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Combustion du gaz naturel

Co-intervention Maths-Sciences | Première Bac Pro ICCER | S4.9 — Chimie

Dernière mise à jour : 24 août 2026, 20:18

Objectifs
Identification de la ressource

1. Mise en situation professionnelle

Contexte professionnel — Mise en service d'une chaudière gaz

Un technicien chauffagiste met en service une chaudière gaz à condensation de 24 kW dans une maison individuelle. Lors du réglage, il doit vérifier la combustion avec un analyseur de fumées et calculer le rendement.

Le client demande : « Combien de gaz va consommer ma chaudière par mois ? Et c'est quoi la différence entre une chaudière classique et à condensation ? »

2. La combustion du méthane

Définition — Combustion
La combustion est une réaction chimique entre un combustible (gaz naturel = méthane CH4) et un comburant (oxygène O2 de l'air) qui libère de la chaleur.
Équation de combustion complète du méthane
\[ \text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O} + \text{chaleur} \] La combustion est complète quand tout le carbone est transformé en CO2 (pas de CO).
Combustion incomplète — DANGER
Si l'air est insuffisant, la combustion est incomplète :
\[ 2\,\text{CH}_4 + 3\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO} + 4\,\text{H}_2\text{O} \] Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz mortel, incolore et inodore. C'est pourquoi le technicien vérifie toujours le taux de CO dans les fumées (< 50 ppm obligatoire).

3. Pouvoir calorifique

Définition — PCI et PCS
PCS > PCI car la condensation libère de la chaleur supplémentaire.
Pouvoirs calorifiques du gaz naturel
Combustible PCI (kWh/m³) PCS (kWh/m³)
Gaz naturel (méthane)10,011,1
Propane (GPL)24,426,4
Fioul domestique9,96 kWh/L10,6 kWh/L

4. Rendement d'une chaudière

Formule du rendement
\[ \eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}} \times 100 \] Un rendement > 100 % sur PCI signifie que la chaudière récupère une partie de la chaleur latente (PCS). Ce n'est pas une violation des lois de la physique : c'est juste une question de référence (PCI vs PCS).
Exemple — Consommation d'une chaudière 24 kW
Chaudière à condensation, η = 105 % sur PCI, fonctionnement moyen 8 h/jour pendant 180 jours.

Énergie utile par saison : \(24 \times 8 \times 180 = 34\,560\) kWh
Énergie gaz (PCI) : \(34\,560 / 1{,}05 = 32\,914\) kWh
Volume de gaz : \(32\,914 / 10{,}0 = 3\,291\) m³
Coût (0,12 €/kWh gaz) : \(32\,914 \times 0{,}12 = 3\,950\) €/saison ≈ 660 €/mois (sur 6 mois)
À retenir

Exercices

Socle Exercice 1 — Équilibrer l'équation (guidé)

Compléter : CH4 + … O2 → … CO2 + … H2O
Vérifier : atomes C à gauche = … ; à droite = …. Atomes H : … = …. Atomes O : … = ….
  1. CH4 + 2 O2 → 1 CO2 + 2 H2O.
    C : 1 = 1 ✓ ; H : 4 = 4 ✓ ; O : 4 = 2+2 = 4 ✓
Socle Exercice 2 — Énergie d'un m³ de gaz (guidé)

PCI du gaz naturel = 10 kWh/m³.
  1. 5 m³ de gaz = … kWh
  2. 100 kWh = … m³ de gaz
  3. 1 500 m³ = … kWh
  1. 5 × 10 = 50 kWh
  2. 100 / 10 = 10 m³
  3. 1 500 × 10 = 15 000 kWh
Socle Exercice 3 — Rendement d'une chaudière (guidé)

Une chaudière consomme 100 kWh de gaz et fournit 92 kWh de chaleur.
\(\eta = \dfrac{92}{100} \times 100 = \ldots\) %. Où sont passés les 8 kWh manquants ?
  1. η = 92 %. Les 8 kWh sont perdus dans les fumées chaudes (gaz brûlés évacués à haute température).
Socle Exercice 4 — Coût du gaz (guidé)

Consommation : 800 m³ de gaz sur une saison. PCI = 10 kWh/m³. Prix : 0,12 €/kWh.
Énergie = 800 × 10 = … kWh. Coût = … × 0,12 = … €.
  1. Énergie = 8 000 kWh. Coût = 8 000 × 0,12 = 960 €
Standard Exercice 5 — Classique vs condensation

Deux chaudières de 24 kW fonctionnent 1 500 h/an.
• Classique : η = 90 % sur PCI. • Condensation : η = 105 % sur PCI.
  1. Énergie utile annuelle (même pour les deux).
  2. Énergie gaz pour chaque chaudière.
  3. Volume de gaz et coût annuel (0,12 €/kWh).
  4. Économie annuelle de la condensation.
  1. Eutile = 24 × 1 500 = 36 000 kWh
  2. Classique : 36 000/0,90 = 40 000 kWh. Condensation : 36 000/1,05 = 34 286 kWh
  3. Classique : 40 000/10 = 4 000 m³ → 40 000 × 0,12 = 4 800 €. Condensation : 34 286/10 = 3 429 m³ → 34 286 × 0,12 = 4 114 €
  4. Économie : 4 800 − 4 114 = 686 €/an
Standard Exercice 6 — Émissions de CO2

La combustion de 1 m³ de gaz naturel produit environ 2,0 kg de CO2.
  1. Une maison consomme 1 500 m³/an. Calculer les émissions de CO2.
  2. Convertir en tonnes.
  3. L'objectif national est de réduire de 40 % les émissions d'ici 2030. Quel serait l'objectif de cette maison en kg ?
  1. 1 500 × 2,0 = 3 000 kg de CO2
  2. 3,0 tonnes
  3. 3 000 × 0,60 = 1 800 kg (réduction de 1 200 kg)
Standard Exercice 7 — Analyse de fumées

L'analyseur de fumées indique : CO2 = 9,2 %, CO = 12 ppm, température fumées = 85 °C, rendement = 96,5 %.
  1. Le taux de CO est-il conforme (< 50 ppm) ?
  2. Le rendement est-il correct pour une chaudière à condensation ?
  3. La température des fumées d'une chaudière à condensation doit être inférieure à 57 °C pour condenser. Que signifie 85 °C ?
  1. 12 ppm < 50 ppm → conforme
  2. 96,5 % est bon pour une classique, mais faible pour une condensation (attendu > 100 % sur PCI).
  3. À 85 °C, la vapeur d'eau ne condense pas. La chaudière fonctionne en mode classique (probablement le circuit retour est trop chaud). Il faut vérifier la température de retour et le réglage de la courbe de chauffe.
Approfondissement Exercice 8 — PCI vs PCS — calcul

Le PCS du gaz naturel est 11,1 kWh/m³ et le PCI est 10,0 kWh/m³.
  1. Calculer la différence PCS − PCI. C'est l'énergie de condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées.
  2. Quel pourcentage du PCS représente cette énergie de condensation ?
  3. Une chaudière à condensation a un rendement de 97 % sur PCS. Convertir en rendement sur PCI.
Indice : ηPCI = ηPCS × PCS / PCI
  1. 11,1 − 10,0 = 1,1 kWh/m³
  2. 1,1 / 11,1 × 100 = 9,9 %
  3. ηPCI = 0,97 × 11,1 / 10,0 = 0,97 × 1,11 = 107,7 % sur PCI
Approfondissement Exercice 9 — Dimensionner une chaudière

Une maison a des déperditions de 12 kW. Le technicien doit choisir une chaudière gaz condensation. Les modèles disponibles sont : 15, 20, 24, 30 kW.
  1. Quelle puissance minimale choisir (marge 20 %) ?
  2. Estimer la consommation annuelle (1 800 h de fonctionnement, η = 105 %).
  3. Calculer le coût annuel (0,12 €/kWh).
  4. La même maison isolée réduit ses déperditions à 7 kW. Quelle chaudière et quel coût ?
  1. 12 × 1,20 = 14,4 kW → chaudière 15 kW
  2. Eutile = 12 × 1 800 = 21 600 kWh. Egaz = 21 600/1,05 = 20 571 kWh
  3. 20 571 × 0,12 = 2 469 €/an
  4. 7 × 1,20 = 8,4 kW → chaudière 15 kW (plus petit modèle). E = 7 × 1 800/1,05 = 12 000 kWh. Coût = 12 000 × 0,12 = 1 440 €/an. Économie : 1 029 €/an.
Approfondissement Exercice 10 — Gaz vs électricité vs PAC

Besoins de chauffage d'une maison : 15 000 kWh/an. Comparer trois solutions :

Solution Rendement/COP Prix énergie E consommée Coût/an CO2 (kg)
Chaudière gaz condensationη = 105 %0,12 €/kWh………
Radiateurs électriquesη = 100 %0,25 €/kWh………
PAC air-eauCOP = 30,25 €/kWh………
Facteurs d'émission : gaz = 0,227 kg CO2/kWh PCI ; électricité France = 0,052 kg CO2/kWh.
  1. Compléter le tableau.
  2. Quelle solution est la moins chère ?
  3. Laquelle émet le moins de CO2 ?
  1. Gaz : E = 15 000/1,05 = 14 286 kWh. Coût = 14 286 × 0,12 = 1 714 €. CO2 = 14 286 × 0,227 = 3 243 kg
    Elec : E = 15 000 kWh. Coût = 15 000 × 0,25 = 3 750 €. CO2 = 15 000 × 0,052 = 780 kg
    PAC : E = 15 000/3 = 5 000 kWh. Coût = 5 000 × 0,25 = 1 250 €. CO2 = 5 000 × 0,052 = 260 kg
  2. La PAC est la moins chère (1 250 €).
  3. La PAC émet le moins de CO2 (260 kg, soit 12 fois moins que le gaz).
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