Exercices: Consommation durable et économies

L'étiquette énergie des appareils électroménagers les classe par des lettres de A à G. Expliquer quelles informations donne cette étiquette et pourquoi un appareil de classe A peut revenir moins cher qu'un appareil de classe G même s'il coûte plus cher à l'achat.

Proposer trois actions simples pour économiser l'énergie dans un logement (éclairage, climatisation, utilisation des appareils électroménagers…) et expliquer pour chacune pourquoi elle permet d'économiser et quelle grandeur diminue (puissance, durée d'utilisation, pertes…).

Expliquer ce qu'est la consommation en veille (« standby ») des appareils, pourquoi on l'appelle parfois « consommation fantôme » et décrire deux moyens pratiques de l'éliminer chez soi sans renoncer à utiliser les appareils.

La facture d'électricité ne fait pas payer des « watts » mais des « $\text{kW} \cdot \text{h}$ ». Expliquer à l'aide d'un exemple la différence entre la puissance d'un appareil et l'énergie qu'il consomme (un four à micro-ondes de $800\ \text{W}$ utilisé 15 minutes par rapport à une lampe de $10\ \text{W}$ allumée toute la journée).

Les appareils qui produisent de la chaleur sont ceux qui consomment le plus. Citer trois « gros consommateurs » typiques d'un logement (four, chauffage électrique, chauffe-eau, sèche-linge) et expliquer pourquoi les résistances électriques consomment autant d'énergie.

De nombreux appareils électroménagers ont un programme « éco ». Expliquer ce que ce programme modifie généralement (moins de température, plus de temps, moins d'eau) et pourquoi il permet d'économiser de l'énergie même s'il met plus de temps à se terminer.

Un appareil en veille (standby) consomme entre $1\ \text{W}$ et $5\ \text{W}$ sans rien faire d'utile. Expliquer comment il est possible qu'il consomme alors qu'il est « éteint » (alimentation branchée, voyants, attente du signal de la télécommande) et comment supprimer totalement cette dépense.

L'isolation est la première mesure d'économie en matière de climatisation et de chauffage. Expliquer ce qu'est isoler un logement et citer deux endroits par où s'échappe le plus de chaleur en hiver (fenêtres et coffres de volets roulants, toit, murs extérieurs), avec une mesure simple pour chacun.

Une ampoule à incandescence de $60\ \text{W}$ est remplacée par une ampoule LED de $9\ \text{W}$ qui donne la même lumière, avec une utilisation de $5\ \text{h}$ par jour pendant $30$ jours. (a) Calculer l'énergie mensuelle consommée par chacune, en $\text{kW} \cdot \text{h}$ ($E = P \cdot t$). (b) Calculer l'économie mensuelle en euros si le prix est de $0{,}20\ \text{€}$ le $\text{kW} \cdot \text{h}$. (c) Commenter pourquoi l'économie réalisée avec les LED est si importante alors qu'on remarque à peine une différence d'éclairage.

La figure compare la consommation électrique mensuelle de plusieurs appareils d'un logement, comme indiqué sur la figure.

(a) Lire sur le graphique la consommation mensuelle de chaque appareil. (b) Calculer l'énergie consommée par le réfrigérateur sur une année complète. (c) Le réfrigérateur consomme beaucoup bien que sa puissance soit modeste, alors que le four est très puissant mais consomme moins par mois : expliquer cette contradiction apparente et indiquer sur quels deux appareils il convient de concentrer les efforts d'économie.

Proposer un petit « audit » de la consommation fantôme de votre domicile : comment repéreriez-vous les appareils qui consomment le plus en veille (observation, wattmètre de prise, compteur), quels appareils soupçonnez-vous de figurer en tête de liste et quelles mesures concrètes appliqueriez-vous après les mesures.

Un chauffe-eau électrique de $1500\ \text{W}$ fonctionne $3\ \text{h}$ par jour. (a) Calculer sa consommation mensuelle en $\text{kW} \cdot \text{h}$ (30 jours). (b) Calculer son coût mensuel à $0{,}20\ \text{€}$ le $\text{kW} \cdot \text{h}$. (c) Calculer l'économie mensuelle si la durée est ramenée à $2\ \text{h}$ par jour et commenter comment obtenir cette réduction (programmateur, température de consigne plus basse).

Un sèche-linge de $2500\ \text{W}$ est utilisé $1\ \text{h}$ par lessive, 12 fois par mois. (a) Calculer sa consommation et son coût mensuel à $0{,}20\ \text{€}$ le $\text{kW} \cdot \text{h}$. (b) Comparer avec le séchage du linge à l'air libre (coût énergétique quasi nul) et expliquer dans quelles situations l'usage du sèche-linge est justifié (hiver humide, manque de place, allergies) même s'il coûte de l'argent.

L'étiquette énergie d'un lave-linge indique $220\ \text{kW} \cdot \text{h}$ par an et celle d'un autre, $160\ \text{kW} \cdot \text{h}$. (a) Calculer le coût annuel de chacun à $0{,}20\ \text{€}$ le $\text{kW} \cdot \text{h}$. (b) Calculer l'économie réalisée sur 10 ans de durée de vie. (c) Expliquer comment vous utiliseriez ces chiffres, avec le prix d'achat, pour choisir entre les deux.

On estime que chaque degré en moins sur la consigne de chauffage permet d'économiser environ $7\ \%$ d'énergie. Si une famille dépense $100\ \text{€}$ par mois en chauffage, calculer l'économie mensuelle approximative obtenue en passant de $22\ ^\circ\text{C}$ à $20\ ^\circ\text{C}$ et commenter quelles mesures de confort compensent ces deux degrés (vêtements chauds, couvertures, boudins de porte).

« Laisser le chargeur du téléphone branché consomme énormément. » Le remettre en contexte avec des chiffres : un chargeur à vide consomme entre $0{,}1\ \text{W}$ et $0{,}5\ \text{W}$. Calculer le coût annuel dans le pire des cas à $0{,}20\ \text{€}$ le $\text{kW} \cdot \text{h}$ (une année compte $8760\ \text{h}$) et conclure sur les points où il convient de concentrer l'effort d'économie (appareils de chauffage, veille de nombreux appareils à la fois) plutôt que sur des gestes à l'impact minime.

Un utilisateur affirme : « Mon réfrigérateur de 10 ans fonctionne encore parfaitement, mais il consomme $380\ \text{kW} \cdot \text{h}/\text{an}$. Je vais le jeter aujourd'hui même pour en acheter un de classe A ($130\ \text{kW} \cdot \text{h}/\text{an}$, $600\ \text{€}$) car ainsi j'économiserai de l'argent et je réduirai immédiatement mon empreinte écologique ». Vous disposez des données techniques suivantes : le coût de l'électricité est de $0{,}22\ \text{€}/(\text{kW} \cdot \text{h})$, la durée de vie estimée du nouveau réfrigérateur est de 10 ans, et la fabrication, le transport et le recyclage d'un réfrigérateur neuf représentent une empreinte énergétique intrinsèque équivalente à $1\,100\ \text{kW} \cdot \text{h}$ d'énergie primaire. (a) Démontrer quantitativement si l'affirmation économique de l'utilisateur est correcte ou erronée en calculant le temps de retour sur investissement et le bilan économique au terme de la durée de vie. (b) Déterminer à partir de quelle année le bilan énergétique global (fabrication plus fonctionnement cumulé) devient favorable au remplacement. (c) En tant que futur technicien, rédiger une recommandation argumentée : convient-il de le remplacer dès maintenant ou d'attendre qu'il tombe en panne ? Justifier la notion d'amortissement écologique par rapport à celle d'obsolescence programmée.

Une famille vit dans un appartement de $90\ \text{m}^2$ situé dans une zone climatique froide. Sa consommation annuelle est de $8\,500\ \text{kW} \cdot \text{h}$ pour le chauffage électrique par effet Joule, $2\,400\ \text{kW} \cdot \text{h}$ pour l'eau chaude sanitaire (chauffe-eau électrique) et $2\,800\ \text{kW} \cdot \text{h}$ pour l'électroménager et l'éclairage, l'électricité étant payée $0{,}20\ \text{€}/(\text{kW} \cdot \text{h})$. Elle dispose d'un budget fixe de $3\,000\ \text{€}$ pour des travaux immédiats et doit choisir entre trois interventions incompatibles en raison du budget :

1. Remplacer tout l'éclairage par des DEL et l'électroménager par des appareils de classe A (investissement : $2\,200\ \text{€}$ ; économie estimée : $25\ \%$ de ce poste).

2. Isoler le faux plafond et les coffres de volets roulants, et installer des joints d'étanchéité et des films à faible émissivité sur les fenêtres (investissement : $1\,800\ \text{€}$ ; réduction estimée de $20\ \%$ des besoins thermiques de chauffage).

3. Remplacer le chauffe-eau électrique par une pompe à chaleur aérothermique pour l'ECS (investissement : $2\,400\ \text{€}$ ; rendement moyen saisonnier $\text{COP} = 3{,}0$).

(a) Calculer l'économie d'énergie annuelle (en $\text{kW} \cdot \text{h}$) et l'économie financière (en euros) de chacune des trois options.

(b) Déterminer le temps de retour sur investissement de chaque option et justifier techniquement laquelle doit être réalisée en premier avec le budget disponible.

(c) Expliquer pourquoi agir sur la demande passive (isolation thermique) est généralement considéré comme techniquement prioritaire par rapport au remplacement des systèmes actifs de production.

Une mairie subventionne le remplacement d'anciens climatiseurs (rendement saisonnier $\text{EER} = 2{,}0$, puissance électrique moyenne absorbée $1{,}5\ \text{kW}$) par de nouveaux appareils inverter à haute efficacité ($\text{EER} = 4{,}0$). On estimait que chaque famille utilisait l'ancien appareil $200\ \text{h}$ par été. Après la campagne, une étude de terrain révèle que la consommation électrique moyenne estivale par foyer n'a diminué que de $300\ \text{kW} \cdot \text{h}$ à $225\ \text{kW} \cdot \text{h}$, bien en deçà de l'économie prévue par les techniciens municipaux.

(a) Calculer la consommation électrique que les techniciens avaient prévue pour les nouveaux appareils, en conservant exactement la même énergie thermique de refroidissement et les mêmes $200\ \text{h}$ de fonctionnement.

(b) Démontrer quantitativement l'existence de l'effet rebond en calculant le nombre d'heures réelles de fonctionnement des nouveaux appareils et le pourcentage de l'économie théorique potentielle perdu à cause du changement d'habitudes (« taux de rebond »).

(c) Justifier quel facteur sociotechnique ou de perception de l'utilisateur provoque cet écart et proposer deux mesures (l'une technique, fondée sur l'automatisation/la domotique, l'autre économique) pour éviter que le gain d'efficacité ne soit annulé.

Un établissement scolaire souhaite remplacer 120 luminaires équipés de tubes fluorescents de $2 \times 36\ \text{W}$ (ballast électromagnétique classique) par des panneaux DEL de $40\ \text{W}$. Le concierge affirme : « L'économie de puissance sera exactement de $(72 - 40)\ \text{W} = 32\ \text{W}$ par luminaire, et comme les DEL ont $\cos \varphi = 0{,}95$ contre $\cos \varphi = 0{,}50$ pour les tubes non compensés, nous réduirons en plus de moitié l'énergie active facturée au compteur. » Les lumières fonctionnent $1\,200\ \text{h}$ par an, chaque ballast dissipe $9\ \text{W}$ supplémentaires de pertes thermiques constantes et le coût du $\text{kW} \cdot \text{h}$ actif est de $0{,}18\ \text{€}$.

(a) Réfuter par des arguments techniques l'affirmation du concierge sur le compteur et le facteur de puissance : que mesure le compteur d'énergie active et quelle grandeur électrique diminue réellement lorsqu'on améliore le $\cos \varphi$ ?

(b) Calculer la puissance active réelle demandée par chaque luminaire fluorescent (tubes plus ballast) et déterminer l'économie d'énergie annuelle totale réelle (en $\text{kW} \cdot \text{h}$) et l'économie financière de l'établissement après le passage aux DEL.

(c) Si chaque panneau DEL coûte $25\ \text{€}$ posé, calculer la durée d'amortissement simple. Prévoir ce qui se produira pour les besoins thermiques du bâtiment en hiver et en été du fait de la réduction de la chaleur résiduelle dissipée par les luminaires (effet d'interaction thermique).

Un audit énergétique dans une maison individuelle pendant un mois enregistre les consommations électriques suivantes : chauffage par pompe à chaleur $210\ \text{kW} \cdot \text{h}$, chauffe-eau $135\ \text{kW} \cdot \text{h}$, réfrigérateur $45\ \text{kW} \cdot \text{h}$, plaque vitrocéramique $40\ \text{kW} \cdot \text{h}$, consommation en veille (standby) $20\ \text{kW} \cdot \text{h}$ et éclairage $15\ \text{kW} \cdot \text{h}$. La famille propose de concentrer tous ses efforts sur l'élimination complète de la veille et sur le remplacement de toutes les lampes par des modèles à très faible consommation, affirmant que « cela réduira considérablement leur facture ».

(a) Analyser de manière critique l'affirmation de la famille : calculer le pourcentage maximal de la consommation totale mensuelle que représentent ensemble la veille et l'éclairage, et démontrer pourquoi cette approche souffre d'une erreur d'échelle par rapport à une analyse de Pareto (règle des 80/20).

(b) Le chauffe-eau électrique de $100\ \text{l}$ maintient l'eau à $65\ ^\circ\text{C}$ en continu, avec des pertes thermiques statiques à travers l'isolation de $1{,}2\ \text{kW} \cdot \text{h}/\text{jour}$. Concevoir deux interventions techniques sur le chauffe-eau (l'une de régulation horaire/thermostatique, l'autre sur la consommation d'eau) et quantifier l'économie en pourcentage et en $\text{kW} \cdot \text{h}$ que l'on obtiendrait sur ce poste.

(c) Justifier techniquement pourquoi une réduction de $15\ \%$ sur les deux principaux postes thermiques a un impact économique et environnemental bien plus important que la suppression de $100\ \%$ des postes mineurs.

En analysant la courbe de charge horaire du compteur numérique d'une maison individuelle pendant une semaine où les propriétaires étaient en voyage, on observe une puissance active de base constante (ligne de base ou charge fantôme) de $120\ \text{W}$, avec des pics cycliques de $180\ \text{W}$ pendant $20\ \text{minutes}$ chaque heure dus au compresseur du réfrigérateur. Le terme d'énergie est facturé $0{,}22\ \text{€}/(\text{kW} \cdot \text{h})$.

(a) Décomposer quantitativement la consommation : calculer l'énergie consommée en un mois de 30 jours attribuable exclusivement au fonctionnement cyclique du réfrigérateur et celle attribuable au reste des consommations résiduelles permanentes (charges fantômes).

(b) Les propriétaires veulent installer un système domotique de coupure générale par contacteurs dans le tableau électrique, qui déconnecte les circuits secondaires pendant les absences prolongées. Identifier quels circuits doivent impérativement rester sous tension en continu et lesquels peuvent être coupés sans risque pour le logement.

(c) Si le système domotique réduit la charge fantôme permanente hors réfrigérateur de $120\ \text{W}$ à seulement $15\ \text{W}$, et a un coût d'installation de $150\ \text{€}$ avec une autoconsommation propre de $2\ \text{W}$, calculer combien de jours d'absence par an seraient nécessaires pour amortir le système en 3 ans.

Un petit bureau d'études remplace ses anciens systèmes de climatisation et d'éclairage par des équipements à très haute efficacité énergétique. Pourtant, durant les premiers mois, la facture d'électricité a à peine diminué : les utilisateurs maintenaient le thermostat à $19\ ^\circ\text{C}$ en été et à $24\ ^\circ\text{C}$ en hiver, et les luminaires restaient allumés pendant des heures dans des bureaux et des salles de réunion inoccupés, sous prétexte que « comme ce sont des DEL à faible consommation, la dépense est négligeable ».

(a) Modéliser mathématiquement l'impact thermique : sachant que, pour chaque degré d'écart entre la consigne du thermostat et la température de confort standard ($26\ ^\circ\text{C}$ en été et $21\ ^\circ\text{C}$ en hiver, selon le RITE, règlement espagnol des installations thermiques dans les bâtiments), la consommation de la pompe à chaleur varie d'environ $7\ \%$, calculer le surcoût en pourcentage dû uniquement aux mauvaises habitudes de consigne en été et en hiver.

(b) Concevoir une solution technique fondée sur l'automatisation et la régulation (détecteurs de présence/luminosité PIR, thermostats intelligents verrouillés par logiciel avec bande morte et programmation horaire centralisée) pour corriger le problème sans dépendre de la bonne volonté individuelle des utilisateurs.

(c) Justifier techniquement pourquoi, en ingénierie énergétique, on privilégie l'automatisation passive (systèmes agissant de manière autonome) plutôt que les campagnes de sensibilisation pour neutraliser l'effet rebond.

Un élève de technologie utilise un wattmètre de prise lors d'un audit énergétique domestique. Après avoir mesuré plusieurs appareils, il obtient les relevés suivants, issus des plaques signalétiques et des mesures :

• Four à micro-ondes : puissance nominale $1\,200\ \text{W}$ ; durée d'utilisation quotidienne $15\ \text{min}$ ; facteur de puissance $\cos \varphi = 0{,}92$.

• Réfrigérateur-congélateur : puissance nominale du compresseur $120\ \text{W}$ ; énergie active cumulée relevée après $24\ \text{h} = 0{,}84\ \text{kW} \cdot \text{h}$ ; $\cos \varphi = 0{,}78$.

• Téléviseur + barre de son en veille (standby) : puissance active mesurée $15\ \text{W}$ ; durée en veille $20\ \text{h}/\text{jour}$ ; $\cos \varphi = 0{,}42$.

• Ordinateur de bureau : puissance nominale de l'alimentation $650\ \text{W}$ ; puissance moyenne réelle relevée pendant l'utilisation $130\ \text{W}$ ; utilisation quotidienne $5\ \text{h}$ ; $\cos \varphi = 0{,}98$.

L'élève conclut : « Le micro-ondes est celui qui consomme le plus d'énergie car il a la plus grande puissance sur la plaque ($1\,200\ \text{W}$), tandis que le réfrigérateur a à peine un impact puisqu'il n'a qu'un moteur de $120\ \text{W}$. »

(a) Réfuter quantitativement la conclusion de l'élève en calculant la consommation d'énergie quotidienne et mensuelle (30 jours) en $\text{kW} \cdot \text{h}$ de chacun des quatre appareils à partir des données relevées.

(b) Interpréter le relevé du réfrigérateur : pourquoi l'énergie consommée en $24\ \text{h}$ ($0{,}84\ \text{kW} \cdot \text{h}$) ne coïncide-t-elle pas avec le produit direct de sa puissance nominale par la durée ($120\ \text{W} \times 24\ \text{h} = 2{,}88\ \text{kW} \cdot \text{h}$) ? Calculer le facteur de marche ou rapport cyclique (duty cycle) du compresseur.

(c) Analyser la valeur de $\cos \varphi = 0{,}42$ relevée en veille : pourquoi un appareil de mesure basique qui ne ferait que multiplier le courant par la tension ($V \times I$) surestimerait-il énormément la dépense réelle facturée ? Expliquer la différence entre puissance apparente et puissance active pour les charges électroniques.

Défi du thème. Audit énergétique et optimisation de votre facture d'électricité domestique. Devenez le gestionnaire énergétique de votre foyer en analysant l'impact du marché de l'électricité sur les habitudes quotidiennes.

1. Données du système : Consulter sur le site de RTE (éCO2mix) le pourcentage de production renouvelable du jour et noter le tarif réglementé de vente d'électricité (TRVE, ex. $0,15$ €/kWh) en heures pleines et en heures creuses.

2. Audit domestique : Examiner la facture d'électricité de votre logement (puissance souscrite en kW) et relever la puissance nominale et la durée d'utilisation quotidienne estimée de $3$ appareils significatifs (lave-linge, four, réfrigérateur ou climatisation).

3. Simulation avec LibreOffice Calc : Concevoir un tableur qui détermine le coût énergétique hebdomadaire actuel et celui d'un scénario optimisé (déplacer des consommations vers les heures creuses et ajuster la puissance souscrite de $0,5$ kW). Produire un graphique comparatif des coûts.

4. Proposition technique : Rédiger un court rapport comportant trois mesures argumentées pour améliorer l'efficacité, réduire la facture et favoriser une consommation durable à la maison.

Seront évalués :

• La rigueur dans la collecte et le relevé de données réelles de RTE et de l'installation domestique.

• La justesse technique des formules, des unités et des graphiques réalisés dans LibreOffice Calc.

• La faisabilité et la justification des mesures d'économie d'énergie et de durabilité proposées.