Prochainement, nous allons publier des articles et tests sur des produits hardware, notamment autour de la consommation d’énergie. Mais avant, il est important de poser quelques bases sur les notions que nous allons utiliser. Si elles peuvent paraitre triviales pour certains, ce n’est pas le cas de tout le monde.
Le tiercé gagnant : tension, courant et puissance
Attaquons directement avec la formule permettant de calculer une puissance (pour un courant indépendant du temps aussi appelé continu) : P = U x I. P est la puissance en watt (symbole W), U la tension en volt (V) et I l’intensité en ampère (A). Prenons deux minutes pour se pencher sur la tension et l’intensité.
Une analogie revient souvent pour le courant électrique : l’écoulement d’un fleuve. Sans entrer dans les détails, peut-être vous souvenez-vous qu’une tension (V) est une différence de potentiel. Dans le cas du fleuve, cela pourrait être assimilé au dénivelé (différence entre le point haut et le point bas). De son côté, l’intensité peut être vue comme le débit du fleuve.
Cette comparaison permet aussi de comprendre pourquoi un voltmètre se branche en dérivation et un ampèremètre en série. Reprenons le cas du dénivelé : il suffit de calculer la différence entre les points haut et bas, peu importe le débit de l’eau. En électricité, c'est pareil : les volts sont une différence de potentiel, il suffit donc de se brancher sur les bornes « + » et « - ».
Pour mesurer le débit d’un fleuve, il faut par contre positionner le débitmètre directement dans l’eau. Pour l’intensité d’un courant électrique, c’est la même chose : il faut que le courant passe dans l’ampèremètre, d’où la mise en place en série.
Allez, on entre dans le vif du sujet avec le déphasage et le cos (phi)
Bon, il est maintenant temps de vous dire la vérité… P = U x I fonctionne dans le cas d’un calcul de puissance sur du courant continu (une pile, une batterie, etc), mais pas lorsque le courant dépend du temps. Or le courant alternatif est justement celui que l’on retrouve dans les prises de nos maisons. Il est donc utilisé par les réfrigérateurs, les télévisions, les ampoules lumineuses, les fours, les ordinateurs, etc. En France, la valeur efficace est 230 volts. Il n’y a pas de bornes « + » et « - », il y a une phase et un neutre (et une terre) ; le courant électrique varie sinusoïdalement avec le temps.
Petite digression. Les 230 volts ne sont pas une règle absolue dans le monde, loin de là : la tension est de 120 volts aux États-Unis et au Canada, alors qu’elle peut grimper à 240 volts dans d’autres pays. De plus, la fréquence de la sinusoïde n’est pas la même partout dans le monde : 50 Hz en France (soit cinquante oscillations par seconde), 60 Hz aux États-Unis.
Pour en revenir à la formule de la puissance, il faut ajouter un élément dans le cas du courant alternatif : P = U x I x cos (phi), on parle alors de « puissance active » ou « réelle ». Vous avez oublié ces satanées formules de cosinus et sinus (ne prenez pas la tangente de suite) et n’avez pas spécialement envie d’en entendre parler ? Pas de souci, le plus important est de se souvenir que le cosinus est toujours compris entre -1 et 1.
Crevons l’abcès : Le cos (phi) correspond au déphasage entre la tension et le courant, qui sont tous les deux des sinusoïdes. Il s’agit donc de mesurer ce décalage entre les deux courbes et de prendre le cosinus de cet angle (une image valant mille mots, regardez ci-dessous).
Tension, courant et puissance en fonction du temps. Crédits : Yves-Laurent Allaert, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Si les sommets des courbes arrivent au même moment, l’angle vaut 0° et le cos (phi) est égal à 1. Au contraire, si les courbes sont complètement déphasées, le cosinus de l’angle est alors égal à 0. Dans la pratique, le cos (phi) varie évidemment suivant les appareils.
Tout cela pour dire que la puissance active – calculée avec la formule U x I x cos (phi) – est inférieure ou égale à la puissance apparente, c’est-à-dire celle calculée avec la formule U x I, car le cos (phi) est compris entre -1 et 1. Les compteurs domestiques (Linky et autres) comptent la puissance active consommée. Quel que soit votre fournisseur, c'est donc celle-ci qui vous est facturée.
Voici les Wh (wattheure), qui sont exactement ce qu’ils prétendent être
Maintenant que l’on a vu ce qu’était la puissance en watt (W), évoquons rapidement le kW… qui n’est qu’une manière de parler de kilo et de watt, soit 1 000 watts tout simplement. Le kW est un multiple du watt (comme le mW, le MW, le GW, etc.). Jusque-là, vous suivez ?
Passons à présent au kWh, c’est-à-dire des kW (dont on vient de parler) avec une unité supplémentaire : le temps en heure (h). Le kilowattheure est une unité d’énergie (on peut évidemment parler en wattheure). Elle est par exemple utilisée lorsque l’on parle de la « capacité » des batteries de voitures ou de vélos électriques.
Elle est assez intuitive et facile à comprendre. En effet, une batterie de 100 kWh sera capable de délivrer une puissance de 100 kW pendant… une heure. On peut aussi tirer 200 kW durant 1/2 heure, ou encore 25 kW durant 4 heures, etc.
Cette unité peut également être utile lorsque l’on parle des chargeurs. Ainsi, un chargeur de 150 W mettra en théorie 2h à charger une batterie de 300 Wh ou 1/2 heure pour 75 Wh. C’est plus compliqué dans les faits, mais vous saisissez l’idée.
Et si vous vous demandez ce que l’on peut faire avec 1 kWh, EDF propose des exemples (attention, ce ne sont que des moyennes) : « on peut regarder la TV entre 3 et 5 h selon la taille et la technologie de son téléviseur. On peut aussi laisser son lecteur DVD ou son décodeur en marche pendant une semaine. Par contre, on ne peut jouer qu’une journée avec sa console de jeux […] On peut faire fonctionner son réfrigérateur combiné pendant une journée et son congélateur de 200 litres pendant 2 jours. On peut aussi cuire un poulet au four à pyrolyse et faire fonctionner une plaque vitrocéramique ou un four à micro-ondes pendant 1 h ».
On peut aussi parcourir 2 km avec une Smart électrique ou s’éclairer pendant une journée à une journée et demie en fonction des habitations. Par contre, « avec 1 kWh, on ne fait pas grand-chose dans la salle de bain ! Il faut 2 kWh pour prendre une douche et 4 kWh pour prendre un bain ». Si on peut lancer un cycle de lave-linge avec 1 kWh selon EDF, « il faudra 3 kWh pour un cycle de sèche-linge ».
Si on prend le tarif bleu d’EDF du 1er janvier 2023, le kWh est à 0,174 euro au tarif classique, ou bien 0,1841 et 0,1470 euro avec l’option heures pleines et creuses.
Faisons un rapide détour par une autre unité d’énergie : le joule. Sachez simplement qu’un watt équivaut à un joule par seconde. Par conséquent, 1 Wh vaut à 3 600 joules (il y a 60 minutes dans une heure et 60 secondes dans une minute, donc 3 600 secondes dans une heure).
Et voilà maintenant que les mAh et Ah (ampère heure) débarquent
C’est bien beau tout cela, mais pourquoi trouve-t-on des mentions de mAh ou Ah sur des piles et certaines batteries ?
Si vous vous souvenez de la formule de calcul de la puissance du début – P = U X I en courant continu pour les distraits – on se rend compte que les Ah ne sont pas loin des Wh dans le cas des piles et des batteries… il suffit d’ailleurs de multiplier les Ah par la tension (volt) pour obtenir des Wh. Ainsi, une batterie de 50 Ah avec une tension de 12 volts aura une « capacité » de 600 Wh (12 x 50).
Attendez ce n’est pas fini… et si on parlait des VA (volts-ampères)
Heu… quoi ? On n’a pas défini les watts comme étant justement une multiplication entre la tension (V) et l’intensité (A), avec un cos (phi) qui vient nous embêter ? Oui, c’est bien cela… mais alors quelle différence entre les kVA et les kW ?
Engie l’explique rapidement sur son site : « Le kW est l’unité qui représente la puissance électrique d’un appareil alors que le kVA est l’unité qui représente la charge maximale qu’un compteur électrique peut supporter ». Dans les kVA on ne prend pas en compte le déphasage, on multiplie simplement l’intensité et la tension.
Comme nous venons de le détailler, le kilowattheure correspond à la quantité d’énergie consommée par un appareil sur une heure. Pour Engie, « le kilovoltampère (kVA) mesure quant à lui la puissance électrique apparente, soit la valeur maximale que peut supporter votre compteur ».
Pour savoir quel niveau de puissance prendre, il faut additionner les puissances de l’ensemble des appareils susceptibles de fonctionner en simultané, et ajouter une petite marge de sécurité.
Enfin, une fois n’est pas coutume, terminons par des remerciements à Guy Labasse et Nathalie Roy du lycée Dautet de La Rochelle pour nous avoir consacré du temps dans le cadre de cet article.
