Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique ou chaleur de combustion (en anglais : heating value ou heat of combustion) d'une matière combustible est l'opposé de l'enthalpie de réaction de combustion par unité de masse dans les conditions normales de température et de pression, notée Δ_cH⁰ (< 0). C'est l'énergie dégagée sous forme de chaleur par la réaction de combustion par le dioxygène (autrement dit la quantité de chaleur). Le plus souvent, on considère un hydrocarbure réagissant avec le dioxygène de l'air pour donner du dioxyde de carbone, de l'eau et de la chaleur.

Elle est exprimée en général en kilojoules par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg^-1), mais on rencontre également le pouvoir calorifique molaire (en kilojoules par mole, kJ/mol) ou le pouvoir calorifique volumique (en kilojoules par litre, kJ/L). Pour le gaz naturel, il est exprimé en kilowatts-heures par normo mètre cube (noté kWh/Nm³).

Définition

Selon la norme NF EN ISO 15112, le pouvoir calorifique inférieur (PCI) d'un gaz est :

« la quantité d'énergie libérée sous forme de chaleur par la combustion complète dans l'air d'une quantité spécifiée de gaz, de telle manière que la pression $P$ à laquelle se produit la réaction demeure constante, et que tous les produits de combustion soient ramenés à la même température $T$ que les réactifs, tous les produits se trouvant à l'état gazeux »

— ^[1].

La température de référence est 0 °C^[2]. On utilise aussi le pouvoir calorifique supérieur (PCS), la seule différence est que l'eau produite par la réaction est considérée comme liquide. Cette définition correspond à une réaction à pression constante, donc le pouvoir calorifique correspond à l'opposé de l'enthalpie de la réaction de combustion $\Delta _{r}H^{0}$ .

Pour un hydrocarbure contenant uniquement les éléments carbone et hydrogène, la réaction est :

C_$x$H_$y$ + (

x

+

y

/4) O₂ → x CO₂ +

y

/2 H₂O.

Types

Il existe deux types de pouvoir calorifique :

pouvoir calorifique supérieur (PCS) : c'est l’énergie thermique libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible. Cette énergie comprend la chaleur sensible, mais aussi la chaleur latente de vaporisation de l'eau, généralement produite par la combustion. Cette énergie peut être entièrement récupérée si la vapeur d'eau émise est condensée, c'est-à-dire si toute l'eau vaporisée se retrouve finalement sous forme liquide ;
pouvoir calorifique inférieur (PCI) : c'est l’énergie thermique libérée par la combustion d'un kilogramme de combustible sous forme de chaleur sensible, à l'exclusion de l’énergie de vaporisation (chaleur latente) de l'eau présente en fin de réaction.

Le rendement d'une chaudière s'exprime comme le rapport entre la chaleur récupérée par la chaudière et la chaleur libérée par le combustible consommé. Or, le PCI est, par définition, toujours inférieur au PCS. Ceci explique pourquoi il est possible d'entendre parler de rendements de chaudières à condensation supérieurs à 100 %. Dans ce cas, le rendement est calculé à partir du PCI, ce qui "gonfle" artificiellement le rendement affiché. Ce procédé, permet de réellement comparer tous les types de chaudières (à condensation ou non) sur un pied d'égalité. Par contre, le calcul du rendement à partir du PCI n'est pas des plus honnêtes et une valeur supérieure à 100 % n'a aucun sens physique. Le rendement calculé sur PCS - qui est toujours inférieur à 100 % - devrait être utilisé pour évaluer les rendements de toutes les chaudières.

Par extension, il est possible de parler de PCS pour tout matériau pouvant libérer de l'énergie sous forme de chaleur, même si la réaction libérant cette énergie n'est pas une réaction de combustion, en particulier, pour les matières radioactives utilisées pour la production de chaleur (on parle aussi, par extension, de combustible nucléaire). Dans ce cas, PCI et PCS désignent respectivement l'énergie thermique théoriquement récupérable avec des techniques classiques (chaudière simple, réaction de fission de l'uranium enrichi) et avec des techniques avancées (chaudière à condensation, réaction de fission par neutrons rapide (surgénération)).

Pouvoir calorifique moyen de quelques combustibles

Combustible	MJ/kg	kJ/L	BTU/lb	kJ/mol
Dihydrogène	143	12,75	61 000	286
Essence	47,3	35 475	20 400	4 200
Gazole (carburant pour Diesel)	44,8	38 080	19 300	7 600
Fioul domestique	42,156	36 216	---	---
Kérosène	43,1	34 480
Éthanol	29,7	21 300	12 800	1 300
Propane	50,35			2 219
Butane	49,51		20 900	2 800
Bois	15	---	6 500	---
Charbon	15-27	---	8 000 - 14 000	---

Le professeur en écologie des transports Udo BeckerUdo Becker, dresse les tableaux suivant^[3] :

Combustible	kg/L	MJ/kg
Essence E10	0,754	39,5
Essence	0,75	41,0
Diesel	0,835	43,0
Kérosène	0,8	43,1

et également^[3] :

Combustible	kg/m³	MJ/kg
Gaz naturel	0,80	environ 47
Hydrogène	0,09	environ 120

Pouvoir calorifique inférieur (PCI) de composés organiques purs (à 25 °C)

Combustible	MJ/kg	kJ/L	BTU/lb	kJ/mol
Paraffines (terme désuet en chimie - Alcanes est le nom d'usage actuel)
méthane	50,03	35,862	21 499,86	803,3
éthane	47,794	---	---	1 437,11
propane	46,357	---	---	2 044,13
butane	45,752	---	---	2 653,6
n-pentane	45,357	28,17	---	3 272,45
n-hexane	44,752	29,51	---	3 856,52
n-heptane	44,566	30,47	---	4 465,59
n-octane	44,427	31,10	---	5 064,7
n-nonane	44,311	31,24	---	5 683,11
n-décane	44,240	31,45	---	6 294,54
n-undécane	44,194	32,54	---	6 907,88
n-dodécane	44,147	32,91	---	7 519,77
Isoparaffines
isobutane	45,613	---	---	2 651,12
isopentane	45,241	28,01	---	3 264,08
2-méthylpentane	44,682	29,04	---	3 850,50
2,3-diméthylbutane	44,659	29,30	---	3 848,50
2,3-diméthylpentane	44,496	30,75	---	4 458,58
2,2,4-triméthylpentane	44,310	30,57	---	5 061,46
Naphtènes
cyclopentane	44,636	32,94	---	3 130,45
méthylcyclopentane	44,636	---	---	3 756,54
cyclohexane	43,450	33,83	---	3 656,73
méthylcyclohexane	43,380	---	---	3 756,54
Oléfines
éthylène	47,195	---	---	1 323,97
propylène	45,799	---	---	1 927,20
but-1-ène	45,334	---	---	2 543,52
(Z)-but-2-ène	45,194	---	---	---
(E)-but-2-ène	45,124	---	---	---
isobutène	45,055	---	---	2 527,86
pent-1-ène	45,031	---	---	3 158,15
2-méthylpent-1-ène	44,799	---	---	---
hex-1-ène	44,426	---	---	3 738,86
Dioléfines
buta-1,3-diène	44,613	---	---	3 218,77
isoprène	44,078	---	---	3 002,46
Dérivés nitrés
nitrométhane	10,513	---	---	641,71
nitropropane	20,693	---	---	1 842,66
Acétyléniques
acétylène	48,241	---	---	2 801,79
méthylacétylène (propyne)	46,194	---	---	1 850,71
but-1-yne	45,590	---	---	3 836,83
pent-1-yne	45,217	---	---	---
Aromatiques
benzène	40,170	35,08	---	3 137,75
toluène	40,589	34,98	---	3 739,80
o-xylène	40,961	36,04	---	---
m-xylène	40,961	35,22	---	---
p-xylène	40,798	35,08	---	---
éthylbenzène	40,938	35,48	---	4 346,18
1,2,4-triméthylbenzène	40,984	---	---	---
propylbenzène	41,193	---	---	---
cumène	41,217	---	---	4 953,93
Alcools
méthanol	19,937	15,77	---	638,81
éthanol	28,865	22,77	---	1 329,76
n-propanol	30,680	24,54	---	1 843,71
isopropanol	30,447	23,90	---	1 829,71
n-butanol	33,075	---	---	2 451,57
isobutanol	32,959	---	---	2 442,97
tertiobutanol	32,587	---	---	2 415,40
n-pentanol	34,727	---	---	---
Éthers
méthoxyméthane	28,703	---	---	1 322,30
éthoxyéthane	33,867	---	---	2 510,27
propoxypropane	36,355	---	---	3 714,56
butoxybutane	37,798	---	---	1 741,29
Aldéhydes et cétones
méthanal	17,259	---	---	518,21
éthanal	24,156	---	---	1 064,13
propanal	28,889	---	---	1 677,84
butanal	31,610	---	---	1 330,13
acétone	28,548	---	---	2 460,13
Autres espèces
carbone (graphite)	32,808	---	---	394,04
dihydrogène	120,971	---	---	241,942
oxyde de carbone	10,112	---	---	283,23
ammoniac	18,646	---	---	317,55
soufre	9,163	---	---	587,34

Tableau des densités d'énergie^{[réf. nécessaire]}

Carburant	Densité énergétique spécifique (MJ/kg)	Densité énergétique volumétrique (MJ/L)	CO₂ produit par combustion (kg/kg)
Carburants liquides d'origine biologique
Huile de pyrolyse	17,5	21,35	(En estimant que le contenu en carbone est 23 % wt + O₂ masse) : 0,84
Méthanol (CH₃-OH)	19,9 – 22,7	15,9	1,37
Éthanol (CH₃-CH₂-OH)	23,4 – 26,8	23,4	1,91
Butanol (CH₃-(CH₂)₃-OH)	36,0	29,2	2,37
Graisse	37,67	31,68	[Composition moyenne à insérer ici]
Biodiesel	37,8	33,3 – 35,7	~2,85
Huile de tournesol (C₁₈H₃₂O₂)	39,49	33,18	(12 % (C₁₆H₃₂O₂) + 16 % (C₁₈H₃₄O₂) + 71 % AL + 1 % ALA) : 2,81
Huile de ricin (C₁₈H₃₄O₃)	39,5	33,21	(1 % PA + 1 % SA + 89,5 % ROA + 3 % OA + 4,2 % AL + 0,3 % ALA) : 2,67
Huile d'olive (C₁₈H₃₄O₂)	39,25 - 39,82	33 - 33H	(15 % (C₁₆H₃₂O₂) + 75 % (C₁₈H₃₄O₂) + 9 % LA + 1 % ALA) : 2,80
Carburants gazeux
Méthane (CH₄)	55 – 55,7	(liquéfié) 23,0 – 23,3	(Le méthane est un gaz à effet de serre.) 2,74
Dihydrogène (H₂)	120 – 142	(liquéfié) 8,5 – 10,1	(Production et liquéfaction de l'hydrogène) 0,0
Carburants d'origine fossile
Charbon	29,3 – 33,5	39,85 - 74,43	(En ne comptant pas : CO, NO_x, sulfates et particules) : ~3,59
Pétrole	41,868	28 – 31,4	(En ne comptant pas : CO, NO_x, sulfates et particules) : ~3,4
Essence	45 – 48,3	32 – 34,8	(En ne comptant pas : CO, NO_x, sulfates et particules) : ~3,30
Gazole (Diesel)	48,1	40,3	(En ne comptant pas : CO, NO_x, sulfates et particules) : ~3,4
Gaz naturel	38 – 50	(liquéfié) 25,5 – 28,7	(Éthane, propane et butane N/C : CO, NO_x et sulfates) : ~3,00
Éthane (CH₃-CH₃)	51,9	(liquéfié) ~24,0	2,93

Notes et références

↑ « Gaz naturel — Détermination de l'énergie », Norme Européenne,‎ 2018, article n^o EN ISO 15112.
↑ A. Lallemand, « Énergétique de la combustion - Caractéristiques techniques », Techniques de l'ingénieur,‎ 2013, article n^o BE8312 V1
↑ ^{a et b} (de) Udo BeckerUdo Becker, Grundwissen Verkehrsökologie [« Connaissances de base en écologie des transports »], Oekom (de), 2016 (ISBN 978-3-86581-775-4), p. 318.

Voir aussi

Bibliographie

Jean-Claude Guibet, Carburants et moteurs : technologies, énergie, environnement ; Publications de l'Institut français du pétrole, vol. 2, Paris, Technip, 1997, 830 p. (ISBN 2-7108-0704-1).

Articles connexes

[1] « Gaz naturel — Détermination de l'énergie », Norme Européenne,‎ 2018, article n^o EN ISO 15112.

[2] A. Lallemand, « Énergétique de la combustion - Caractéristiques techniques », Techniques de l'ingénieur,‎ 2013, article n^o BE8312 V1

[Becker-3] {a et b} (de) Udo BeckerUdo Becker, Grundwissen Verkehrsökologie [« Connaissances de base en écologie des transports »], Oekom (de), 2016 (ISBN 978-3-86581-775-4), p. 318.

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