Exergie · Glossaire

L'exergie est la part d'une énergie qui peut, dans des conditions ambiantes données, être convertie en travail au maximum. Il s'agit du travail que l'on pourrait obtenir si un système ou un flux de matière était amené sans pertes à l'équilibre thermodynamique avec son environnement. L'exergie ne décrit donc pas seulement la quantité d'une énergie, mais surtout sa qualité. Le terme opposé est l'anergie. Il s'agit de la part de l'énergie qui ne peut plus être convertie en travail par rapport à l'environnement, par exemple la chaleur à la température ambiante. Pour la chaleur au-dessus de la température ambiante, on peut donc dire de façon simplifiée : l'énergie est la somme de l'exergie et de l'anergie.

Un kilowattheure d'électricité et un kilowattheure de chaleur ambiante sont identiques en tant que quantité d'énergie. Leur capacité à fournir du travail est toutefois très différente. En thermodynamique, l'énergie mécanique et l'énergie électrique sont considérées comme de l'exergie pure. L'électricité peut donc être utilisée de manière polyvalente, par exemple dans des moteurs, pour l'éclairage, dans les technologies de l'information ou pour produire de la chaleur à n'importe quel niveau de température. Les appareils réels présentent néanmoins des pertes. La chaleur légèrement supérieure à la température ambiante, en revanche, ne peut être reconvertie en travail que dans une très faible proportion.

Unité, environnement de référence et facteur de Carnot

L'exergie s'exprime dans les mêmes unités que l'énergie, par exemple le joule ou le kilowattheure. La différence ne tient pas à l'unité, mais au point de référence. L'exergie est toujours déterminée par rapport à un environnement défini, le plus souvent par sa température, sa pression et sa composition chimique. Une substance à l'état ambiant n'a pas d'exergie. Un flux de vapeur chaude a plus d'exergie dans un environnement froid que dans un environnement chaud. Un gaz sous pression possède de l'exergie, car il peut fournir du travail en se détendant. Les différences de concentration contiennent elles aussi de l'exergie, par exemple entre l'eau douce d'une rivière et l'eau de mer salée. Les valeurs d'exergie ne sont comparables que si l'état ambiant retenu est également indiqué.

Pour la chaleur, la part d'exergie peut être estimée à l'aide du facteur de Carnot : 1 moins la température ambiante divisée par la température de la chaleur. Les deux températures sont exprimées en kelvins. Pour un environnement à 0 degré Celsius (273 K), on obtient approximativement les parts suivantes : la chaleur à 30 degrés Celsius contient environ 10 pour cent d'exergie, la chaleur de chauffage à 50 degrés Celsius environ 15 pour cent, la chaleur à 90 degrés Celsius environ 25 pour cent et la chaleur à 800 degrés Celsius environ 75 pour cent. Dans un environnement plus chaud, ces valeurs diminuent. La chaleur exactement à la température ambiante est de l'anergie pure. Même une chaleur très élevée ne peut jamais être entièrement convertie en travail, car il faudrait pour cela que l'entropie totale diminue, ce qui est physiquement impossible.

Le froid, c'est-à-dire un réservoir en dessous de la température ambiante, contient lui aussi de l'exergie. Une machine thermique pourrait en effet fonctionner entre le froid et l'environnement. Inversement, une machine frigorifique a besoin d'exergie comme énergie d'entraînement. Le froid ne peut toutefois pas être simplement réparti en exergie et anergie comme la chaleur. À très basse température, le travail récupérable peut même être supérieur à la quantité de chaleur correspondante. La formule simplifiée « l'exergie comme part d'une quantité d'énergie » vaut donc surtout pour la chaleur au-dessus de la température ambiante.

L'énergie se conserve, l'exergie est détruite

Selon le premier principe de la thermodynamique, l'énergie se conserve. L'exergie, en revanche, n'est pas une grandeur conservative. Elle est partiellement détruite dans tout processus réel, c'est-à-dire irréversible. Les causes sont le frottement, les résistances électriques, le mélange, l'étranglement, la combustion et d'autres réactions chimiques, ainsi que le transfert de chaleur à travers des différences de température finies. La quantité d'exergie perdue est directement liée à l'entropie produite. Selon le théorème de Gouy et Stodola, l'exergie détruite est égale à la température ambiante multipliée par l'entropie produite dans le processus. Un processus idéal, réversible, ne détruit pas d'exergie.

Un exemple parlant est le mélange d'eau chaude et d'eau froide. La quantité d'énergie se conserve, mais deux niveaux de température distincts deviennent un niveau intermédiaire, à partir duquel on pourrait obtenir moins de travail. Il en va de même lorsque la chaleur passe d'un corps chaud à un corps plus froid : aucune énergie n'est perdue, mais la chaleur se retrouve à un niveau de température plus bas. L'exergie rend cette perte de qualité visible.

Distinction avec le rendement, l'énergie utile et le service énergétique

L'exergie est souvent confondue avec l'efficacité énergétique. Un rendement énergétique élevé signifie que, dans la limite du bilan choisie, peu d'énergie est perdue. Il ne dit toutefois pas si une forme d'énergie de haute qualité est utilisée pour une tâche simple. Un chauffage électrique à résistance transforme l'électricité presque entièrement en chaleur, donc avec un rendement énergétique proche de 100 pour cent. Son rendement exergétique pour le chauffage des locaux n'est en revanche que de quelques pour cent. Il en va de même pour la chaudière : elle peut atteindre un rendement d'utilisation élevé et détruit pourtant la plus grande partie de l'exergie du combustible, car elle n'en tire que de la chaleur basse température. Le rendement exergétique rapporte donc l'exergie utilisée à l'exergie mise en œuvre.

L'énergie utile et le service énergétique doivent eux aussi être distingués de l'exergie. L'énergie utile est l'énergie disponible après une conversion pour l'usage souhaité, par exemple la chaleur dans le radiateur, la lumière d'une lampe ou le mouvement d'un arbre. Le service énergétique est le bénéfice proprement dit, par exemple une pièce chauffée, un trajet parcouru ou un procédé industriel à une température donnée. L'exergie complète ces notions en posant la question de la qualité d'énergie minimale dont un service a besoin.

Pour la chaleur, la distinction entre quantité d'énergie et niveau de température est particulièrement importante. Un kilowattheure de chaleur à 30 degrés Celsius suffit pour des systèmes de chauffage surfaciques, mais ne se prête guère à la production d'électricité. Un kilowattheure à 800 degrés Celsius peut en revanche être utilisé dans des procédés à haute température ou dans une machine thermique avec une part de travail nettement plus élevée. Les statistiques énergétiques traitent les deux quantités de la même façon, pas une analyse exergétique. Cela vaut aussi pour le chauffage : les radiateurs ont souvent besoin d'à peu près autant d'énergie de chauffage qu'un chauffage par le sol, mais à une température de départ plus élevée. Leur besoin en exergie est donc plus élevé.

Pourquoi l'exergie est pertinente pour le système électrique

L'énergie électrique est une forme d'énergie de très haute qualité. Elle peut être régulée avec précision, transportée par les réseaux et utilisée dans des moteurs à haut rendement. Si l'on ne compte que les kilowattheures, cet avantage de qualité reste invisible. Avec l'électrification, il gagne en importance. Les pompes à chaleur, les véhicules électriques et les procédés industriels électriques augmentent la demande d'électricité, mais réduisent souvent la demande totale d'énergie finale. La raison tient aux chaînes de conversion. Un moteur électrique utilise par exemple l'électricité nettement plus efficacement qu'un moteur à combustion n'utilise l'énergie chimique d'un carburant.

Une pompe à chaleur ne transforme pas l'électricité en chaleur à raison de un pour un. Elle élève la chaleur de l'environnement, donc de l'anergie, à un niveau de température utilisable. L'électricité fournit pour cela le travail d'entraînement du cycle. Avec un coefficient de performance de 4, 1 kWh d'électricité et 3 kWh de chaleur ambiante donnent 4 kWh de chaleur de chauffage, soit quatre fois plus qu'avec un chauffage direct. Plus l'écart de température entre la source de chaleur et le système de chauffage est faible, moins il faut d'exergie par kilowattheure de chaleur. Un niveau de température de chauffage bas augmente donc le coefficient de performance. Les pompes à chaleur réelles restent toutefois, sur le plan exergétique, nettement en deçà de ce qui est physiquement possible.

Pour les combustibles, la perspective exergétique montre pourquoi la production combinée peut être judicieuse. Une chaudière transforme directement un combustible riche en exergie en chaleur basse température. Si le même combustible est d'abord converti en électricité le plus efficacement possible, que la chaleur restante est utilisée (cogénération, cogénération) et que l'électricité alimente une pompe à chaleur, il peut en résulter au total plus de chaleur que le combustible ne contenait d'énergie. Savoir si c'est plus avantageux dans un cas donné dépend des rendements, des températures, des coûts et des émissions.

L'énergie chimique des combustibles est en grande partie de l'exergie, car elle peut être convertie en chaleur à un niveau de température très élevé. Cela vaut aussi pour l'hydrogène. L'hydrogène peut être précieux là où l'on a besoin de températures élevées, d'agents réducteurs chimiques ou de vecteurs d'énergie stockables. Pour la chaleur basse température dans les bâtiments, en revanche, un vecteur d'énergie riche en exergie et coûteux à produire est en concurrence avec des techniques qui fournissent le même service avec nettement moins d'exergie. Un calcul de coûts ne remplace pas la perspective exergétique. Mais il montre quelle qualité d'énergie est consommée dans quelle application.

Interprétations erronées courantes

« L'énergie est consommée » : physiquement, l'énergie n'est pas détruite, c'est son utilisabilité qui se perd. Lorsque du charbon est brûlé dans une centrale, l'énergie se retrouve ensuite dans l'électricité, la chaleur perdue et les fumées. La part utilisable pour produire du travail diminue toutefois à chaque conversion irréversible. Le terme courant de consommation d'énergie désigne donc le plus souvent la consommation d'un vecteur d'énergie ou une perte d'exergie.
« Chaque kilowattheure est identique » : pour la facturation et les statistiques, ce traitement égal est souvent nécessaire, mais il ne suffit pas pour des décisions portant sur le système. L'exergie ne saisit ni le moment de la fourniture ni la charge du réseau. Elle explique toutefois pourquoi certaines chaînes de conversion sont défavorables malgré des rendements énergétiques élevés.
« La chaleur perdue a toujours de la valeur » : l'utilité de la chaleur fatale dépend de sa température, de sa disponibilité dans le temps, de la distance aux utilisateurs et de l'infrastructure existante. Une chaleur fatale à 90 degrés Celsius peut alimenter directement un réseau de chaleur. Une chaleur fatale à 25 degrés Celsius ne peut généralement être utilisée utilement qu'avec une pompe à chaleur. Dans un environnement à 20 degrés Celsius, elle ne contient qu'un peu moins de 2 pour cent d'exergie.
« La chaleur est la même chose que l'anergie » : seule la chaleur à la température ambiante est de l'anergie pure. La chaleur au-dessus ou au-dessous de la température ambiante contient de l'exergie.
« Les rendements sont directement comparables » : une pompe à chaleur peut atteindre un coefficient de performance annuel de trois ou quatre, car elle utilise de la chaleur ambiante en plus de l'électricité. Une chaudière atteint un rendement d'utilisation proche de 100 pour cent. De tels chiffres ne sont comparables que si la limite du bilan est claire : énergie finale, énergie primaire, émissions de gaz à effet de serre, coûts, charge de pointe ou exergie mise en œuvre.

Exergie, flexibilité et coûts du système

L'exergie ne remplace ni la planification des réseaux, ni la conception du marché, ni les analyses de sécurité d'approvisionnement. Elle ne dit pas si une puissance suffisante est disponible à un moment donné, si un raccordement au réseau suffit ou si un investissement est rentable. Pour cela, il faut des grandeurs telles que la puissance, le profil de charge, la flexibilité et la charge résiduelle. L'exergie fournit une autre information : elle montre si la qualité de l'énergie mise en œuvre correspond à la qualité du service demandé.

Cette information a néanmoins un effet sur les coûts du système. Si de nombreuses applications transforment directement l'électricité en chaleur basse température en période de forte charge du réseau, les exigences pesant sur la production, les réseaux et la puissance garantie augmentent. Si ces mêmes applications sont alimentées par des pompes à chaleur efficaces, des accumulateurs de chaleur, un report de charge ou des sources de chaleur fatale adaptées, les besoins en électricité, en puissance et en infrastructure changent. Une utilisation conforme à l'exergie n'est pas moins chère dans chaque cas particulier. Elle évite toutefois des pertes de qualité inutiles dans les chaînes de conversion et crée une marge de manœuvre pour des solutions efficaces. Sur le plan économique, on paie pour l'essentiel l'exergie. L'anergie sous forme de chaleur ambiante est disponible en quantité quasi illimitée, mais ne peut être utilisée qu'avec de l'exergie.

Dans les statistiques énergétiques, les tarifs et les objectifs politiques, l'exergie reste le plus souvent invisible. On y établit surtout des bilans de quantités d'énergie, d'émissions ou de coûts. Des mesures peuvent donc paraître similaires alors qu'elles agissent très différemment sur les chaînes de conversion. Celui qui ne regarde que les quantités d'électricité oublie par exemple qu'un kilowattheure d'électricité dans une pompe à chaleur peut fournir plusieurs kilowattheures de chaleur basse température. La mesure dans laquelle l'électrification réduit effectivement les besoins en énergie primaire dépend en outre du mix électrique et de la méthode d'évaluation de l'énergie primaire retenue.

L'exergie précise la question de savoir quelle forme d'énergie doit être utilisée pour quelle tâche. L'électricité convient aux applications à forte capacité de travail. Les sources de chaleur doivent correspondre au niveau de température requis. Les vecteurs d'énergie chimiques ont leur place là où leur stockabilité ou leur adéquation à des procédés est nécessaire. La notion n'explique pas toutes les décisions techniques et économiques. Elle évite toutefois une confusion centrale : en tant que grandeur de calcul, chaque kilowattheure est identique, mais pas en tant que qualité utilisable dans le système énergétique.

Sources

Exergie – Glossar — Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (energieforschung.de); unbekannt. Glossareintrag Exergie
Exergie — RP-Energie-Lexikon (Dr. Rüdiger Paschotta, RP Photonics AG); 2025-04-16 (letzte Änderung). Abschnitte zur Exergie von mechanischer, elektrischer und Wärmeenergie sowie zu Exergie und Energieeffizienz
Technische Thermodynamik (Leseprobe), Kapitel 5.7 Exergie und Anergie — Pearson Deutschland; unbekannt. Abschnitte 5.7.1 und 5.7.2
Exergy — Wikipedia (englischsprachig); unbekannt. Abschnitte zur Definition und zur Exergievernichtung (Gouy-Stodola-Theorem)

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Edited by eCMS on 11.11.2026 19:47