentiellement récupérable, y compris la chaleur latente de la condensation de la vapeur d’eau. En d'autres termes, si les gaz de combustion sont refroidis à une température suffisamment basse (généralement jusqu’à 0 °C), la vapeur d’eau se condense en liquide, libérant cette énergie supplémentaire. Cela signifie que le PCS reflète l’énergie totale que peut fournir un combustible dans des conditions optimales, lorsqu'aucune énergie n'est perdue. Cette mesure est particulièrement utile pour évaluer les rendements des centrales électriques ou des installations industrielles, où des technologies avancées permettent de récupérer la chaleur latente.

À l’inverse, le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) ne tient pas compte de la chaleur latente de la vapeur d'eau. Il est calculé en supposant que la vapeur reste à l’état gazeux et que cette énergie n’est pas récupérée. Le PCI est souvent utilisé dans les contextes où la récupération de la chaleur latente est techniquement ou économiquement difficile, comme pour les appareils de chauffage domestique ou les chaudières classiques. Ces équipements ne sont généralement pas conçus pour condenser la vapeur d'eau, et leur rendement est donc évalué sur la base de l'énergie effectivement utilisable, représentée par le PCI.

La proportion d’hydrogène dans le combustible influence fortement cet écart. Plus un combustible est riche en hydrogène, comme le gaz naturel ou le propane, plus l’écart entre PCS et PCI sera important, car la combustion produit davantage de vapeur d'eau.

Avec les avancées technologiques, comme les chaudières à condensation ou les systèmes de cogénération, la récupération de la chaleur latente devient de plus en plus courante. Cela remet en question l’usage dominant du PCI dans certains domaines, car le PCS reflète mieux l'énergie totale réellement exploitable dans ces contextes. En revanche, pour des combustibles solides comme le charbon ou le bois, où la proportion d’hydrogène est faible, l’écart entre PCS et PCI est relativement limité, ce qui peut rendre cette distinction moins critique.

Un exemple pour mieux comprendre : le gaz naturel

Pour le gaz naturel, qui contient une proportion significative d'hydrogène, la combustion produit une grande quantité de vapeur d'eau. Ainsi, le PCS est environ 11 % plus élevé que le PCI, car il inclut l'énergie de condensation de cette vapeur. En pratique, cela signifie que pour 1 kWh PCS, seulement 0,9 kWh PCI est directement utilisable si la vapeur d'eau reste sous forme gazeuse.

Ce différentiel est particulièrement important dans le calcul des rendements des équipements. Par exemple, une chaudière à condensation, qui récupère cette chaleur latente, peut afficher un rendement supérieur à 100 % lorsqu’il est calculé sur la base du PCI, car elle exploite une part d’énergie qui serait normalement perdue.

Valeurs et conversion

La conversion du PCS au PCI se fait en divisant le PCS par un coefficient proche de 1, afin de retirer l'énergie de la condensation de la vapeur d'eau.

Ci-dessous un tableau qui résume les PCI et PCS des différentes énergies pour mieux comprendre le calcul du pouvoir calorifique d’un combustible et leurs performances.