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Qu'est-ce que le pouvoir calorifique ?

Pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée lors de sa combustion. Il s’agit donc d’une donnée très pertinente pour comparer l’efficacité des différentes sources d’énergie : gaz naturel, propane, diesel, fioul, charbon, granulés et bûches de bois, etc. Comment se mesure-t-il ? Quelle est la différence entre le Pouvoir calorifique supérieur (PCS) et le Pouvoir calorifique inférieur (PCI) ? Comment prendre en compte cette donnée dans le choix d’un appareil de chauffage ? Explications.

 

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.

Qu’appelle-t-on combustion ?
La combustion est la réaction chimique liée à la combinaison entre une matière combustible, le dioxygène de l’air (appelé « comburant ») et une énergie d’activation en quantité suffisante (une flamme, une étincelle, une source de chaleur, etc.), qui a pour rôle de déclencher le phénomène de combustion. Ces trois éléments sont appelés « triangle de feu ». La suppression de l’un de ces éléments engendre l’arrêt de la combustion.
Lorsque les deux réactifs (combustible et comburant) entrent en contact dans de bonnes conditions stœchiométriques (c’est-à-dire qu’ils sont mélangés dans des proportions adéquates) et qu’ils sont soumis à une énergie d’activation, permettant ainsi une combustion complète du combustible, il se dégage du dioxyde de carbone (CO2), de l’eau (H2O) ainsi que de la chaleur : c’est cette dernière qui nous intéresse précisément pour mieux appréhender le concept de pouvoir calorifique.

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.

Bon à savoir
1 kilowattheure (kWh) équivaut à 3,6 mégajoules (MJ).
Le kilowattheure représente la quantité de chaleur fournie pendant une heure par un appareil d’une puissance de 1 kilowatt.

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 :
    • en litre pour les combustibles liquides ;
    • en mètre cube pour les gaz.

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 ».

À noter
Le volume de référence « Normal Mètre Cube  », également appelé « Normo Mètre Cube » ou « Mètre Cube Normal » et caractérisé par l’abréviation Nm3, correspond à la quantité de gaz exempt de vapeur d’eau qui, sous une pression absolue de 1,01325 bar (équivalent de la pression atmosphérique normale au niveau de la mer) et à une température de 0 °C, occupe un volume de 1 m3.

 

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 ».

Qu’est-ce que la chaleur latente ?
Lors de sa combustion, un matériau combustible génère de l’eau à l’état de vapeur. Pour la vaporisation de 1 kg d’eau, 2 511 kilojoules sont nécessaires : cette énergie, appelée « chaleur latente de vaporisation », se perd généralement avec les gaz de combustion. Certains dispositifs, néanmoins, permettent de récupérer cette énergie contenue dans l’eau de combustion, en la condensant : c’est le cas, par exemple, des chaudières à condensation.

 

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 du pouvoir calorifique

Schéma de principe du pouvoir calorifique : PCS et PCI

Bon à savoir
Si le combustible ne produit pas d’eau, alors le PCS est égal au PCI. C’est le cas du monoxyde de carbone.

 

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.

Combustible

PCS
(MJ/kg)
PCI
(MJ/kg)
Rapport PCS/PCI Rapport PCI/PCS
Gaz naturel42,538,11,1150,896
Fioul domestique45,943,01,0670,937
Essence46,742,51,0990,910
Diesel45,943,01,0670,937
Charbon34,133,31,0240,977
Méthane55,550,11,1080,903
Propane48,945,81,0680,937
Monoxyde de carbone10,910,91,0001,000

Source : Wikipédia

Si l’on souhaite comparer les performances 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

Combustibles gazeux

Pouvoir calorifique inférieur (PCI)
(kWh/Nm3)
Butane30,5
Propane23,7
Gaz naturel9,6

Source : Econologie.com

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

Combustibles liquides

Pouvoir calorifique inférieur (PCI)
(kWh/L)
Fioul extra-lourd10,7
Fioul lourd10,6
Fioul moyen10,5
Fioul léger10,1
Gasoil de chauffage (ou fioul domestique)9,9

Source : Econologie.com

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.

Tous les fiouls domestiques (FOD) présentent-ils des performances équivalentes ?
Le gasoil de chauffage est un poste de dépenses important dans le budget des ménages équipés en chaudière à fioul. La question de l’efficacité du fioul domestique choisi est donc loin d’être anodine. On en distingue deux types :
• le fioul domestique standard (ou ordinaire) ;
• le fioul domestique de qualité supérieure.
Le fioul de qualité supérieure est additivé par des composants renforçant ses performances : anti-bactériens, anti-corrosion, anti-oxydants, etc. Les fournisseurs promettent ainsi une diminution de l’encrassement de l’équipement (chaudière et brûleurs), une réduction des émissions polluantes, une meilleure tenue dans le temps et donc, une performance globalement supérieure à celle du fioul domestique standard.

 

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.

Essences de bois

Pouvoir calorifique inférieur (PCI)
(kWh/kg)
Base : bois sec (humidité 0 %)
Mélèze5,30
Pin sylvestre5,30
Châtaignier5,20
Épicéa5,20
Orme5,10
Sapin5,10
Bouleau5,00
Frêne4,94
Chêne4,93
Hêtre4,87
Charme4,80
Peuplier4,80

Source : ThermExcel

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

Carburants

Pouvoir calorifique inférieur (PCI)
(MJ/kg)
GPL46
Essence44
Essence
Supercarburant sans plomb
43
Gasoil42
Bio-butanol
(biocarburant)
33
Bio-éthanol
(biocarburant)
20

Sources : ADEME et Le guide des énergies renouvelables

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.

Qu’est-ce que le rendement d’une chaudière ?
Le rendement d’une chaudière est le rapport entre la chaleur récupérée par l’appareil et celle libérée par le matériau combustible consommé. Celui-ci est généralement calculé sur la base du Pouvoir calorifique inférieur (PCI).

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.

Bon à savoir
Les chaudières basse température récupèrent partiellement la chaleur issue des produits de combustion, tandis que dans les chaudières standards, cette chaleur latente est entièrement perdue.

 

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 :

Dispositif de chauffage

Émissions de gaz à effet de serre (gCO2e)
pour l’utilisation d’1 kWh de chauffage
Chaudière bois (granulés)30
Pompe à chaleur49
Réseau de chaleur100
Radiateur électrique147
Chaudière gaz227
Chaudière fioul324

Source : Cabinet Carbone 4

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.

Source d’énergie

Tarif moyen 2019
(en centimes € TTC)
par KWh PCI livré
Évolution tarif moyen
versus 2009
Bois > Bûches 1 m3,1+ 15 %
Bois > Bûches 50 cm3,5+ 17 %
Bois > Bûches 25 cm3,9+ 11 %
Bois > Granulés en vrac6,1+ 30 %
Gaz naturel7,4+ 28 %
Fioul domestique9,4+ 62 %
Propane13,8+ 15 %
Électricité16,0+ 32 %

Comparaison du prix moyen des sources d’énergie pour le chauffage domestique principal
(source : ADEME)

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.

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