Pouvoir calorifique supérieur (PCS) des combustibles
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Le Pouvoir Calorifique Supérieur, souvent désigné par son sigle « PCS » représente la quantité totale d'énergie libérée lors de la combustion complète d'un combustible, en incluant l'énergie récupérée par la condensation de la vapeur d'eau produite. Cette mesure permet d'évaluer l'efficacité énergétique maximale d'un combustible, notamment dans des systèmes comme les chaudières à condensation qui récupèrent cette chaleur latente. Le PCS est donc essentiel pour comparer les performances énergétiques des différentes sources d'énergie.
Qu’est-ce que le pouvoir calorifique supérieur ?
Il peut s'exprimer en Wattheures ou Joules.
Définition
Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) représente la quantité totale d'énergie libérée lors de la combustion complète d'un combustible, en incluant l'énergie récupérable par la condensation de la vapeur d'eau produite. Autrement dit, il mesure l'énergie maximale que l'on peut obtenir si l'on récupère toute la chaleur, y compris celle contenue dans la vapeur d'eau des gaz de combustion, que l’on appelle aussi chaleur latente.
La combustion d’un produit génère de l’eau à l’état de vapeur, qui se perd à moins de condenser la vapeur d’eau et d’essayer de récupérer la chaleur.
Comment se calcule-t-il ?
Le PCS est déterminé expérimentalement à l'aide d'une bombe calorimétrique, un dispositif qui mesure la chaleur dégagée par la combustion complète d'un échantillon de combustible dans des conditions contrôlées.
Le calcul théorique du PCS peut également être effectué en additionnant le Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) et la chaleur latente de vaporisation de l'eau produite lors de la combustion.
Pour assurent une mesure précise et reproductible du PCS, facilitant la comparaison entre différents combustibles, certaines conditions standardisées doivent être respectées :
- Température initiale : Les réactifs (combustible et comburant) doivent être à une température de référence, généralement fixée à 0 °C ou 25 °C selon les conventions.
- Pression constante : La combustion doit se dérouler à une pression constante, souvent standardisée à 1,013 bar (pression atmosphérique normale).
- État final des produits de combustion : Après la combustion, tous les produits doivent être ramenés à la température initiale, et l'eau produite doit être à l'état liquide, ce qui permet de récupérer la chaleur latente de condensation.
À quoi sert-il ?
Le PCS sert à évaluer l'efficacité énergétique des systèmes de combustion, notamment dans les centrales électriques et les chaudières à condensation qui récupèrent la chaleur latente de la vapeur d'eau. Il permet de comparer différents combustibles en termes d'énergie totale disponible et d'optimiser les performances des installations énergétiques.
Quelle différence avec le PCI ?
La principale différence entre le PCS et le PCI réside dans la prise en compte de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau. Le pouvoir calorifique inférieur mesure l'énergie libérée sans récupérer cette chaleur, tandis que le pouvoir calorifique supérieur inclut l'énergie supplémentaire récupérée par la condensation de la vapeur d'eau.
Ainsi, le PCS est toujours supérieur au PCI pour un même combustible.
Le pouvoir calorifique supérieur de chaque énergie
Le rôle de l'hydrogène
Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) d’un combustible est directement influencé par sa teneur en hydrogène.
Lors de la combustion, l’hydrogène contenu dans le combustible réagit avec l’oxygène pour former de la vapeur d’eau, libérant une grande quantité de chaleur. Si cette vapeur d’eau est condensée, l’énergie supplémentaire liée à la chaleur latente de condensation est récupérée, augmentant le PCS. Par conséquent, les combustibles riches en hydrogène, comme le gaz naturel ou l’hydrogène pur, ont un PCS plus élevé.
Un indicateur de rendement énergétique
Ce phénomène a un impact direct sur le rendement énergétique : dans les systèmes qui exploitent le PCS, comme les chaudières à condensation, le rendement peut dépasser 100 % lorsqu’il est exprimé par rapport au Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), car une partie de l’énergie récupérée provient de la condensation de la vapeur d’eau, et non d’une combustion supplémentaire. Cela explique pourquoi le PCS est crucial pour évaluer l’efficacité maximale des systèmes de production d’énergie.
Comparatif des PCS
Le pouvoir calorifique supérieur est utile pour comparer l’efficacité de chaque combustible et donc son rendement.
A noter que ces valeurs sont uniquement données sont des estimations moyennes, car elles peuvent varier selon différents paramètres propres à chaque type de combustible (taux d’humidité pour le bois, provenance et type de gaz pour le gaz naturel, etc.).
| Énergie | Unité | PCS (kWh par unité) |
|---|---|---|
| Gaz naturel | 1 m³ | 10,5 – 12,0 |
| Fioul domestique | 1 litre | 10,6 – 11,9 |
| Gaz propane | 1 kg | 13,8 – 14,0 |
| Gaz butane | 1 kg | 13,7 – 13,8 |
| Charbon | 1 kg | 8,0 – 9,5 |
| Bois (sec) | 1 kg | 4,5 – 5,5 |
| Granulés de bois | 1 kg | 4,8 – 5,5 |
| Essence | 1 litre | 8,6 – 9,7 |
| Diesel | 1 litre | 9,9 – 10,7 |
| Hydrogène | 1 kg | 39,4 |
| Gaz naturel liquéfié (GNL) | 1 litre | 6,0 – 6,5 |
| Gaz naturel véhicule (GNV) | 1 kg | 13,0 – 13,5 |
| Gaz de pétrole liquéfié (GPL) | 1 litre | 7,1 – 7,6 |
Quels facteurs font varier le PCI selon le mode de production d'énergie ?
Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) varie en fonction de plusieurs facteurs liés à la nature du combustible et aux conditions de production et d'exploitation de l'énergie.
- Teneur en hydrogène : Comme on l'a vu précédemment, plus un combustible contient d’hydrogène, plus son PCS est élevé. Lors de la combustion, l’hydrogène produit de l’eau qui, en se condensant, libère une chaleur latente supplémentaire incluse dans le PCS. Par exemple, le gaz naturel, riche en méthane (CH4), a un PCS plus élevé que des combustibles solides comme le charbon.
- Humidité du combustible : Les combustibles contenant beaucoup d’eau (comme le bois humide) ont un PCS réduit, car une partie de l’énergie est utilisée pour vaporiser cette eau. À l'inverse, les combustibles secs, comme les granulés de bois ou les hydrocarbures raffinés, permettent de maximiser l'énergie libérée.
- Pureté du combustible : Les combustibles mélangés à des impuretés ou à des matières non combustibles ont un PCS inférieur. Par exemple, les déchets organiques ou certaines biomasses peuvent avoir un PCS plus faible que des combustibles fossiles purs comme le propane ou le gaz naturel.
- Méthodes de production et traitement : Les procédés de traitement (comme la désulfuration ou la purification) augmentent la qualité énergétique des combustibles en éliminant les éléments non combustibles. Par exemple, le gaz naturel liquéfié (GNL), après purification, présente un PCS supérieur au gaz brut extrait du sous-sol.
Calcul et conversion
Le calcul du pouvoir calorifique supérieur est assez simple si l’on se base sur le PCI. La formule la plus facile est : PCS = PCI + Chaleur latente d’évaporation.
Il existe également un facteur de conversion entre PCS et PCI, qui permet de faire le calcul assez rapidement :
PCS et facture de gaz
Le pouvoir calorifique supérieur du gaz naturel qui est utilisé par les fournisseurs de gaz pour établir les factures de gaz naturel.
L’unité de mesure du compteur de gaz dans une installation domestique est le mètre cube (m3). Or le gaz naturel distribué en France provient de différents gisements et est consommé à des altitudes différentes, ce qui impacte la pression. Par conséquence, même à volume égal, les différents gaz ne dispensent pas la même quantité d’énergie. 1 m3 de gaz naturel contient entre 9,5278 et 12,7932 kWh.
Le volume de gaz (m3) doit être converti en quantité d’énergie (kWh) par application d’un coefficient de conversion établi par GRDF, qui dépend de sa commune. Le calcul est fait directement par le fournisseur.
PCS et rendement de chaudière à condensation
Le rendement des chaudières à condensation est généralement exprimé par rapport au Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI), car ce dernier ne prend pas en compte l'énergie issue de la condensation de la vapeur d'eau. Or, les chaudières à condensation exploitent cette chaleur latente issue de la condensation, ce qui leur permet d'atteindre un rendement théorique supérieur à 100 % sur la base du PCI. Si le rendement était exprimé par rapport au Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS), qui inclut cette énergie récupérée, il ne dépasserait jamais 100 %. Ainsi, une chaudière à condensation atteignant par exemple un rendement de 110 % par rapport au PCI aurait un rendement d’environ 95 % lorsqu'il est calculé sur la base du PCS.
En clair, ce mode d'expression met en évidence leur efficacité énergétique tout en soulignant l’avantage de récupérer une énergie normalement perdue.
C'est pourquoi se procurer une chaudière à condensation est une bonne solution de chauffage pour faire des économies.
PCS et centrales électriques
Le Pouvoir Calorifique Supérieur (PCS) joue un rôle essentiel dans l'évaluation des performances des centrales électriques, car il inclut toute l'énergie potentielle d'un combustible, y compris la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau produite lors de la combustion.
Dans une centrale électrique, cette vapeur d'eau est généralement évacuée dans l'atmosphère ou refroidie dans des tours de refroidissement, ce qui signifie que l'énergie associée à cette condensation n'est souvent pas récupérée. Par conséquent, le rendement des centrales électriques est habituellement calculé par rapport au PCI, qui exclut cette chaleur latente. Cependant, pour des systèmes de cogénération ou des technologies avancées de certaines centrales thermiques à flamme notamment capables de récupérer cette énergie latente, comme certaines centrales à cycle combiné, le PCS devient une référence plus pertinente pour mesurer l'efficacité globale.