Module 2-1 Le bilan énergétique : outil de base pour l'évaluation des chaînes énergétiques

Le profil temporel des puissances mises en jeu dans les principaux composants du réseau constitue l'ensemble de données de base. Il permet de représenter ces puissances en fonction du temps.

D'un point de vue qualitatif, avant même de parler de bilan énergétique, les profils temporels de puissance décrivent le fonctionnement du système. Ils portent la marque des divers événements affectant l'installation pendant une période de temps : croissance ou diminution des besoins, démarrage/arrêt des moyens de production, modulation de leur puissance, arrêt inopiné d'une installation, etc.

Ils constituent un des moyens d'alerte de l'exploitant dans les situations anormales.

D'un point de vue quantitatif, les profils temporels de puissance servent de base au calcul du bilan d'énergie, intégré sur une période significative. Ce bilan peut concerner tout ou partie du réseau, sur toute période de temps au choix de l'utilisateur (une heure, un jour, une semaine un mois spécifique ou toute une année, - parfois limitée à la saison de chauffe -).

Nous en verrons des exemples plus loin.

Dans les installations en fonctionnement, l'essentiel des données de puissance thermique s'appuient sur la mesure simultanée du débit de fluide et de l'écart de température entre deux points A et B. La puissance se calcule à l'aide de la formule vue précédemment (où ṁ est le débit massique de fluide et C_p sa capacité calorifique)

Le même principe est utilisé dans les compteurs de calories (compteurs d'énergie thermique). Les valeurs de puissance (mesurées par échantillonnage à intervalles réguliers) sont intégrées par rapport au temps par un calculateur pour donner des valeurs d'énergie cumulée.

Les quantités d'énergie associées aux combustibles brûlés en chaufferie sont les quantités physiques (m³ ou tonnes), combinées aux PCI correspondant.

Dans les modèles prévisionnels, les valeurs de puissance sont en général issues de modèles théoriques ou de courbes fournies par les constructeurs (rendement d'une chaudière en fonction de la température d'alimentation et du taux de charge par rapport à la puissance nominale).

En l'absence de mesures assez précises, ces données théoriques sont également utilisées dans les bilans d'installations réelles.

Le choix du pas de temps de mesure est un paramètre important pour qualifier la précision des mesures obtenues.

C'est surtout vrai si les données sont réellement des mesures de puissance instantanée, échantillonnées régulièrement, avec un pas de temps Δt. Cela veut dire qu'on connaît la puissance instantanée mais seulement aux instants t0, t0+Δt, t0+2Δt, t0+3Δt, etc.

A l'intérieur du pas de temps (par ex entre t0 et t0+Δt), la puissance peut prendre des valeurs différentes, et la valeur mesurée à t0+Δt n'est pas forcément représentative.

Le calcul du bilan d'énergie sur plusieurs pas de temps se fait selon la formule approchée habituelle (voir par exemple module M1-1, partie 3)

Cela induit des erreurs si les valeurs échantillonnées de puissance P_i ne sont pas représentatives. Le pas de temps doit être adapté en fonction des fluctuations aléatoires.

Néanmoins, dans de nombreux cas (par exemple avec un compteur de calories), les valeurs mesurées P_i ne sont pas des valeurs instantanées de la puissance mais des valeurs de puissance moyenne sur le pas de temps. Dans ce cas, la formule du bilan d'énergie ci-dessus est rigoureusement exacte.

On distinguera le pas de temps de saisie des mesures et le pas de temps d'archivage des données. Ainsi pour un réseau de chaleur, même avec une constante de temps de l'ordre de l'heure, un échantillonnage des mesures instantanées de quelques secondes peut être nécessaire pour conserver une bonne précision des puissances (notamment s'il existe des séquences marche-arrêt), l'archivage pouvant concerner les puissances moyennes avec un pas de temps bien supérieur.