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Calcul de la quantité de CO₂ (en kg de CO₂) libérée lors de la production d’une énergie de 1 kWh au moment de la combustion du carbone.
:« 1 – Calcul en conditions standard
La relation entre l’énergie libérée lors d’une combustion et la quantité de dioxyde de carbone (CO₂) formée peut être établie directement à partir de la stœchiométrie de la réaction chimique et des données thermodynamiques standard. On considère ici la combustion complète du carbone pur, qui constitue un cas de référence utile pour établir une borne supérieure des émissions de CO₂ par unité d’énergie produite. La réaction chimique considérée est : C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g)
Cette réaction correspond à l’oxydation complète d’une mole de carbone solide en une mole de dioxyde de carbone gazeux. L’enthalpie standard de réaction associée à cette transformation est égale à l’enthalpie standard de formation du dioxyde de carbone. À 25 °C et sous une pression de 1 atm, cette valeur est : ΔH° = −393,5 kJ/mol Le signe négatif indique que la réaction est exothermique, c’est-à-dire qu’elle libère de l’énergie. Ainsi, la combustion d’une mole de carbone produit simultanément une mole de CO₂ et libère une énergie thermique de 393,5 kJ.
La masse molaire du dioxyde de carbone est donnée par :M(CO₂) = 12 + 2 × 16 = 44 g/mol. Il en résulte qu’une mole de CO₂ produite correspond à une masse de 44 grammes. On peut alors établir la quantité d’énergie libérée par unité de masse de CO₂ formée. Le rapport entre l’énergie libérée et la masse produite s’écrit : 393,5 kJ pour 44 g de CO₂, soit :393,5 / 44 = 8,94 kJ/g En unités usuelles d’ingénierie énergétique : 8,94 kJ/g = 8,94 MJ/kg. Cette valeur signifie que la formation d’un kilogramme de CO₂ par combustion complète du carbone correspond à une libération d’énergie thermique de 8,94 MJ. »
Afin d’exprimer cette relation dans l’unité énergétique couramment utilisée pour les bilans énergétiques, il convient de convertir les mégajoules en kilowattheures. La relation de conversion est : 1 kWh = 3,6 MJ. On cherche maintenant la masse de CO₂ correspondant à une libération d’énergie de 1 kWh. Le calcul consiste à diviser l’énergie correspondant à 1 kWh par l’énergie spécifique associée à la formation d’un kilogramme de CO₂ : m(CO₂) = 3,6 MJ / 8,94 MJ/kg, ce qui donne : m(CO₂) = 0,403 kg
On obtient ainsi la relation fondamentale suivante : la libération de 1 kWh d’énergie thermique par combustion complète du carbone pur correspond à l’émission d’environ 0,40 kg de CO₂.
2 – Calcul en conditions réelles
Ce résultat repose sur plusieurs hypothèses implicites qu’il convient d’expliciter. La première est que la combustion est complète, c’est-à-dire que tout le carbone est converti en CO₂ sans formation de monoxyde de carbone (CO) ou de suies.
La deuxième est que l’on travaille dans des conditions thermodynamiques standard, avec une enthalpie de réaction correspondant à la formation de CO₂ à l’état standard.
Enfin, on suppose que le combustible est constitué exclusivement de carbone pur, ce qui correspond à une approximation idéale. Dans les applications industrielles réelles, les combustibles contiennent généralement de l’hydrogène et parfois d’autres éléments (soufre, azote, humidité, cendres).
La présence d’hydrogène modifie la relation entre énergie libérée et CO₂ produit, car une partie de l’énergie provient alors de la formation d’eau (H₂O) plutôt que de CO₂. Par conséquent, les combustibles hydrocarbonés usuels, tels que le gaz naturel ou le fioul, présentent généralement des émissions spécifiques en CO₂ par kWh plus faibles que celles du carbone pur.
Il convient également de distinguer l’énergie thermique libérée lors de la réaction chimique de l’énergie utile récupérée dans un système réel. Le rendement d’une installation (chaudière, turbine, moteur thermique, etc.) est alors souvent faible (inférieur à 0,5) et influe sur la quantité de CO₂ émise par kWh utile délivré, mais n’affecte pas la relation fondamentale entre l’énergie chimique libérée et la quantité de CO₂ formée.
Il convient donc, pour une estimation en conditions réelles, d’introduire dans le calcul la composition du combustible, notamment sa teneur en hydrogène, ainsi que le rendement de la machine permettant de passer de l’énergie thermique à l’énergie utile.
En résumé, la relation stœchiométrique entre le gaz CO₂ formé et l’énergie libérée lors de la combustion du carbone permet d’établir une valeur de référence simple : environ 0,40 kg de CO₂ sont produits pour chaque kilowattheure d’énergie thermique libérée lors de la combustion complète du carbone pur. Cette valeur constitue une base utile pour les estimations d’émissions maximales et pour la comparaison entre différents combustibles énergétiques.
:3 _ Calcul en fonction du combustible
Il n’existe pas une correspondance unique entre kWh et CO₂ : tout dépend du combustible fossile utilisé, notamment de l’hydrogène qui le compose, et de ce que l’on mesure (combustion seule ou cycle de vie complet).
3.1 _ Pour la combustion directe (chauffage ou usage industriel), les ordres de grandeur habituellement retenus sont
Gaz naturel ≈ 0,20 à 0,23 kg CO₂/kWh
Fioul domestique ≈ 0,30 à 0,32 kg CO₂/kWh
Charbon ≈ 0,34 à 0,39 kg CO₂/kWh
Une règle mentale simple est :1 kWh fossile émet généralement entre 0,2 et 0,4 kg de CO₂, selon le combustible.
3.2 _ Si l’on parle non plus de chaleur produite mais d’électricité issue d’une centrale thermique, les émissions par kWh électrique sont plus élevées car il faut brûler davantage d’énergie primaire à cause du rendement de la centrale :
- centrale à gaz : ≈ 0,42 kg CO₂/kWh électrique
- centrale au charbon : ≈ 1,06 kg CO₂/kWh électrique
- centrale au fioul : ≈ 0,73 kg CO₂/kWh électrique