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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique BE 8 015 − 1 Analyse exergétique par Riad BENELMIR Ph. D., Habilité à diriger des recherches Maître de Conférences à l’Université Henri-Poincaré Nancy 1 André LALLEMAND Ingénieur, docteur ès sciences Professeur à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon Michel FEIDT Ingénieur, docteur ès sciences Professeur à l’Université Henri-Poincaré Nancy 1 es premier et deuxième principes de la thermodynamique sont des « lois » incontournables dans la résolution des problèmes liés à l’énergétique. Le premier principe stipule l’égalité des diverses formes d’énergie (thermique, mécanique, électrique...) et donne lieu à l’examen des ﬂux d’énergie auxquels sont soumis les divers systèmes, puis à l’écriture du bilan qui doit traduire la conservation de l’énergie. Cependant, on constate que s’il y a égalité quantita- tive des diverses formes d’énergie, la qualité des diverses formes d’énergie varie d’une forme à l’autre, voire à l’intérieur d’une forme donnée, et varie aussi selon les situations considérées. Ainsi, un mégajoule d’énergie thermique à 1 000 ˚C ne représente pas le même « potentiel » énergétique qu’un mégajoule de la même énergie thermique à 20 ˚C. De même, le potentiel d’utilisation d’un mégajoule d’énergie mécanique apparaît rapidement, pour l’utilisateur qu’est l’ingénieur, différent du potentiel d’utilisation d’un mégajoule d’énergie thermi- que. En effet, si l’énergie mécanique peut être spontanément transformée en énergie thermique (par « dégradation » par exemple), la transformation inverse, non spontanée, nécessite de procéder selon un schéma très précis. 1. Déﬁnitions.................................................................................................. BE 8 015 - 4 1.1 État ambiant. État inerte.............................................................................. — 4 1.2 Énergie, exergie et anergie......................................................................... — 4 2. Exergie d’un système.............................................................................. — 4 3. Irréversibilités. Anergie. Facteur de Carnot. Cas du système fermé ............................................................................ — 6 4. Variation d’exergie d’un système ouvert .......................................... — 6 5. Exergie chimique...................................................................................... — 8 5.1 Déﬁnition...................................................................................................... — 8 5.2 Exergie chimique d’un mélange de gaz parfaits....................................... — 8 5.3 Exergie chimique d’un combustible gazeux.............................................. — 9 6. Exergie physique ...................................................................................... — 10 7 . Mesure de la performance exergétique ............................................. — 10 8. Illustration.................................................................................................. — 11 Références bibliographiques ......................................................................... — 15 L ANALYSE EXERGÉTIQUE _________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BE 8 015 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique Ce sont tous ces éléments, liés à la qualité de l’énergie et aux processus de transfert et de transformation de l’énergie qui constituent le deuxième principe de la thermodynamique, considéré aussi comme un principe d’évolution. La grandeur physique liée à cette évolution est l’entropie dont on observe la création dès que des opérations ont lieu en dehors de l’équilibre strict, c’est-à- dire pour toutes les opérations industrielles qui nécessairement doivent présen- ter une certaine cinétique pour avoir lieu en un temps ﬁni. Ainsi, plus le déséquilibre est important dans un processus (transfert de chaleur dans un échangeur par exemple) plus la puissance mise en jeu est importante, tous autres paramètres étant égaux par ailleurs. Si cet aspect peut apparaître comme très positif, il y a, on peut s’en douter, une contrepartie : une grande cinétique de transfert se paie par une « dégradation» importante de l’énergie (transformation spontanée et irréversible d’une énergie réputée « noble » en chaleur) et une forte création d’entropie. Ainsi, depuis fort longtemps, la création d’entropie a servi aux scientiﬁques pour mesurer la dégradation de l’énergie causée par les irréversibilités des transferts et des transformations énergétiques. Cependant, pour l’ingénieur, habitué à raisonner en termes énergétiques, donc, en joules, mégajoules ou kilo- watts.heures, voire en termes de puissance, c’est-à-dire en watts, kilowatts ou mégawatts, cette mesure n’est pas pratique. En effet, l’entropie, ou son évolution dans le temps, se mesure en unité d’énergie, ou de puissance, par kelvin (J · K−1 ; W · K−1). Ce fait constitue au moins l’une des raisons de l’intérêt de l’emploi de la notion d’exergie pour traiter de ces problèmes de dégradation de l’énergie. Dans cet article, les lois fondamentales de la thermodynamique sont rappelées et l’on présente la notion d’exergie et celle d’anergie, qui est la partie complé- mentaire permettant de retrouver l’énergie totale. L’exergie correspond à la part maximale d’énergie qui peut être transformée en énergie noble. T oute destruc- tion d’exergie correspond ainsi à de la dégradation d’une quantité correspon- dante d’énergie. Elle se mesure en quantités énergétiques (joules...) ou de puissance (watts...) et peut alors être comparée directement aux énergies ou aux puissances mises en jeu dans les procédés étudiés. L ’ingénieur dispose ainsi d’un moyen de chiffrage pratique de l’importance de la dégradation de l’énergie causée par le procédé industriel qu’il développe ou qu’il conduit. (0) ________________________________________________________________________________________________________________ ANALYSE EXERGÉTIQUE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique BE 8 015 − 3 Notations et symboles Notations et symboles Symbole Unité Définition Symbole Unité Définition An J Anergie Sp J/K Production d’entropie Anp J Anergie produite T K Température c m/s Vitesse Tmoy K Température thermodynamique moyenne COP Coefficient de performance t s Temps En J Énergie U J Énergie interne Ec J Énergie cinétique V m3 Volume W Flux d’énergie cinétique m3/s Variation d’un volume dans le temps Ep J Énergie potentielle v m3/kg Volume massique W Flux d’énergie potentielle W J Travail Ex J Exergie W Puissance Exd J Exergie détruite Wt J Travail technique Exch J Exergie chimique W Puissance technique Exph J Exergie physique yi Fraction molaire du gaz i W Flux d’exergie physique z m Hauteur ex J/kg Exergie massique ξ Facteur dissipatif J/kg Exergie massique de transport ηen Rendement énergétique W Flux d’exergie de transport ηex Rendement exergétique J/mol Exergie chimique molaire τ Facteur de Carnot G J Fonction de Gibbs µ J/mol Potentiel chimique g m/s2 Accélération due à la pesanteur Indices g J/mol Enthalpie libre molaire i, j Relatif à l’espèce i ou j H J Enthalpie C Chaud W Flux d’enthalpie cd Condenseur h J/kg Enthalpie massique comp Compresseur J/mol Enthalpie molaire htot J/kg Enthalpie massique totale év Évaporateur I J Irréversibilités F Froid W Puissance exergétique détruite max Maximum m kg Masse min Minimum N mol Nombre de moles opt Optimal n mol/kg Nombre de moles par unité de masse P Produits P Pa Pression R Réactifs Q J Quantité de chaleur 0 Relatif au système en équilibre avec le milieu ambiant W Flux thermique Exposants R J/(mol · K) Constante universelle des gaz 0 Relatif au milieu ambiant S J/K Entropie W Relatif à l’énergie mécanique s J/(mol · K) Entropie molaire s J/(kg · K) Entropie massique Q Relatif à la quantité de chaleur W Flux d’entropie SF Système fermé E ˙c V ˙ E ˙p W ˙ W ˙ t E ˙xph ex E ˙x exch H ˙ h I ˙ Q ˙ S ˙ ANALYSE EXERGÉTIQUE _________________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BE 8 015 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie énergétique 1. Déﬁnitions 1.1 État ambiant. État inerte Le milieu ambiant d’un système donné est un milieu relativement vaste englobant ce système et qui est supposé dans un état d’équi- libre thermodynamique parfait, c’est-à-dire tel qu’il ne comprend pas de gradients ou de différences des paramètres intensifs (comme la pression, la température, le potentiel chimique) [1]. Tout autre sys- tème extérieur à ce milieu ambiant et qui a un ou plusieurs para- mètres intensifs qui diffèrent de ceux de ce milieu ambiant a le potentiel de produire du travail en relation avec celui-ci. Ainsi, le milieu ambiant d’un système donné est le milieu de référence pour établir le potentiel de production (ou de réception) de travail de ce système. Le milieu ambiant est aussi une source (ou puits) d’énergie interne, cette dernière pouvant être librement soustraite (ou ajou- tée) sans qu’il y ait de variation des propriétés intensives de ce milieu. Dans les applications terrestres, le milieu ambiant est souvent constitué de l’atmosphère, des mers, des océans et/ou de la terre. Un état ambiant d’un système est un état d’équilibre contraint par le milieu ambiant. Dans un état d’équilibre contraint, les conditions d’équilibres thermique et mécanique entre le système et le milieu ambiant sont satisfaites car la température et la pression du sys- tème sont égales à celles de ce milieu ; cependant, les substances du système sont retenues par une barrière physique de telle manière qu’il n’y a pas, à l’échelle de temps humaine, d’échange de matière entre le système et le milieu ambiant. Il s’agit donc d’un système fermé. Ainsi, en général, dans un état d’équilibre contraint, il n’y a pas d’équilibre des potentiels chimiques. Un état inerte d’un système est un état d’équilibre non contraint avec le milieu ambiant, où les conditions d’équilibres thermique, mécanique et chimique sont satisfaites. Sous ces conditions, le sys- tème ne peut subir aucun changement d’état à partir d’interactions avec le milieu ambiant. 1.2 Énergie, exergie et anergie L ’exergie est uploads/Geographie/ be-8015.pdf