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RÉSUMÉ
L’optimisation d’un système énergétique passe par l’évaluation du poids des irréversibilités sur le fonctionnement du système. L’objet de cet article est d’analyser les deux approches existantes pour aborder cette question. La première est basée sur l’étude des bilans entropiques en régime transitoire ou en régime permanent. La seconde est la méthode exergétique qui prend en compte les concepts du premier et du deuxième principe de la thermodynamique.
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André LALLEMAND : Ingénieur, docteur ès sciences - Professeur des universités à l’Institut national des sciences appliquées de Lyon
INTRODUCTION
Le deuxième principe de la thermodynamique nous apprend que l’entropie est une grandeur extensive qui, d’une part accompagne tous les transferts de chaleur, d’autre part apparaît spontanément (est créée) dans les systèmes qui fonctionnent avec des irréversibilités dues à tous les gradients de grandeurs intensives. Comme la dynamique de tous les systèmes est justement liée à ces gradients, les irréversibilités sont présentes partout et sont nécessaires pour réaliser des transferts énergétiques dans des temps limités, c’est-à-dire pour mettre en jeu des puissances non négligeables. Il apparaît alors un dilemme pour le concepteur d’un système industriel, c’est-à-dire pour l’ingénieur. En effet, les irréversibilités, c’est-à-dire la création d’entropie, qui permettent d’avoir de la puissance, sont la cause d’une transformation spontanée (dégradation) des énergies dites « nobles » (mécanique, électrique, etc.) en énergie thermique, ce qui dégrade en général le rendement du système considéré. Ainsi, afin d’optimiser un système énergétique, l’ingénieur doit pouvoir mesurer le poids des irréversibilités sur le fonctionnement du système. Pour ce faire, deux méthodes s’offrent à lui.
Les installations énergétiques industrielles et leurs composants sont quasiment toujours, pour le « système thermodynamique » considéré (un fluide en général), des systèmes ouverts. L’analyse des irréversibilités développées dans le système peut alors s’appuyer sur une étude des bilans entropiques, c’est-à-dire des flux d’entropie qui traversent le système, en régime permanent ou en régime transitoire. De tels bilans faisant apparaître les créations d’entropie ou production entropique, parmi les diverses solutions possibles celle qui, pour une même puissance, donne la plus faible production entropique, devra être privilégiée.
Cette première méthode est remplacée de plus en plus par la méthode exergétique. Son intérêt réside principalement dans le fait que sa mise en œuvre donne aussi bien des renseignements sur le plan quantitatif que sur le plan qualitatif des transferts énergétiques. Elle recouvre donc à la fois les concepts du premier principe et ceux du deuxième principe de la thermodynamique alors que les analyses entropiques ne prennent en compte que les aspects liés au deuxième principe.
L’objet de cet article est de jeter les bases nécessaires à l’application de chacune de ces deux méthodes. Cependant, l’accent sera mis sur les analyses exergétiques.
Il est important de préciser que la compréhension de l’article est nettement conditionné par la maîtrise des concepts établis dans l’article qui précède . En fait, ces deux articles sont liés.
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Évolution de l’entropie d’un système ouvert. Bilan entropique
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2. Exergie. Anergie
L’analyse exergétique fait l’objet de l’article . On renvoie le lecteur à cet article pour avoir une vue détaillée de ce concept. La présentation qui en est faite ici est une présentation simplifiée, orientée vers une application en systèmes ouverts, sans réactions chimiques et dont la frontière est indéformable. Cette présentation est suffisante pour analyser la plupart des systèmes énergétiques.
2.1 Exergie thermomécanique d’un système fluide en écoulement
On considère (figure 2) un système fluide quelconque Σ traversant une machine thermique MT qui, au cours d’une évolution élémentaire réversible, échange, par unité de masse, de la chaleur δq avec le milieu extérieur et une énergie mécanique δw t avec les éléments mobiles de la machine (travail techniquement et théoriquement récupérable, voir article § 3.2). Supposons que ce système serve de source chaude à un moteur de Carnot dont la source froide soit constituée par le milieu ambiant. En recevant la chaleur δq, le moteur de Carnot produit l’énergie :
avec :
- T :
- la température du système Σ à l’endroit de l’échange thermique
- Ta :
- la température du milieu ambiant.
Un tel ensemble produit, par unité de masse du système Σ, un travail total :
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