Pouvoir calorifique

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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 ΔcH0 (< 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[modifier | modifier le code]

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 °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 .

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

CxHy + (x+y/4) O2 → x CO2 + y/2 H2O.

Types[modifier | modifier le code]

Il existe deux types de pouvoir calorifique :

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[modifier | modifier le code]

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 Becker (de), 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)[modifier | modifier le code]

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][modifier | modifier le code]

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, NOx, sulfates et particules) : ~3,59
Pétrole 41,868 28 – 31,4 (En ne comptant pas : CO, NOx, sulfates et particules) : ~3,4
Essence 45 – 48,3 32 – 34,8 (En ne comptant pas : CO, NOx, sulfates et particules) : ~3,30
Gazole (Diesel) 48,1 40,3 (En ne comptant pas : CO, NOx, sulfates et particules) : ~3,4
Gaz naturel 38 – 50 (liquéfié) 25,5 – 28,7 (Éthane, propane et butane N/C : CO, NOx et sulfates) : ~3,00
Éthane (CH3-CH3) 51,9 (liquéfié) ~24,0 2,93

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Gaz naturel — Détermination de l'énergie », Norme Européenne,‎ , article no EN ISO 15112.
  2. A. Lallemand, « Énergétique de la combustion - Caractéristiques techniques », Techniques de l'ingénieur,‎ , article no BE8312 V1
  3. a et b (de) Udo Becker (de), Grundwissen Verkehrsökologie [« Connaissances de base en écologie des transports »], Oekom (de), (ISBN 978-3-86581-775-4), p. 318.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

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

Articles connexes[modifier | modifier le code]