Anergie

L'anergie désigne la part d'une énergie considérée qui, dans des conditions ambiantes déterminées, ne peut pas être convertie en travail utile, même dans le meilleur processus réversible théorique. La part complémentaire s'appelle exergie : elle décrit le travail utile maximal pouvant être obtenu. Dans cette répartition, on a énergie = exergie + anergie. Comme l'énergie, ces deux grandeurs s'expriment en joules ou en kilowattheures. La restriction « pour un environnement déterminé » est essentielle : l'anergie n'est ni une propriété immuable d'une substance, ni une source d'énergie particulière.

Cette distinction concerne la capacité à produire du travail, et non tous les usages envisageables. Une chaleur à forte teneur en anergie peut être très appropriée pour chauffer, même si l'on peut à peine en tirer du travail mécanique. À l'inverse, l'énergie électrique est, dans l'idéal thermodynamique, entièrement de l'exergie. Le fait qu'un moteur réel subisse des pertes ne change pas ce classement : l'exergie décrit une limite supérieure théorique, et non le rendement d'un appareil concret.

Contenu énergétique et qualité de l'énergie

Le premier principe de la thermodynamique décrit la conservation de l'énergie. Le second principe limite sa conversion : la chaleur passe spontanément d'un niveau de température plus élevé à un niveau plus bas. Une machine thermique ne peut donc pas transformer entièrement en travail la chaleur d'un réservoir chaud ; elle doit en céder une partie à un réservoir plus froid. Si celui-ci est à la température ambiante, la chaleur restante correspond, dans le cas limite réversible, à la part d'anergie de la chaleur fournie.

Lors de processus réels tels que le frottement, le mélange ou le transfert de chaleur à travers des différences de température finies, de l'exergie est détruite : l'énergie se conserve, mais sa capacité à produire du travail diminue. Une « perte d'énergie » signifie donc souvent que l'énergie quitte le système technique considéré ou n'est plus disponible pour son usage. Cela ne signifie pas que l'énergie disparaît physiquement. L'anergie n'est pas non plus simplement toute l'énergie qu'un appareil donné laisse inutilisée ; celle-ci peut encore contenir de l'exergie.

L'environnement de référence doit être adapté à la question posée et être défini explicitement. Pour la chaleur, c'est surtout sa température qui est déterminante ; pour des états de la matière en général, la pression ambiante et la composition chimique jouent aussi un rôle. L'application détermine en revanche si un niveau de température disponible est approprié. Si l'on considère le même flux de chaleur pour un four industriel plutôt que pour le chauffage d'un local, cela ne modifie pas à lui seul sa part d'exergie par rapport au même environnement de référence. Cela modifie son aptitude à l'usage souhaité.

Un exemple chiffré aux limites claires

Pour une quantité de chaleur Q transférée à température absolue constante T supérieure à la température ambiante T₀, on a : exergie = Q × (1 − T₀/T) et anergie = Q × T₀/T. Les deux températures doivent être exprimées en kelvins. Cette relation décrit un cas limite réversible ; les machines techniques fournissent moins de travail. Si une réserve d'eau finie se refroidit pendant la cession de chaleur, il faut calculer en intégrant sur la température variable.

Exemple de calcul personnel : à 25 °C, soit 298,15 K, et pour un environnement à 20 °C, soit 293,15 K, la part d'exergie est d'environ 1,68 pour cent. Sur un kilowattheure de chaleur transféré à 25 °C constants, au maximum environ 0,017 kWh pourraient donc être convertis en travail ; environ 0,983 kWh seraient de l'anergie. À 40 °C constants et pour le même environnement, la part d'exergie passe à environ 6,39 pour cent. Il ne s'agit pas d'indications sur la production d'électricité d'une installation réelle.

La règle empirique « plus c'est froid, moins il y a d'exergie » ne vaut que pour la chaleur au-dessus de la température ambiante considérée ici. Un corps dont la température est inférieure à la température ambiante possède lui aussi une capacité à produire du travail en raison de son écart de température avec l'environnement : il peut servir de côté froid d'un processus thermique fictif. Une valeur basse en degrés Celsius ne suffit donc pas, à elle seule, pour classer un état comme de l'anergie pure.

Distinction avec la chaleur fatale, la chaleur environnementale et l'énergie utile

La chaleur basse température et la chaleur fatale ne sont pas des synonymes d'anergie. La chaleur fatale désigne l'origine ou l'usage antérieur d'une quantité de chaleur, par exemple comme sous-produit d'un processus industriel. Selon sa température, elle peut contenir une exergie considérable. La chaleur basse température décrit en revanche un niveau de température. Le fait que sa part d'anergie soit élevée ne ressort qu'en rapport avec l'environnement défini. Une source de chaleur inutilisée n'est donc pas déjà de l'anergie par définition.

La chaleur environnementale provenant de l'air, de l'eau ou du sol se situe souvent près de la température ambiante choisie. Sa capacité à produire du travail est alors faible, voire nulle à l'équilibre idéalisé. Une pompe à chaleur peut néanmoins la rendre utilisable pour les bâtiments. Pour cela, elle apporte une énergie d'entraînement de haute qualité, le plus souvent de l'électricité. La capacité à produire du travail de la chaleur de chauffage délivrée ne provient pas d'une conversion gratuite d'anergie en exergie, mais de cet apport supplémentaire.

L'énergie finale et l'énergie utile se situent elles aussi, sur le plan conceptuel, à un autre niveau. L'énergie finale désigne l'énergie mise à disposition chez le consommateur, par exemple l'électricité ou la chaleur de réseau livrée. L'énergie utile est l'énergie disponible pour l'usage après la dernière conversion, par exemple la chaleur des locaux ou le travail mécanique. L'anergie et l'exergie évaluent en revanche la qualité thermodynamique. Même une chaleur de chauffage entièrement utilisée conformément à sa destination peut être constituée en majeure partie d'anergie.

Pompes à chaleur : déplacer de la chaleur plutôt que produire de l'énergie

Un exemple de bilan simplifié illustre le principe : si une pompe à chaleur prélève 3 kWh de chaleur à sa source et a besoin pour cela de 1 kWh d'électricité, elle délivre, pertes négligées, 4 kWh de chaleur de chauffage à travers la limite du bilan. Le rapport entre la chaleur de chauffage et l'électricité est de quatre. Ce n'est ni un processus de production d'énergie, ni un rendement thermique de 400 pour cent. Sur une année entière, le rapport correspondant est appelé coefficient de performance annuel ; il faut alors indiquer quels auxiliaires et quels chauffages d'appoint sont pris en compte.

Plus l'écart de température à franchir entre la source de chaleur et la restitution de chaleur est grand, plus la tâche devient exigeante. Toutes choses égales par ailleurs, le besoin en électricité augmente. De basses températures d'eau de chauffage aident donc à économiser de l'énergie d'entraînement de haute qualité. Outre l'isolation du bâtiment, les surfaces de chauffe, la température de la source de chaleur, l'hydraulique et la régulation sont importantes. Un bâtiment mal isolé ou ancien n'exige pas nécessairement des températures de chauffage inadaptées et trop élevées. Dans l'essai de terrain de Fraunhofer WP-QS im Bestand, aucun lien n'est apparu entre l'âge du bâtiment et le coefficient de performance annuel ; les températures réellement nécessaires et l'installation étaient déterminantes.

Réseaux de chaleur et système électrique

On désigne souvent par réseaux d'anergie les réseaux de chaleur de proximité froids. Ils distribuent de l'énergie thermique à un niveau proche de celui de l'environnement et relient sources de chaleur, stockages et consommateurs. Des pompes à chaleur dans les bâtiments ou dans des centrales énergétiques communes fournissent les températures de chauffage nécessaires. Tout réseau de chaleur basse température n'est cependant pas un tel réseau froid ; avec des températures de réseau suffisamment élevées, une alimentation directe en chaleur est également possible. La désignation de réseau d'anergie ne signifie pas non plus que chaque flux de chaleur transporté possède exactement une exergie nulle.

Un exemple réalisé est le campus Hönggerberg de l'ETH Zurich. Une conduite en anneau basse température y relie des centrales énergétiques et des stockages souterrains. Les excédents de chaleur issus de processus de refroidissement peuvent être mis en relation avec des besoins de chaleur. L'exemple montre aussi que la ressource utilisable ne se résume pas à une quantité de chaleur : sources de chaleur, puits, stockages et régulation doivent s'accorder. L'avantage résulte de l'utilisation coordonnée de basses températures et de l'emploi ciblé d'énergie d'entraînement.

L'électrification de l'approvisionnement en chaleur relie ces questions à la charge électrique. Surtout avec les pompes à chaleur air extérieur, un besoin de chauffage élevé et des températures de source défavorables peuvent coïncider. Les bâtiments et les stockages de chaleur offrent en même temps de la flexibilité : la chaleur peut être mise en réserve dans des limites techniques et de confort, et la consommation d'électricité peut être temporairement décalée. Cela suppose des stockages ou des caractéristiques de bâtiment appropriés et une commande adaptée. Le report de charge ne supprime ni le besoin de chaleur ni automatiquement les pointes de puissance hivernales ; il peut les atténuer dans des conditions appropriées.

Apports et limites de la perspective de l'anergie

De grandes quantités de chaleur fatale ne remplacent pas automatiquement des combustibles. La température, la distance, la disponibilité dans le temps et la demande doivent concorder. Une chaleur à 40 °C peut être utile pour le préchauffage ou pour des systèmes de chauffage adaptés, mais elle ne peut pas alimenter directement un processus de plusieurs centaines de degrés. En l'absence de consommateurs ou d'infrastructure, même une grande ressource reste inutilisée. À l'inverse, une chaleur à très faible capacité de travail peut avoir une valeur économique si l'application requiert précisément ce niveau de température bas.

L'analyse exergétique explique aussi pourquoi le chauffage électrique direct et la pompe à chaleur exigent des consommations d'électricité différentes pour une même chaleur de local délivrée. Elle ne décide toutefois pas à elle seule d'un investissement. L'acquisition, les heures de fonctionnement, la place, le bruit, les conditions de raccordement et la sécurité d'approvisionnement peuvent influencer le choix. De même, une forte part d'anergie ne permet de déduire ni un prix bas, ni un avantage environnemental particulier, ni un droit à une aide. La qualité de l'énergie, les coûts et la qualification juridique doivent être examinés séparément.

Il vaut donc mieux comprendre l'anergie comme la « part non apte à produire du travail pour un environnement déterminé » que comme une « énergie sans valeur ». La notion ne remplace aucun bilan énergétique ou de coûts. Elle le complète par la question de savoir quelle capacité à produire du travail est présente et combien d'énergie de haute qualité l'usage souhaité requiert en plus. Pour l'approvisionnement en chaleur en particulier, cette perspective montre pourquoi des kilowattheures identiques peuvent être employées de manières techniquement très différentes.

Sources

Technische Thermodynamik – Kapitel 6: Exergie — Universität Rostock, Lehrstuhl für Technische Thermodynamik; 2011, Wintersemester. Folien 12–13, 40–45 und 48–50
Kommunale Technik I — Universität des Saarlandes, bereitgestelltes Lehrmaterial von Prof. Dr.-Ing. F. Heinrich; unbekannt. S. 77–80: Exergie und Anergie; S. 147–152: Heizen und Wärmepumpen
WP-QS im Bestand – Entwicklung optimierter Versorgungskonzepte und nachhaltiger Qualitätssicherungsmaßnahmen für Wärmepumpen im EFH-Bestand — Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE; unbekannt. Abschnitte Hintergrund, Methode und Ergebnisse; Hauptauswerteperiode 2024
Neue Wärmepumpe versorgt den Campus Hönggerberg — ETH Zürich, Facility Services / Engineering und Systeme; 2024-04-17. Abschnitte Wärmepumpe einfach erklärt, Integration ins Anergienetz und Das Anergienetz auf dem Campus Hönggerberg
Buildings and the Grid 101: Opportunities and Challenges from HVAC, Water Heating, and Appliances — U.S. Department of Energy, Building Technologies Office; 2018-03-16. Absätze zu regelbarer Heizleistung, winterlichen Lastspitzen, thermischer Speicherung und Netzintegration

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Edited by eCMS on 11.11.2026 13:50