Pompe à chaleur et turbine

[Aylatan]

Bonjour,

En regardant les caractéristiques des pompes à chaleurs qu'on peut installer dans nos maisons, j'ai vu qu'elles pouvaient avoir un coefficient de performance pouvant aller de 3 à 5 en moyenne, selon les conditions climatiques, donc 5 KWh d'énergie thermique en sortie pour 1 KWh d'énergie électrique en entrée.

Suite à ça, j'ai plusieurs questions:
1- Est-ce que l'énergie thermique qui est extraite de la pompe à chaleur peut être "concentrée" suffisamment pour pouvoir faire bouillir de l'eau ?
2- Est-ce qu'il est possible de combiner une pompe à chaleur et une turbine pour récupérer l'énergie thermique ambiante, et la transformer en énergie électrique ?
3- Sachant que le rendement énergétique d'une bonne turbine est d'environ 33% de ce que j'ai lu, est-ce qu'il est possible, avec 1KWh d'énergie électrique en entrée, d'avoir 1 * 5 * 0.33 = ~1.66 KWh d'énergie électrique en sortie du système?
4- Est-ce qu'un tel système, s'il est possible, peut être agrandi "à l'infini" pour obtenir plus d'électricité, ou bien y a-t-il de nouvelles contraintes physique qui apparaissent à partir d'une certaine taille ?
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[XK150]

Salut ,

Non , ce cycle n'est pas rentable , sans même évoquer la technologie , difficile à cause des faibles écarts de température :

Une pompe à chaleur déplace la chaleur d'un environnement plus froid vers un environnement plus chaud, et elle peut le faire avec (apparemment) une efficacité supérieure à 100 %, mais elle nécessite de l'énergie pour fonctionner.

Il s'avère que si vous essayez ensuite d'utiliser la chaleur du côté chaud pour faire fonctionner un moteur thermique nécessitant un côté froid ( cycle de Carnot ) , vous ne récupérerez pas toute l'énergie que la pompe à chaleur a utilisée en premier lieu.

La pompe à chaleur ne fonctionne pas vraiment à plus de 100 % d'efficacité, mais elle utilise moins d'énergie qu'une quantité équivalente de chaleur générée par quelque chose comme un radiateur.

Donc , non , pas encore bon pour un simple mouvement perpétuel ...

[Garion]

Il s'avère que si vous essayez ensuite d'utiliser la chaleur du côté chaud pour faire fonctionner un moteur thermique nécessitant un côté froid ( cycle de Carnot ) , vous ne récupérerez pas toute l'énergie que la pompe à chaleur a utilisée en premier lieu.

Cette phrase mérite plus d'explication, parce qu'entre un COP de 5 et un rendement de 0.33, il y a de la marge.

[gts2]

1- Est-ce que l'énergie thermique qui est extraite de la pompe à chaleur peut être "concentrée" suffisamment pour pouvoir faire bouillir de l'eau ?

Une pompe à chaleur fonctionne d'autant mieux qu'on en a moins besoin ! Je veux dire que le rendement est plus important pour les faibles écarts de température.
A 100°C, j'ai bien peur que le rendement ne vaille pas le coup vis à vis d'une bouilloire.

3- Sachant que le rendement énergétique d'une bonne turbine est d'environ 33% de ce que j'ai lu, est-ce qu'il est possible, avec 1KWh d'énergie électrique en entrée, d'avoir 1 * 5 * 0.33 = ~1.66 KWh d'énergie électrique en sortie du système?

33% c'est pout un fort écart source froide / source chaude ; 5 c'est pout un faible écart source froide / source chaude

Soit vous prenez un faible écart et vous aurez 5 et disons 20 % max (5x0,2=1) soit vous prenez un grand écart et vous aurez 33% mais plus que 3 max (0,33*3=1)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Aylatan]

un moteur thermique nécessitant un côté froid ( cycle de Carnot )

Qu'est-ce qu'un "moteur thermique" ? Une turbine peut être assimilée à ce type de système ?

33% c'est pout un fort écart source froide / source chaude ; 5 c'est pout un faible écart source froide / source chaude

Vous dites cela comme si une turbine fonctionnait comme une pompe à chaleur inversée au niveau physique... Est-ce que c'est le cas ?

[gts2]

Qu'est-ce qu'un "moteur thermique" ? Une turbine peut être assimilée à ce type de système ?

Votre rendement de 33% n'est pas celui de la turbine (qui lui peut être proche de 1), mais celui du moteur thermique contenant la turbine.
Un moteur thermique est une machine qui reçoit de la chaleur d'une source chaude et en restitue une partie à une source froide en produisant au passage du travail.

Vous dites cela comme si une turbine fonctionnait comme une pompe à chaleur inversée au niveau physique... Est-ce que c'est le cas ?

Dans le cas de la turbine, l'équivalence est formelle, mais il existe des machines (moteur Stirling) qui peuvent fonctionner en moteur ou en pompe à chaleur.
L'équivalence formelle vient du fait que ce sont deux machines avec travail et deux sources chaude/froide, ce qui change entre les deux est le sens de ces échanges, et si on raisonne de manière algébrique, les équations sont identiques et comme pour l'un c'est travail/chaleur chaude et pour l'autre chaleur chaude/travail, l'un est bien l'inverse de l'autre.

[Aylatan]

C'est plutôt clair, merci des explications !

[Garion]

A 100°C, j'ai bien peur que le rendement ne vaille pas le coup vis à vis d'une bouilloire.

Il n'y a pas besoin d'être à 100°C pour faire fonctionner une machine thermodynamique.
Et il n'est absolument pas question d'un mouvement perpétuel, mais plutôt d'une exploitation de l'énergie solaire qui est la cause de la variation de la température extérieure.
Un local très fortement isolé (en sous-sol par exemple) dont la température est quasi-constante, ne pourrait-il pas exploiter via une pompe à chaleur à certains moment de la journée un apport de chaleur suffisant pour une machine thermodynamique qui produirait plus d'énergie qui ce qui est nécessaire pour alimenter la PAC ?

[Garion]

Je parle évidemment de théorie, pas de rentabilité financière.

[Garion]

Dans le sud de la France, il peut faire jusqu'à 40°C en pic. A 10m sous terre, la température est quasi constante vers les 17°C.
Avec un simple ventilo qui amène l'air extérieur, on a déjà un DeltaT de 23°C, ce qui permet déjà à une machine thermodynamique de fonctionner.
Avec une PAC, on devrait améliorer le deltaT pour améliorer la production du système thermodynamique.
Mais dans quelle mesure, j'aimerai bien avoir les équations.

[gts2]

Il n'y a pas besoin d'être à 100°C pour faire fonctionner une machine thermodynamique.

La question était "pour pouvoir faire bouillir de l'eau ?" il faut bien au minimum 100°C non ?

Un local très fortement isolé (en sous-sol par exemple) dont la température est quasi-constante, ne pourrait-il pas exploiter via une pompe à chaleur à certains moment de la journée un apport de chaleur suffisant pour une machine thermodynamique qui produirait plus d'énergie qui ce qui est nécessaire pour alimenter la PAC ?

Dans ce cas, je ne comprends pas trop la question : pas besoin de pompe à chaleur vous mettez une machine motrice fonctionnant entre Textérieure (source chaude) et Tintérieure (source froide).

[gts2]

On a déjà un DeltaT de 23°C, ce qui permet déjà à une machine thermodynamique de fonctionner.
Avec une PAC, on devrait améliorer le deltaT pour améliorer la production du système thermodynamique.
Mais dans quelle mesure, j'aimerai bien avoir les équations.

Je veux bien donner des équations, mais un simple raisonnement suffit : vous avez globalement une machine qui fonctionne entre Textérieur et Tintérieur puisque la source chaude est commune (si j'ai compris le dispositif) au moteur et à la PAC, donc le rendement celui d'un moteur fonctionnant entre Text et Tint, avec PAC ou sans PAC.

[stefjm]

Dans le sud de la France, il peut faire jusqu'à 40°C en pic. A 10m sous terre, la température est quasi constante vers les 17°C.
Avec un simple ventilo qui amène l'air extérieur, on a déjà un DeltaT de 23°C, ce qui permet déjà à une machine thermodynamique de fonctionner.
Avec une PAC, on devrait améliorer le deltaT pour améliorer la production du système thermodynamique.
Mais dans quelle mesure, j'aimerai bien avoir les équations.

Encore plus simple : des panneaux solaires thermiques qui produisent facilement les 100°?

[XK150]

Tout cela relève du second principe . Exemple numérique :

Tf = 100 K _ Tc = 300 K

COP idéal d'une PAC idéal : Tc / Tc - Tf = 1.5
On suppose que la PAC consomme 60 W : 60W * 1.5 = 90 W thermiques amenés par la PAC du coté froid au coté chaud .

Moteur Carnot idéal , rendement Tc - Tf / Tc = 0.66
On suppose que le moteur consomme les 90W amenés par la PAC , il rend en travail 90 * 0.66 = 60 W

Le moteur rend en travail exactement ce que la PAC a consommé en énergie , en conditions idéales ... Bien heureusement !

C'était le sens de mon post 2 .