Introduction
L’exergie est une notion dont beaucoup de monde a entendu parler, mais dont peu de personnes sont capable de donner une définition cohérente. Nous faisons le point.
Cette notion a été initialement proposée par RANT en 1956. Ce mot est dérivé de l’ « énergie » issue des mots grecs « ex » et « ergos » soit « énergie à l’extérieur ». Limitée pendant longtemps aux chercheurs puis aux ingénieurs, le concept d’exergie commence aujourd’hui à toucher le grand public suite à la forte sensibilisation de l’efficacité énergétique dans de nombreux domaines.
Définitions et unités
On peut définir comme étant la quantité maximale de travail (ou énergie utile) qu’il est possible d’extraire dans le meilleur des cas, d’un système passant d’un état initial 1 vers un état final 0, identique à celui du milieu ambiant.
Une deuxième définition dit que l’exergie est également la quantité minimale de travail qu’on doit fournir au système pour le faire passer du milieu ambiant 0 à un état final 1.
La dimension de l’exergie est donc la même que celle de l’énergie ; on l’exprime en Joules [J] dans le Système International, ou dans n’importe quelle autre unité homogène à une énergie (kilo Watt heure [kWh], calorie [cal], …).
A la manière du débit d’énergie, appelé puissance, le débit d’exergie est nommé flux d’exergie, dont l’unité est le Watt [W].
Il faut retenir qu’elle est toujours définie de manière relative par rapport au milieu ambiant.
En opposition à l’exergie, on peut définir le terme d’anergie de telle sorte que :
Exergie + Anergie = Energie
Par définition, le travail est de l’ « exergie pure » : 100% d’exergie et 0% d’anergie. C’est donc une énergie à forte valeur.
A partir de ce concept, sont créés des critères de performance qui ne prendront en compte que la « fraction utile » de l’énergie.
Liens avec les principes de la thermodynamique
Pour illustrer ce terme d’exergie, raisonnons scientifiquement sur l’exemple de la température :
Soit un milieu de capacité thermique infinie (un échange thermique n’a aucun effet sur la température, comme dans la mer ou l’air ambiant). Il délivre une quantité de chaleur Qc à une température Tc constante, le tout dans un milieu extérieur à une température constante T0.
La quantité de travail maximale récupérable est celle créée par une machine de Carnot fonctionnant entre ces deux températures :
Exc = Wmax = Qc x (1-T0/Tc) < 1
L’anergie, quant à elle, représente ce qu’il reste de chaleur Qc, et qui sera perdue :
Anc = Qc – Exc = Qc x T0/Tc
Finalement on met ici en avant une première notion de critère de performance appliquée à la température : le facteur de Carnot noté ?.
? = 1-T0/T => ? = Exergie/Energie
Soit en application à l’exemple précédent :
Exc = Qc x ?c et Anc = Qc x (1- ?c)
Grâce au concept d’exergie, on peut reformuler les deux premiers principes de la thermodynamique de manière lumineuse :
• Conservation de l’énergie : Au cours d’une transformation quelconque de l’énergie, la somme de l’exergie et de l’anergie est constante :
?E = ?(Ex + An) = ?Ex + ?An = 0 ;
• Dégradation de l’énergie : La proportion de l’exergie ne peut que diminuer alors que celle de l’anergie ne peut que croître :
?Ex ? 0 et ?An ? 0
Si la transformation est réversible, c’est-à-dire idéale d’un point de vue thermodynamique, les inégalités peuvent être remplacées par des égalités.
Illustrations
Illustrons via des modèles mécaniques humoristiques trois types de cycles : une machine motrice, une pompe à chaleur et une machine frigorifique.
La machine motrice
L’énergie est ici représentée par le nombre de « bonhommes » et la hauteur représente le facteur de Carnot (soit la « qualité » de l’énergie). La production de travail (énergie « noble » avec Θ = 1) à partir de chaleur (énergie dégradée) nécessite de devoir en rejeter dans le milieu ambiant (Θa = 0).
La pompe à chaleur
Le pompage de la chaleur de la température ambiante (Θa = 0) vers une température plus élevée nécessite l’utilisation de travail (Θ = 1).
La machine frigorifique
Une machine frigorifique permet de maintenir un milieu à une température inférieure à celle de l’extérieur. On peut donc avoir Θ ≤ 0 !
Conclusion
L’exergie a été un concept longtemps considéré comme « trop pointu » et réservé aux chercheurs. Mais comme nous venons de le voir, l’exergie permet d’évaluer la qualité d’une énergie. Entendons par “qualité” la facilité avec laquelle elle pourra être exploitée, par exemple pour être convertie vers une autre forme d’énergie.
Ainsi, elle apparaît aujourd’hui comme un outil nécessaire à la transition énergétique.