Kilowatt-heure

Le kilowatt-heure ou kilowattheure (symbole kW h, kW⋅h ou, selon l'usage, kWh) est une unité d'énergie. Un kilowatt-heure vaut 3,6 mégajoules.

Si de l'énergie est produite ou consommée à puissance constante sur une période donnée, l'énergie totale en kilowatts-heures est égale à la puissance en kilowatts multipliée par le temps en heures. Le kilowatt-heure est surtout utilisé pour l'énergie électrique, mais il l'est aussi pour facturer le gaz combustible et faire des bilans énergétiques.

Définition

Le mot s'écrit « kilowatt heure » ou « kilowatt-heure » selon le Système international d'unités[1], ou « kilowattheure » selon les dictionnaires usuels[2],[3]. Le kilowatt-heure est une unité d'énergie correspondant à celle consommée par un appareil de 1 000 watts (soit 1 kW) de puissance pendant une durée d'une heure. Elle vaut 3,6 mégajoules (MJ). Pour connaître l'énergie consommée par un appareil électrique, si sa puissance est constante, il suffit de multiplier celle-ci (en kilowatts) par sa durée d'utilisation (en heures). Si sa puissance n'est pas constante, il faut mathématiquement l'intégrer sur la durée d'utilisation.

Exemples
  • Un vélo à assistance électrique doté d'une batterie de 600 Wh (quantité d'énergie), et d'un moteur de puissance 300 W, peut rouler 2 h avec l'assistance au maximum. Son chargeur de 150 W, permet de recharger la batterie en 4 h. 600 = 300 × 2 = 150 × 4).
  • Un appareil de 2 500 W (2,5 kW) utilisé à puissance maximale pendant 2 h aura consommé 2,5 kW × 2 h = 5 kWh en tout.
  • Un appareil électrique d'une puissance d'un watt (1 W) utilisé en permanence consomme en un an 8,76 kWh (1 W × 24 h/j × 365 j = 8 760 Wh).
  • Une ampoule de 100 W allumée pendant 24 heures consomme 2 400 Wh (100 × 24) soit 2,4 kWh. Si on considère un coût moyen du kilowatt-heure de 0,13 €, la consommation électrique de cette ampoule coûte 0,312 € par jour soit 9,36 € par mois.

Symbole

Le Système international d'unités (SI) préconise l'utilisation des symboles kW h ou kW⋅h[4], mais dans la pratique c'est le symbole « kWh » (sans point ni espace) qui est largement utilisé. Cette pratique est adoptée par la norme AFNOR X 02-003 (§ 6.5.1) qui permet « d'accoler les noms ou les symboles d'unités simples lorsqu'aucune confusion ne peut en résulter. Cette manière de faire est la plus usuelle pour les unités composées watt-heure, volt-ampère ».

Notes :

  • le symbole du préfixe kilo est le k minuscule ;
  • la notation KWh (avec un K majuscule) est à proscrire, car, dans le système international d'unités (SI), le K majuscule est le symbole du kelvin, unité de température thermodynamique ;
  • de même, la notation KWH (avec un K et un H majuscule) est à proscrire, car le H majuscule est le symbole du henry.

Multiples et sous-multiples usuels
  • 1 watt-heure (Wh) = 3 600 J = 3,6 kJ
  • 1 kilowatt-heure (kWh) = 1 000 Wh = 3,6 MJ
  • 1 mégawatt-heure (MWh) = 1 000 kWh = 1 000 000 Wh = 3,6 GJ
  • 1 gigawatt-heure (GWh) = 1 000 MWh = 1 000 000 kWh = 1 000 000 000 Wh = 3,6 TJ[alpha 1]
  • 1 térawatt-heure (TWh) = 1 000 GWh = 1 000 000 MWh = 1 000 000 000 kWh = 1 000 000 000 000 Wh = 3,6 PJ (pétajoules)[alpha 2]

Confusions fréquentes

Confusion entre watts-heures et watts

La confusion entre énergie et puissance est assez fréquente[5].

La puissance est un débit d'énergie (une quantité d'énergie par unité de temps).

  • La puissance est exprimée en watts (W). Un watt équivaut à un joule par seconde (1 J/s).
  • L'énergie est exprimée en joules (J) ou en watts-heures (Wh). Un watt-heure est l'énergie fournie ou consommée par un dispositif d'une puissance d'un watt pendant une heure[6].

Ainsi, une centrale électrique de 1 000 MW de puissance peut produire en 24 heures une énergie de 24 000 MWh.

Confusion entre watts-heures et watts par heure

Alors que les watts-heures sont le produit de la puissance par le temps pendant lequel cette puissance est exercée (donc une énergie), les watts par heure (W/h) expriment une variation de la puissance au cours du temps. Cette mesure est utilisée en pratique pour comparer la vitesse de mise en marche de générateurs pour atteindre leur puissance de travail.

Considérons par exemple un générateur qui passe de 0 à 20 MW en 15 minutes (0,25 heure) :

  • il effectue une montée en puissance de 20 MW/0,25 h = 80 MW/h ;
  • si cette montée a été linéaire (puissance moyenne de 20 MW/2 = 10 MW), le générateur aura produit pendant ce temps une énergie de 10 MW × 0,25 h = 2,5 MWh.

Ainsi les centrales hydroélectriques ont des montées en puissance nettement plus rapides que les centrales thermiques ; elles sont donc particulièrement utiles en cas de demande subite d'électricité.

Utilisation

Le kilowatt-heure est surtout utilisé pour mesurer l'énergie électrique, aussi bien quand elle est produite par un générateur électrique que quand elle est consommée, mais elle est aussi utilisée pour d'autres énergies. Elle est ainsi communément utilisée par les compagnies de gaz pour facturer le gaz combustible. Elle sert également à faire des bilans énergétiques.

Scénarios de transition énergétique

Le térawatt-heure est une unité d'énergie communément utilisée dans les scénarios de transition énergétique, par exemple par l'association négaWatt, GrDF[7] et Greenpeace[8]. Ils utilisent les TWh consommés en une année, indiqués sous la forme de TWh/a.

Une énergie mesurée sur une année est analogue à une puissance moyenne tout au long de l'année, 1 TWh/a correspond à une puissance moyenne d'environ 114 MW (à une autre échelle, que l'on pourrait qualifier d'individuelle, 1 kWh/a correspond à une puissance moyenne annuelle d'environ 0,114 W).

D'autres scénarios, comme celui de l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME)[9] ou de The Shift Project (TSP)[10], ont recours aux Mtep/a ; 1 Mtep par an vaut 11,63 TWh/a[11].

Consommation des véhicules électriques

La consommation des véhicules électriques est exprimée en kWh/100 km. Pour comparer la consommation en kWh/100 km d'une voiture électrique à celle d'une voiture à essence, il suffit en première approximation de diviser la valeur par 10[alpha 3],[12]. Ainsi, une consommation électrique de 20 kWh/100 km correspond environ à une consommation d'essence de 2 L/100 km. Toutefois, avec le coefficient d'énergie primaire (CEP) de 2,3 retenu par la France, l'énergie primaire consommée s'élève à 4,6 L/100 km.

Une consommation de 1 kWh/100 km équivaut formellement à une force moyenne de 36 N[alpha 4], idée reprise par le diagramme de Gabrielli – von Kármán. Une force équivaut également formellement à une puissance divisée par une vitesse, avec la relation suivante : 1 kWh/100 km = 10 W/(km/h). Ainsi, toujours avec le même exemple, 20 kWh/100 km équivaut à 200 Wh/km, soit une puissance de 20 kW pour une vitesse de 100 km/h par exemple.

1 kWh/100 km est aussi l'ordre de grandeur de la consommation d'un vélo à assistance électrique dans des conditions de roulage favorables[alpha 5].

Notes et références

Notes
  1. C'est ce que l'on nommait le « million de kilowatts-heures » dans les anciens manuels de géographie.
  2. C'est ce que l'on nommait le « milliard de kilowatts-heures » dans les anciens manuels de géographie, et que l'on trouve encore parfois dans la presse, sous la plume de certains journalistes.
  3. Un litre d'essence fournit environ 10 kWh de pouvoir calorifique inférieur (PCI). La valeur exacte du PCI d'une essence dépend du pétrole brut dont elle est issue et de la manière dont elle a été raffinée.
  4. (en) « Useful data - Cambridge repository » [PDF], sur Université de Cambridge, p. 328.
  5. Un vélo électrique avec batterie de 400 Wh permet de faire 40 à 60 km avec une assistance électrique moyenne. Il faut tenir compte du rendement du processus de recharge.

Références
  1. Bureau international des poids et mesures, Le Système international d'unités (SI), Sèvres, BIPM, , 9e éd., 216 p. (ISBN 978-92-822-2272-0, lire en ligne [PDF]), chap. 5.3 (« Noms des unités »), p. 36 :
    « Lorsque le nom d’une unité dérivée est constitué par juxtaposition de noms d’unités individuelles, il convient d’utiliser une espace ou un tiret pour séparer chaque nom d’unité. »
  2. « Difficultés : kilowattheure », sur Dictionnaire de français Larousse (consulté le ).
  3. Définitions lexicographiques et étymologiques de « kilowattheure » dans le Trésor de la langue française informatisé, sur le site du Centre national de ressources textuelles et lexicales.
  4. Le Système international d'unités (SI), Sèvres, Bureau international des poids et mesures, , 9e éd., 216 p. (ISBN 978-92-822-2272-0, lire en ligne [PDF]), chap. 5.2 (« Symboles des unités »), p. 35 :
    « La multiplication doit être indiquée par un espace ou un point à mi-hauteur centré (⋅), pour éviter que certains préfixes soient interprétés à tort comme un symbole d’unité. »
  5. « Le choix nucléaire, erreur historique », Le Monde, (consulté le ).
  6. « Il ne faut pas confondre « watt » et « kilowattheure », sur energie-environnement.ch, (consulté le ).
  7. Scénario Facteur 4 GrDF - GrDF, avril 2013 [PDF]
  8. Scénario de Transition Énergétique : Greenpeace 2013 [PDF]
  9. « Contribution de l'ADEME à l’élaboration de visions énergétiques : 2030-2050 » [PDF], sur Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie,
  10. « Plan de transformation de l'économie française: fiche Énergie » [PDF], sur The Shift Project, .
  11. (en) « Unit converter », sur Agence internationale de l'énergie.
  12. Neil Packer, « Le b.a.-ba de l’énergie et de la puissance », (consulté le ).

Voir aussi

Articles connexes
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