Les flux Matière-Énergie-Information : diagrammes et bilans

Les notions à connaître

Flux

Circulation ou transfert d'une grandeur (matière, énergie ou information) par unité de temps entre deux éléments d'un système ou avec son environnement. Exemple : le courant électrique de $7\,\text{A}$ qui circule entre la batterie et le moteur d'un vélo électrique est un flux d'énergie.

Stock

Accumulation d'une grandeur en un point du système, qui peut se charger ou se vider au cours du temps. Exemple : le château d'eau d'une commune stocke la matière (eau), la batterie d'un smartphone stocke l'énergie, sa carte mémoire stocke l'information.

Flux MEI

Classification des trois natures de flux traversant tout produit : Matière (fluides, pièces, granulés), Énergie (électrique, mécanique, thermique) et Information (mesures, consignes, données). Exemple : une machine à café est traversée par de l'eau et du café (matière), de l'électricité et de la chaleur (énergie), et par la consigne de l'utilisateur (information).

Caractérisation d'un flux

Association à chaque flux d'une grandeur physique mesurable et de son unité : débit volumique ou massique, flux thermique, courant électrique, flux lumineux, débit binaire. Exemple : le flux d'air d'une VMC se caractérise par un débit volumique de $120\,\text{m}^3/\text{h}$.

Diagramme de Sankey

Représentation graphique qualitative et quantitative des flux de matière, d'énergie et d'information : la largeur de chaque flèche est proportionnelle à la valeur du flux, ce qui met en évidence les pertes. Exemple : le Sankey d'un moteur thermique montre qu'environ deux tiers de l'énergie du carburant partent en chaleur.

Diagramme de blocs internes (IBD) SysML

Diagramme SysML qui décrit l'organisation interne d'un produit : les blocs représentent les constituants, reliés par des connecteurs entre ports qui portent les flux échangés. Exemple : l'IBD d'une station météo relie le panneau solaire, la batterie, les capteurs et le microcontrôleur par des flux d'énergie et d'information.

Bilan énergétique

Comptabilité des énergies ou puissances entrantes, utiles, perdues et stockées d'un produit, fondée sur la conservation de l'énergie. Exemple : le bilan d'une pompe à chaleur additionne l'électricité absorbée et la chaleur prélevée dans l'air pour retrouver la chaleur restituée.

Conservation des flux

Principe selon lequel, en régime permanent, la somme des flux entrant dans un élément égale la somme des flux sortants ; s'il y a un stock, la différence charge ou décharge le stock. Exemple : dans un réseau d'eau, le débit pompé moins le débit consommé fait monter ou descendre le niveau du réservoir.

Les erreurs à éviter en ingénierie et développement durable

• ✗ Confondre flux et stock.

  ✓ Le flux est une circulation par unité de temps (débit, puissance) ; le stock est une accumulation (volume, énergie, données stockées). Une batterie est un stock, le courant qui la charge est un flux.

• ✗ Confondre énergie (en $\text{J}$ ou $\text{Wh}$) et puissance (en $\text{W}$).

  ✓ La puissance est un flux d'énergie : $P = E/t$. Un panneau de $400\,\text{W}$ éclairé $2\,\text{h}$ produit $800\,\text{Wh}$.

• ✗ Dessiner un Sankey avec des flèches de largeur quelconque.

  ✓ La largeur de chaque flèche doit être proportionnelle à la valeur du flux : c'est ce qui rend le diagramme quantitatif.

• ✗ Oublier des flux sortants dans un bilan (pertes thermiques, rejets).

  ✓ Le bilan doit être équilibré : toute différence entre entrées et sorties correspond à un stockage ou à un flux oublié, souvent les pertes.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Que signifie le sigle MEI dans l'analyse des flux d'un produit ?
2. Parmi ces éléments, lequel est un stock et non un flux ?
3. Dans un diagramme de Sankey, la largeur d'une flèche représente :
4. Quelle grandeur caractérise un flux de matière liquide dans une canalisation ?
5. Dans un IBD (diagramme de blocs internes) SysML, les flux échangés entre constituants passent par :