Qu’est-ce que le pouvoir calorifique ?

publié le 12/01/2021 | mis à jour le 08/02/2024 | par Aurélie Hubert

Le pouvoir calorifique : définition

Le pouvoir calorifique est une grandeur thermodynamique, c’est-à-dire une grandeur physique relative au comportement thermique des corps, notamment les mouvements de chaleur. La conductivité thermique, l’effusivité thermique ou encore la résistance thermique sont également des grandeurs thermodynamiques.

Principe technique du pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique, également appelé « chaleur de combustion », représente la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’une unité de volume ou de masse donnée, dans des conditions normales de température et de pression.

La notion de pouvoir calorifique s’applique à tout type de combustible :

• les gaz : hydrogène, méthane, propane, butane, éthylène, etc. ;
• les combustibles liquides : benzène, fioul lourd, fioul domestique, gasoil, etc. ;
• les combustibles solides : bois en bûches, en granulés ou en briquettes, houille, anthracite, etc.

Les différentes unités de mesure du pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique est exprimé en mégajoules (MJ) ou en kilowattheures (kWh), pour une unité de référence.

L’unité de référence servant au calcul du pouvoir calorifique peut être :

• soit une masse, exprimée en kg ou en tonne ;
• soit un volume, exprimé :

Prenons l’exemple du gaz :

• le pouvoir calorifique d’un kilogramme de gaz est exprimé soit en kWh/kg (kilowattheures par kilogramme), soit en MJ/kg (mégajoules par kilogramme). On parle alors de « pouvoir calorifique massique » ;
• le pouvoir calorifique d’un mètre cube de gaz est exprimé soit en kWh/Nm3 (kilowattheures par normal mètre cube) soit en MJ/Nm3 (mégajoules par normal mètre cube). On parle alors de « pouvoir calorifique volumique ».

Pouvoir calorifique supérieur et pouvoir calorifique inférieur

Il convient de distinguer les 2 types de pouvoirs calorifiques : le Pouvoir calorifique supérieur (PCS) et le Pouvoir calorifique inférieur (PCI).

Les différences entre PCS et PCI

Le pouvoir calorifique supérieur est une grandeur surtout utilisée aux États-Unis. En France et dans le reste de l’Europe, lorsqu’on évoque un combustible donné, c’est généralement son pouvoir calorifique inférieur qui est mentionné. La différence entre ces deux notions réside dans la prise en compte ou non de la chaleur latente issue de la vapeur d’eau générée lors de la combustion.

Le PCS

Le pouvoir calorifique supérieur est l’énergie thermique libérée lors de la combustion complète d’une unité de combustible. Celle-ci comprend :

• la chaleur dégagée par la combustion, appelée « chaleur sensible » ;
• la chaleur issue de la vapeur d’eau (fumée) produite par la combustion, condensée et ramenée à l’état liquide, appelée « chaleur latente ».

Le PCI

Le pouvoir calorifique inférieur est l’énergie thermique libérée lors de la combustion complète d’une unité de combustible, à l’exclusion de la chaleur latente issue de la vapeur d’eau.

Lorsqu’on parle de PCI, la vapeur d’eau produite par la combustion est donc supposée non condensée et non récupérée.

Le PCI d’un combustible est donc nécessairement inférieur à son PCS.

Principe de conversion PCS/PCI

Par convention, le pouvoir calorifique inférieur se calcule en déduisant du pouvoir calorifique supérieur la chaleur latente de vaporisation de l’eau formée au cours de la combustion, soit 2 511 kJ/kg.

Le rapport entre PCS et PCI dépend de la part de vapeur d’eau issue de la combustion, donc de la proportion d’hydrogène présente dans le produit combustible initial. Ainsi, le gaz naturel présente une différence PCS/PCI plus importante que le fioul ou le charbon, par exemple.

Vous trouverez ci-dessous les rapports entre pouvoir calorifique supérieur et pouvoir calorifique inférieur pour les principaux combustibles :

• le « rapport PCS/PCI » indique le facteur multiplicateur à appliquer au PCI pour obtenir le PCS : par exemple, pour le gaz naturel, le pouvoir calorifique supérieur correspond au pouvoir calorifique inférieur multiplié par 1,115 ;
• le « rapport PCI/PCS » indique le facteur multiplicateur à appliquer au PCS pour obtenir le PCI. Si l’on reprend l’exemple du gaz naturel : le pouvoir calorifique inférieur correspond au pouvoir calorifique supérieur multiplié par 0,896.

Si l’on souhaite comparer les performances énergétiques de différents combustibles, il est donc essentiel de s’assurer que la grandeur de référence utilisée est bien la même pour tous (qu’il s’agisse du PCS ou du PCI). En effet, si la différence entre pouvoir calorifique supérieur et pouvoir calorifique inférieure est relativement faible pour le charbon par exemple (moins de 3 %), elle est loin d’être négligeable en ce qui concerne le gaz naturel ou encore le méthane (environ 10 %).

Pourquoi s’intéresser au pouvoir calorifique des combustibles ?

La notion de pouvoir calorifique permet de comparer les différentes énergies, notamment les combustibles de chauffage et les carburants.

Le pouvoir calorifique des combustibles commerciaux

Les différents types de gaz, fiouls, bois ou encore carburants présentent des performances diverses en matière de pouvoir calorifique.

1. Le pouvoir calorifique des gaz

À noter : ces valeurs sont données à titre indicatif et constituent des moyennes observées. En effet, selon la provenance du gaz, le pouvoir calorifique varie légèrement.

Prenons l’exemple du gaz naturel distribué aux clients résidentiels par les fournisseurs d’énergie. On en distingue 2 types :

• le gaz naturel de type B (pour « bas » pouvoir calorifique), tel que le gaz de Groningue provenant des Pays-Bas, qui a une forte teneur en azote et est distribué dans le nord de la France ;
• le gaz naturel de type H (pour « haut » pouvoir calorifique), distribué sur le reste du territoire.

Ces deux gaz ont des pouvoirs calorifiques différents (le PCI du gaz de type H étant supérieur à celui de type B).

Par ailleurs, un autre facteur influence le pouvoir calorifique des gaz : l’altitude à laquelle a lieu la combustion. En effet, plus l’altitude est élevée, plus le pouvoir calorifique diminue.

2. Le pouvoir calorifique des combustibles liquides

À noter : les fiouls lourds ont une plus haute viscosité que les fiouls domestiques. Ils sont principalement utilisés par les industriels et dans les centrales thermiques.

3. Le pouvoir calorifique du bois

Le PCI du combustible bois se situe entre 4,80 et 5,30 kWh/kg selon l’essence choisie.

À noter : ces valeurs sont données pour un bois totalement sec. Elles varient fortement selon la quantité d’humidité présente dans le bois. En effet, le PCI perd :

• environ 11 % de sa valeur si le bois présente un taux d’humidité de 10 % ;
• environ 22 % de sa valeur si le bois présente un taux d’humidité de 20 % ;
• environ 33 % de sa valeur si le bois présente un taux d’humidité de 30 %.

4. Le pouvoir calorifique des carburants

Le carburant essence présente un plus fort pouvoir calorifique que le diesel. Cependant, cette notion n’est pas suffisante pour déterminer l’énergie la plus économe : la masse volumique est également à prendre en compte. En effet, celle du diesel (845 kg/m3) est supérieure à celle de l’essence (755 kg/m3). Concrètement, cela signifie que pour 1 litre de carburant, l’énergie produite est de 38 MJ pour le diesel et 35,5 MJ pour l’essence : un véhicule essence consomme donc plus que son équivalent diesel.

Focus sur le rendement des chaudières

Le principe de pouvoir calorifique est une donnée particulièrement pertinente pour comprendre l’efficacité des différents types de chaudières.

Il existe 3 principaux types de chaudières, fonctionnant au gaz naturel ou au fioul :

• chaudière standard ;
• chaudière basse température ;
• chaudière à condensation.

Dans le cas d’une chaudière à condensation au gaz ou au fioul, la chaleur latente issue de la combustion est condensée et récupérée : ceci explique que ce type d’appareil puisse présenter un rendement sur PCI supérieur à 100 %.

Bien qu’une telle donnée n’ait aucun sens d’un point de vue purement physique, présenter le rendement des différentes chaudières à partir du PCI permet de comparer la performance des différents types d’appareil (standard, basse température et à condensation) de façon plus éclairée.

Le rendement maximum théorique d’une chaudière à condensation fonctionnant au gaz naturel est de 100 % PCS, soit 111 % PCI.

Les autres critères de choix des combustibles

Si la notion de pouvoir calorifique permet de comparer l’efficacité des combustibles en matière de production d’énergie, d’autres critères peuvent être pris en compte avant de faire son choix en matière, notamment, de matériau de chauffage.

Le critère environnemental

Parmi les éléments pouvant influer sur le choix des combustibles : leur impact sur l’environnement. Une donnée particulièrement pertinente dans un contexte de lutte accrue contre les émissions de Gaz à effet de serre (GES), et alors que les pouvoirs publics ont fixé l’objectif ambitieux de neutralité carbone à horizon 2050.

En effet, la consommation de matériaux combustibles engendre obligatoirement l’émission de gaz à effet de serre, dans des proportions variables néanmoins.

En matière de dispositif de chauffage notamment, les émissions de CO2 sont multipliées par 10 selon que l’on utilise une chaudière au bois (granulés) ou une chaudière au fioul :

Le critère de prix

Les tarifs des différents types de combustibles varient fortement d’une année sur l’autre, au gré des fluctuations des marchés.

Une étude de l’ADEME (agence de la transition écologique) menée en 2019 a comparé le prix des principales sources d’énergie dans le cadre du chauffage domestique, sur la base commune d’un kilowattheure PCI livré.

Dans le cadre d’une construction ou d’une rénovation énergétique d’une habitation, ces données peuvent être utiles avant de choisir ses équipements d’Eau chaude sanitaire (ECS) et de chauffage : chaudière, radiateur, poêle à bois, poêle à pellets, etc.