Consommation électrique de la cafetière standard
Objectif
On se propose ici de traiter la mesure et l'analyse de la consommation électrique de la cafetière standard, considérée dans le cadre de la présente ressource pour l'étude de cas.
Contexte
On considère une cafetière standard du marché. Cette cafetière peut être achetée dans un supermarché quelconque pour une trentaine d'Euros. Elle a une puissance de 900 W (étiquette) et ne dispose d'aucune programmation intégrée. L'interrupteur doit être actionné manuellement aussi bien pour la mise en route que pour l'arrêt (pas d'arrêt automatique). Le bol est en verre.
Les mesures qui sont détaillées dans la suite ont été réalisées conformément à la méthodologie présentée dans la fiche "exemples de consommations électriques mesursés".
Méthodologie
On se propose ici, non seulement d'estimer la consommation de la cafetière standard, mais de la traduire en équivalents esclaves énergétiques (voir fiches "Consommations énergétique" et "Exemples et applications").
Rappel sur les esclaves énergétiques
(Contributeurs : Forhiel, Raoult)
Un homme qui travaillerait 24 heures par jour pour produire de l'énergie, tous les jours de l'année, sans faire de pause dégagerait une puissance mécanique de 100 W (soit 875 kWh/an ou 3150 MJ/an) et une puissance thermique de 100W du fait de son métabolisme. Nous appelons ce type d'homme un « esclave énergétique ».
L'énergie mécanique de type « force pure » est produite en utilisant les jambes pour pédaler.
Hypothèse de calcul
La notion d'esclave énergétique peut être adaptée sans problème dès lors que les hypothèses sont exprimées clairement.
En ce qui concerne le travail mécanique à fournir, un homme ne peut pas travailler sans s'arrêter. Il a besoin de dormir, de se reposer, et de penser à autre chose que son vélo... Il lui arrive même de tomber malade...
Nous supposons ici que l'esclave pédale 8 heures par jour durant deux tiers des jours de l'année, de sorte qu'il fournit une énergie mécanique annuelle de l'ordre de 194 kWh.
Notons que cet esclave est en fait « ménagé » dans la mesure où il ne travaille pas plus qu'un ouvrier qualifié. La question est en fait de savoir à quel tarif il sera rémunéré pour ce travail...
Remarque :
Deux chiffres clefs peuvent être retenus :
on peut arrondir à 200 kWh par an l'énergie mécanique fournie par le cycliste « ménagé » ;
l'énergie quotidienne moyenne quotidienne fournie par un « esclave » énergétique ménagé peut être arrondie à 0,5 kWh/jour (194/365).
Rappel :
Les bras sont moins efficaces que les jambes pour produire de l'énergie : ils ne peuvent fournir, par exemple par « ramage » qu'environ 6,57kWh/an.
Nous supposons maintenant que le vélo sur lequel le cycliste « opère » est relié à un système qui produit de l'électricité (générateur), système dont le rendement moyen est estimé à 65%. On en déduit que le cycliste fournit une moyenne annuelle d'énergie électrique de l'ordre de 121,6 kWh/an. C'est ce chiffre qui est utilisé dans la suite de la démarche.
Remarque :
Ce type de système devrait en théorie être couplé à un système de stockage d'énergie électrique (batteries ?) car non seulement il est impossible au cycliste de fournir une puissance instantanée de 900W (celle de la cafetière), mais il est probable qu'on ait envie de café à un moment de la journée indépendant du rythme de travail du cycliste.
Cycle d'utilisation de la cafetière
Le cycle d'utilisation de la cafetière est le suivant :
Deux cafetières par jour (1 litre de café à chaque fois), sauf le dimanche lorsque la grand-mère vient manger (on prépare alors trois cafetières) ;
la famille part en vacance trois semaines par an ; on suppose que durant cette période, la cafetière est inutilisée.
Remarque :
On s'intéresse ici à la cafetière et pas à la famille qui, très probablement, boit du café en vacances).
Protocole expérimental
Afin de comparer les calculs à partir de la puissance théorique avec la consommation réelle, plusieurs expériences ont été réalisées.
Expérience 1 : nous faisons passer 1 litre d'eau sans café dans le filtre.
Expérience 2 : nous faisons passer 0,5 litre d'eau sans café dans le filtre.
Expérience 3 : nous faisons passer 1 litre d'eau sans café dans le filtre empli de café moulu.
Expérience 4 : la cafetière est maintenue allumée pendant 30 minutes après que l'eau chaude soit dans le bol; le bol contient 1 litre d'eau.
A l'aide d'un compteur d'énergie nous relevons la puissance électrique instantanée, la durée de l'expérience, et l'énergie électrique consommée sur l'ensemble de l'expérience.
Remarque :
Avec un litre d'eau, on peut réaliser 8 tasses de café d'une contenance de 125 ml.
Résultats et interprétation
Les résultats globaux sont donnés sous forme d'un tableau de mesures synthétique.
Expérience | Puissance instantanée | Durée de cycle | Énergie consommée |
|---|---|---|---|
N°1 | Entre 877W et 880W | 7min10s | 0.1kWh |
N°2 | Entre 877W et 880W | 3min30s | 0.05kWh |
N°3 | Entre 877W et 890W | 8min30s | 0.1kWh |
N°4 | Pmax=918W | 30min | 0.05kWh |
Ils peuvent être interprétés comme suit :
→ La puissance annoncée par le fabricant (900W) est correcte.
→ La présence de café moulu dans le filtre ne change pas la consommation électrique.
Il est donc inutile de réaliser les expériences avec du café : il suffit de faire passer de l'eau.
→ Faire 4 tasses de café au lieu de 8 divise la consommation électrique par deux.
Cela revient à dire que, quelle que soit le nombre de tasses, l'énergie consommée par tasse est sensiblement identique.
Il est donc inutile de faire davantage de café que nécessaire.
Il est aussi inutile d'acheter une petite cafetière (expérience réalisée par ailleurs, voir "Consommation électrique") en plus car la grande cafetière permet tout à fait de réaliser une quantité moindre de café sans surconsommer.
→ Faire 4 tasses de café demande deux fois moins de temps qu'en faire 8.
Il est donc erroné de penser qu'il vaut mieux faire du café d'avance sous prétexte qu'en faire à deux reprises demande davantage de temps.
→ Maintenir le café au chaud pendant 30 minutes consomme autant d'énergie que de refaire 4 cafés.
Attention :
La consommation énergétique nécessaire pour maintenir le café au chaud dépend de la température de la pièce et de la quantité de café présente dans le bol. Il est logique de penser que si un utilisateur fait 8 tasses de café, il va au moins en consommer 4 de suite, ce qui diminuera légèrement l'énergie nécessaire pour maintenir au chaud les 4 tasses restantes dans le bol (cafetière).
Une feuille de calcul a été réalisée dans le cadre de cette expérience.
Elle permet d'estimer pour toute cafetière, en particulier celle utilisée dans la présente étude de cas, les consommations réelles, mais aussi les équivalences en termes d'esclaves énergétiques.
En particulier, il faut environ 20Wh d'énergie électrique pour disposer d'une tasse de café chaud (mais non maintenu au chaud).
Dans le cas considéré, on constate que la cafetière consomme environ 165 kWh/an, soit plus que l'énergie électrique que peut produire par un seul esclave énergétique : réalité environ 1,4 esclaves sont nécessaires.
Cela revient à dire que personne ne pourrait simplement produire par « pédalage » l'électricité nécessaire à la consommation de café de sa famille.
Remarque :
Puisque l'esclave ne travaille qu'une partie du temps, il faudrait en théorie veiller à avoir plusieurs esclaves disponibles, par exemple trois : pendant que deux se reposeraient, un esclave travaillerait. Il faudrait donc trouver du travail supplémentaire pour les esclaves car à eux trois, ils produiraient plus que la consommation électrique annuelle nécessaire à la confection des cafés familiaux.
Notons au passage que pour « produire » un an de café, les cyclistes auraient collectivement parcouru l'équivalent de 4 tours du monde à vélo (ce qui leur aurait prix plus d'un an!).
Si on s'intéresse aux coûts (et sans considérer le prix d'achat de la cafetière), on constate qu'environ 16 Euros sont nécessaires pour payer au fournisseur d'électricité l'équivalent d'un an de consommation familiale de café. Cela peut paraître peu, mais il faut ajouter à cela l'énergie qui sert à maintenir le café au chaud, ou qui est dépensée parce qu'on a oublié d'éteindre la cafetière. Nous faisons ici l'hypothèse que cette énergie est du même ordre grandeur que l'énergie de « production » de café (hypothèse d'une heure de café maintenu au chaud par cafetière).
Ramené au prix de la cafetière, cela signifie que chaque année on dépense autant pour payer l'énergie électrique que le prix d'achat de la cafetière (supposé égal à 30 Euros). Dès lors, il pourrait être utile de s'intéresser au surcoût qu'entraînerait l'achat d'une cafetière avec bol isotherme, surcoût qui pourrait être compensé par une dépense énergétique moindre... engendrant part ailleurs un moindre impact sur l'environnement en phase d'utilisation.
Notons au passage que si on rémunérait le cycliste au prix du kWh électrique (quelques dizaines d'Euros par an), la notion d'esclave prendrait ici tout sons sens.
Important
Les calculs financiers présentés ici sont des ordres de grandeur. Cependant, ils n'intègrent pas le prix du matériel (vélo, générateur électrique, maintenance du système, habillement et nourriture de l'esclave). On voit ici que le prix du kilowattheure électrique est sans commune mesure avec le coût réel d'une production électrique « humaine » et que seul le recours à des énergies de stock permet un usage massif et peu coûteux d'énergie électrique.
Notons enfin que si on rémunérait le cycliste au prix légal (le SMIC horaire), peu de gens pourraient se payer leur consommation annuelle de café, le prix de revient se situant aux alentours de 8 Euros par tasse, uniquement pour l'électricité en phase d'utilisation.
