Question d'origine :

Quelle(s) loi(s) régit(ssent) l'efficacité energetique d'un moteur electrique transformé en générateur ?

Réponse du Guichet

Avatar par défaut Sciences1 - Département : Sciences et Techniques
Le 17/09/2021 à 10h23

La thermodynamique à l'origine de l'efficacité énergétique d'un moteur électrique.

Bonjour,

Avant toute chose nous vous rappelons que nous ne sommes que bibliothécaires.

Notre réponse n’a donc pas valeur d’expertise et risque d’être incomplète et généraliste.

Si, comme nous le supposons, votre question se rapporte aux lois physiques qui régissent l’efficacité énergétique d’un moteur électrique, cela entre a priori dans le champ de la thermodynamique et des lois s’appliquant à l’énergie. C’est ce qui est expliqué ci-dessous dans cet article de Wikipédia :

 

Champs disciplinaires

Article détaillé :Efficacité énergétique (thermodynamique).

L'efficacité énergétique implique ou concerne plusieurs disciplines, dont :

Toujours sur Wikipédia, voici l’explication proposée sur la thermodynamique appliquée à l’efficacité énergétique et plus particulièrement à un moteur :

Efficacité énergétique (thermodynamique)

Cet article concerne la notion thermodynamique. Pour la notion de droit et d'économie, voir Efficacité énergétique (économie).

En physique et ingénierie mécanique, l'efficacité énergétique (ou efficacité thermodynamique) est un nombre sans dimension, qui est le rapport entre ce qui peut être récupéré utilement de la machine sur ce qui a été dépensé pour la faire fonctionner. Aux États-Unis, pour les appareils et équipements résidentiels, elle est déterminée par le facteur énergétique (energy factor).

Cette notion est souvent confondue avec une définition du rendement thermodynamique, pour des systèmes dont l'efficacité énergétique théorique maximale est inférieure à un, comme les moteurs dithermes ou les moteurs électriques. Toutefois, il est déconseillé d'utiliser le terme de rendement à la place de l'expression efficacité énergétique pour des machines dont l'efficacité énergétique théorique maximale est supérieure à un, comme les systèmes disposant d'un cycle récepteur de la chaleur ambiante, telle une pompe à chaleur.

En économie, le terme d’efficacité énergétique est utilisé de manière synonyme de l’efficience énergétique, qui consiste à réduire les consommations d’énergie, à service rendu égal.

Définition thermodynamique

L'efficacité énergétique d'un système est définie comme le rapport entre l'énergie utile en sortie de ce système, et l'énergie fournie par les utilisateurs en entrée de ce système :

Formule1'

Derrière la simplicité apparente de cette définition, se cache la subtilité de son utilisation. La définition du système et particulièrement de ses frontières, de ses entrées et de ses sorties, peut changer fondamentalement les résultats, comme on peut le constater dans les exemples suivants.

L'expression «efficacité énergétique» peut également se rapporter à l'utilisation de techniques ou de pratiques pour réduire l'utilisation d'énergie.

 

Lien avec le rendement

Article détaillé: rendement (physique).

Pour un processus donné, on peut, d'une part, calculer son efficacité énergétique théorique, à partir des divers modèles thermodynamiques disponibles, et, d'autre part, on peut effectuer des mesures sur le processus tel qu'il est réalisé. Le rapport entre les efficacités mesurées et théoriques est alors appelé par certains auteurs rendement «effectif» (ou «industriel»).

{\displaystyle {\text{Rendement effectif}}={{\text{Efficacité énergétique mesurée}} \over {\text{Efficacité énergétique théorique}}}={{\text{Énergie utile en sortie mesurée}} \over {\text{Énergie utile en sortie théorique}}}} Formule2'

car l'énergie en entrée est prise à la même valeur en théorie et en pratique.

Le deuxième principe de la thermodynamique nous assure que dans le processus réel, il y a toujours de l'énergie qui n'atteint pas la sortie utile du processus du fait des irréversibilités. L'énergie utile en sortie mesurée, et par conséquent l'efficacité énergétique mesurée, sont toujours inférieures à leurs correspondants théoriques.

Par conséquent, le rendement effectif est toujours inférieur à 1 (ou à 100%), puisqu'il a été défini avec la plus grande valeur au dénominateur du rapport. Le seul processus dont le rendement peut être égal à 1 est le chauffage d'un volume fermé: toutes les irréversibilités se transforment en chaleur et sont ainsi utiles.

Si un rendement effectif est déterminé comme supérieur à 1 et que les mesures sont répétitivement justes, alors la seule explication est que le calcul de l'efficacité théorique est faux.

Exemples d'utilisation

Dans un moteur

Formule3'

{\displaystyle {\text{Efficacité}}=\eta ={W \over {\text{Énergie}}}}

{\displaystyle W} est la quantité utile de travail produite par le système (en joules), et l'énergie est la quantité d'énergie (aussi en joules) utilisée pour faire fonctionner le système.

Une efficacité supérieure ou égale à 1 (100%) est impossible pour un moteur à combustion utilisé pour le mouvement : il y a toujours des pertes thermiques vers le milieu ambiant, c'est ce que l'on peut quantifier dans l'étude du Cycle de Carnot. Par exemple, l'efficacité de Carnot entre 300Ket 900Kest de 1 - (300/900) soit 2/3, signifiant 1/3 de pertes thermodynamiques dans le cas idéal d'un moteur parfait.

Toutefois, pour un moteur utilisé en cogénération, par exemple pour chauffer le bâtiment qui l'abrite, alors ses pertes thermiques deviennent utiles, et on peut quasiment atteindre 100% d'efficacité, mis à part les pertes des gaz d'échappement.

 

 

Pour aller plus loin nous vous conseillons de consulter les ouvrages suivants :

Thermo : thermodynamique

- Thermodynamique

ainsi que les documents ci-dessous qui, nous semble-t-il, pourront éclairer votre question :

La machine à courant continu

Efficacité énergétique : aspect physiques et technologiques de la conversion d’énergie

 

Bonne journée

Réponse du Guichet

Avatar personnalisé gds_et - Département : Equipe du Guichet du Savoir
Le 17/09/2021 à 10h26

En complément de la réponse de nos collègues du département Sciences et Techniques qui porte sur l'aspect physique, voici quelques pistes que nous pouvons vous proposer du côté juridique (lois, normes...).

Bonjour,

 

Une voiture 100% électrique fonctionne avec un moteur électrique transformé en générateur. Sur le site de la Commission Européenne on trouve la référence d'un texte qui s'applique dans ce cadre au niveau européen :

 

Un moteur électrique est généralement défini comme un appareil qui transforme l’énergie électrique en énergie mécanique grâce à un mouvement de rotation (couple et vitesse). Un variateur de vitesse est un dispositif électronique qui peut être utilisé pour régler la vitesse de rotation d’un moteur électrique en fonction des besoins de l’application.

Environ 8 milliards de moteurs électriques sont utilisés dans l’UE, consommant près de 50 % de l’électricité produite par l’UE.

Le secteur est très hétérogène et les technologies, les applications et les tailles sont très variées : il existe de très petits moteurs (pour faire tourner les ventilateurs de refroidissement dans les ordinateurs, par ex.) comme de très grands moteurs, utilisés dans l'industrie lourde.

 

Exigences en matière d’écoconception

 

Tous les fabricants et fournisseurs de moteurs électriques et de variateurs de vitesse souhaitant vendre leurs produits dans l’UE doivent respecter des règles en matière d’écoconception. 

Le règlement (UE) 2019/1781 sur les moteurs électriques et les variateurs de vitesse est entré en vigueur le 1er juillet 2021 et remplace le règlement (CE) n° 640/2009 relatif à l’écoconception des moteurs électriques

Le champ d’application du nouveau règlement est plus large: il couvre les moteurs à induction mono-vitesse, d’une fréquence de 50 Hz, 60 Hz ou 50/60Hz, qui présentent les caractéristiques suivantes:

  • de 2 à 8 pôles;
  • monophasés ou triphasés;
  • une puissance nominale comprise entre 0,12 kW et 1000 kW;
  • une tension nominale comprise entre 50 V et 1000 V;
  • des caractéristiques fixées sur la base d’un fonctionnement continu et d’un fonctionnement avec connexion directe.

Le rendement énergétique d’un moteur électrique est le rapport entre la puissance mécanique de sortie et la puissance électrique en entrée. Le niveau de rendement énergétique s'exprime en classes de rendement énergétique internationales (IE), IE1 étant la classe la moins élevée et IE5 la plus élevée. Conformément au règlement actuel, les moteurs doivent atteindre le niveau de rendement IE2, IE3 ou IE4 en fonction de leur puissance nominale et d’autres caractéristiques. Par exemple, les moteurs triphasés d’une puissance nominale égale ou supérieure à 0,75 kW et égale ou inférieure à 1000 kW doivent atteindre le niveau IE3 d’ici à juillet 2021. Les moteurs dont la puissance est comprise entre 75 kW et 200 kW devront atteindre le niveau IE4 d'ici à juillet 2023. L’UE est la première au monde à rendre obligatoire le niveau IE4 pour certaines catégories de moteurs.

Certains moteurs conçus pour une utilisation dans des conditions particulières ne sont pas soumis à ces règles, par exemple ceux qui sont immergés dans un liquide comme dans les réseaux d'assainissement. 

Le règlement régit également le rendement des variateurs de vitesse : 2 niveaux de rendement sont prévus pour les variateurs (IE1 et IE2) et le règlement exige que tous les variateurs atteignent le niveau IE2.

Tant les moteurs que les variateurs sont soumis à des exigences d’information, telles que le rendement à différents points de charge, en termes de vitesse et de couple. Ces informations permettront aux ingénieurs d’optimiser l’efficacité de l’ensemble des systèmes.

Le règlement (UE) 2019/1781 a été modifié en 2021 par le règlement (UE) 2021/341 de la Commission, qui vise à clarifier et à améliorer certains aspects des règles en matière d’écoconception adoptées en 2019.

 

La même page fournit plusieurs liens vers le site EUR-Lex (site du droit de l'UE) qui pourraient vous intéresser :

  • Commission Regulation (EU) 2019/1781 of 1 October 2019 laying down ecodesign requirements for electric motors and variable speed drives pursuant to Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council, amending Regulation (EC) No 641/2009 with regard to ecodesign requirements for glandless standalone circulators and glandless circulators integrated in products and repealing Commission Regulation (EC) No 640/2009 (Text with EEA relevance)
  • Commission Regulation (EU) 2021/341 of 23 February 2021 amending Regulations (EU) 2019/424, (EU) 2019/1781, (EU) 2019/2019, (EU) 2019/2020, (EU) 2019/2021, (EU) 2019/2022, (EU) 2019/2023 and (EU) 2019/2024 with regard to ecodesign requirements for servers and data storage products, electric motors and variable speed drives, refrigerating appliances, light sources and separate control gears, electronic displays, household dishwashers, household washing machines and household washer-dryers and refrigerating appliances with a direct sales function (Text with EEA relevance)
  • Commission Regulation (EC) No 640/2009 of 22 July 2009 implementing Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for electric motors (Text with EEA relevance)
  • Commission Communication in the framework of the implementation of the Commission Regulation (EC) No 640/2009 implementing Directive 2005/32/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for electric motors Text with EEA relevance (Publication of titles and references of harmonised standards under the directive)

 

Par ailleurs, un diaporama créé par un fabricant de moteurs électriques fournit quelques explications sur l'évolution des normes et règlement relatifs à l'efficacité énergétique (jusqu'en 2017, année de publication du document). 

 

Quelques autres pistes que vous pourrez éventuellement creuser :

- Loi de transition énergétique pour la croissance verte

- Boutique de l'Afnor

 

Bonne journée.

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