Mesure de pouvoir calorifique (PCI, PCS)

Vous souhaitez déterminer le pouvoir calorifique de vos échantillons ? Le laboratoire Calnesis réalise ces mesures pour tout type d'échantillon.

Qu’est ce que le pouvoir calorifique ? 

La définition du pouvoir calorifique est la quantité d’énergie dégagée sous forme de chaleur par un combustible lors de sa combustion. Cette grandeur énergétique est aussi nommée chaleur de combustion. 

Elle sert à caractériser et à comparer l’efficacité des combustibles susceptibles d’être utilisés pour la production d’énergie par combustion. Ces combustibles peuvent être de différents types : liquides (essence, fioul, diesel), gaz (méthane, butane, propane, gaz naturel), biocombustibles (biomasse de type bois, etc) ou solides de récupération (valorisation des déchets issus de l’industrie par exemple).

Quelle sont les unités de mesure du pouvoir calorifique ? 

L’unité de mesure du pouvoir calorifique dans le système international est le J/kg. Il s’agit donc d’une unité d’énergie ramenée à une unité de quantité de matière combustible. On trouve dans la littérature de nombreuses autres unités.

Les unités d’énergies peuvent ainsi être exprimées avec des multiples de joules (kJ, mJ, GJ), mais aussi des valeurs dérivée (kWh, kcal, etc). Le choix dépend surtout du contexte et de l’utilisation des valeurs : chaudière domestique, chauffage industriel, etc.

Les unités de quantités de matière qui servent à la normalisation dépendent de l’état physique du combustible. Pour les solides, les unités de masse sont les plus utilisés : le gramme, le kilogramme, la tonne, etc. Pour les liquides et les gaz, des unités volumiques seront plutôt employées : le litre, le mètre cube, etc, toujours exprimées dans les conditions dites « normales » de température et pression. Des quantités en moles sont aussi parfois utilisées.

Qu’est ce que le pouvoir calorifique
supérieur ? 

Le pouvoir calorifique représente la chaleur totale dégagée par la réaction de combustion dans des conditions normales de température et de pression. Selon la définition, la pression reste constante malgré les gaz émis par la réaction. De plus, la température du système après la combustion (réactifs et produits) doit revenir à sa valeur initiale malgré la chaleur dégagée.

Au cours des réactions de combustion, de l’eau sous forme de vapeur est souvent émise. Ainsi, la définition du pouvoir calorifique implique que celle-ci soit condensée par refroidissement après la combustion. La chaleur latente de condensation (ou chaleur latente de vaporisation) de l’eau émise par la combustion contribue donc dans le bilan énergétique qu’est le pouvoir calorifique. On définit alors le pouvoir calorifique supérieur, souvent noté PCS, qui tient compte de la récupération de cette énergie de condensation.

Chez Calnesis, nous proposons la mesure de PCS. Le calcul du PCI peut être proposé en option, mais nécessite des mesures supplémentaires.
Florian Rodrigues, Chargé d’affaires R&D, Calnesis

Quelle est la différence entre le pouvoir calorifique inférieur PCI et le pouvoir calorifique supérieur PCS ?

On distingue le pouvoir calorifique supérieur du pouvoir calorifique inférieur (souvent noté PCI). La notion de PCI correspond à la chaleur émise par la réaction de combustion, mais sans condensation de l’eau produite sous forme de vapeur.

Pour certaines applications dans lesquelles aucun système de condensation n’est utilisé, le PCI est une valeur de référence plus proche de la quantité de chaleur réellement libérée par la combustion.

Le PCS a une valeur toujours supérieure au PCI. L’écart entre le PCI et le PCS varie en fonction de la quantité d’eau émise par les combustibles. En effet, ceux-ci n’émettent pas tous la même quantité d’eau lors de leur combustion. Elle est par exemple plus importante pour le gaz naturel que pour le charbon.

Chaudière à condensation

Les chaudières à condensation sont des chaudières qui intègrent un système de récupération de chaleur latente de condensation de la vapeur d’eau émise par la combustion interne.

Quelle relation entre le pouvoir calorifique et le rendement des chaudières ?

Le rendement des chaudières correspond au taux d’énergie réellement récupérée sous forme de chaleur par rapport à la chaleur maximale récupérable. Cette valeur maximale récupérable, qui ne dépend que du combustible, est égale au pouvoir calorifique supérieur du combustible. Les réactions de combustion dans des chaudières ne sont jamais complètes et parfaites. C’est pourquoi aucun rendement de chaudière ne peut être égal à 100%.

Néanmoins, certains fournisseurs de chaudières à condensation domestiques ont l’habitude de communiquer sur un rendement supérieur à 100%. Ce rendement n’en est pas réellement un. Il s’agit uniquement d’un quotient entre un PCS et un PCI qui permet d’évaluer le gain thermique associé à la récupération de chaleur par le système de condensation !

Quelques exemples de valeur de pouvoir calorifique de carburant, gaz, matériaux, etc.

La tableau ci-dessous présente quelques valeurs moyennes de pouvoir calorifique de combustibles usuels :

Bois15 à 20 MJ/kg
Charbon15 à 35 MJ/kg
Essence47,3 MJ/kg
Fioul, Gazole44,9 MJ/kg
Méthane55 MJ/kg
Butane47 MJ/kg
Propane46 MJ/kg
Dihydrogène143 MJ/kg
Exemples de valeur de PCS de quelques combustibles communs

Comment mesurer le pouvoir calorifique au laboratoire ? 

Au laboratoire, le pouvoir calorifique mesuré est le pouvoir calorifique supérieur PCS. La technique expérimentale consiste à utiliser un instrument spécifique : une bombe calorimétrique. Ce type de calorimètre permet de mesurer la chaleur émise par le combustible en présence d’oxygène et sous pression. Une mesure d’humidité initiale contenue dans le combustible est souvent réalisée. Elle permet la conversion des valeurs de PCS par unité de masse brute (humide) en unité de masse sèche.

Comment calculer le PCI à partir du PCS ?

Le PCI est calculé à partir du PCS et de la composition élémentaire de l’échantillon en carbone et hydrogène. En effet, les quantités de ces deux éléments permettent de calculer la quantité de vapeur d’eau générée par la combustion. Elle sont généralement déterminées par analyse élémentaire. L’enthalpie de vaporisation/condensation de l’eau, bien connue, est aussi utilisée pour calculer le PCI.



Autres mesures
Mesure de la capacité thermique d'échantillons liquides, solides, pâtes, etc. sur une large gamme de température par calorimétrie différentielle....
Analyse de la dégradation thermique d'échantillons par calorimétrie.
Mesure d'enthalpie de vaporisation de composés purs ou de mélanges par calorimétrie différentielle à balayage (DSC).